变换器基础及特点(DCDC 电荷泵 线性稳压器)

一、DCDC概念及分类

几乎所有的电子系统都需要恒压电源或者恒流电源，DC to DC变换器是用于提供直流(DC)电源的器件。DC-DC实际上是个很宽的概念，广义上包括所有的从直流变换到直流的变压器件，可分为线性变换器和开关变换器2种。线性变换器中比较常用到的细分种类是LDO，而开关变换器就是通常所说的狭义上的DC-DC。

1，开关变换器

开关变换器，指利用电感、电容的储能的特性，通过可控开关器件(MOSFET等)进行高频率的周期性的开通和关断，将输入的电能储存在电感（容）里，当开关断开时，电能再释放给负载，提供能量。

所以，开关变换器根据储能器件不同又可以分为电感储能型和电容储能型2种。电感储能型DCDC就是电子产品中最常用的那种需要外挂个功率电感的常规DCDC，而电容储能型DCDC 变换器通常又被叫作电荷泵(bèng)。

我们常用的电感储能型DC-DC产品有三种类型，分别为BUCK（降压型）、BOOST（升压型）和BUCK/BOOST型（升降压型）。

另外，如果用变压器来代替储能电感，就是隔离型DCDC，隔离型又分多种：单端正激（Forward）、单端反激(Flyback)、双管正激(Double transistor forward converter)、双管反激（Double transistor flybackconverter）、推挽电路（Push-pull converter）和半桥电路（Half-bridge converter）等。隔离型不是本文要讲的重点。

2，线性变换器

线性型，是从电源向负载连续的输送功率，传输能量器件（如晶体管、场效应管）工作于线性区，其负责调节从电源至负载的电流流动。线性稳压器属于广义的DC-DC变换器，而LDO 又是一种低压差的线性稳压器。

二，线性稳压器。

1，原理：

线性稳压器和输出阻抗一起形成了一个分压器网络。线性稳压器的作用就像受控的可变电阻器，其可根据输出负载自我调节以保持一个稳定的输出。

2，特性

优点：

低输出纹波和噪声；

面对大的负载变化，可在VOUT 上实现快速瞬态响应；

低成本（简单，外部器件少）；

极少的外部组件使得线性稳压器易于设计；

由于线性稳压器不工作在开关模式，不会有开和关的电压电流跳变，无噪声源，无需担心EMI 问题；

易于实现短路保护；

缺点：

在VIN比VOUT大的比较多的情况下电能变换效率较低；

浪费的电能(VIN–VOUT)*IOUT通过线性稳压器以热能的方式耗散，可能需要一个散热器；只能降压，也就是始终VOUT

3，适用场景：

要求极低纹波和噪声的射频或高精度模拟（测量非常小的电压）电路；

VIN 和VOUT 的压差较小的应用，或者压差大电流小的应用；

需要一个电压精度比较高的应用；

要求针对负载的快速变化实现快速瞬态响应的FPGA 或多内核处理器；

小功率的应用；

三、电感储能型开关稳压器。

电感储能型DCDC是通过电感不断的储电/放电，最后达到稳定电压/电流输出的转换器。1，原理：

电感负责储存能量及向输出负载释放能量；电感根据开关管的开通从输入端获得能量。

下图以降压型转换器为例，利用MOSFET开关闭合时在电感器中储能，并产生电流。当开关断开时，贮存的电感器能量通过二极管输出给负载。输出电压值与占空比有关。

其中，D为占空比（开关处于为L充电之位置的时间百分比），D’ = 1-D。

当切换至位置1时，电感器将储存能量；当切换至位置2时，电感器将释放能量。电感器上的平均电压为零：D(Vin-Vo)-D’Vo=0 => Vout =D*Vin。

2，分类：

基本拓扑

三种基本的直流开关变换器拓扑：降压、升压和升降压。

同步与非同步。

同步整流技术，是采用通态电阻极低的专用功率MOSFET，来取代整流二极管以降低整流损耗的一项新技术。它能大大提高DC／DC变换器的效率。功率MOSFET属于电压控制型器件，它在导通时的伏安特性呈线性关系。用功率MOSFET做整流器时，要求栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步才能完成整流功能，故称之为同步整流。

当输出电压降低时，二极管的正向电压的影响很重要，它将降低转换器的效率。物理特性的极限使二极管的正向电压降难以降低到0.3V以下。相反，可以通过加大硅片的尺寸或并行连接分离器件来降低MOSFET的导通电阻RDS(ON)。因此，在给定的电流下，使用一个MOSFET 来替代二极管可以获得比二极管小很多的电压降。

在同步降压转换器中，通过用两个低端的MOSFET来替换肖特基二极管可以提高效率。这两个MOSFET必须以互补的模式驱动，在它们的导通间隙之间有一个很小的死区时间（dead time），以避免同时导通。同步FET工作在第三象限，因为电流从源极流到漏极。

非同步降压的优缺点：

在输出电流变化的情况下，二极管压降相对较恒定（Vf vs If）；

效率偏低；

成本较低；

比较适宜较高的输出电压；

同步降压的优缺点：

MOSFET 具有较低的压降；

更高效；

需要额外的控制电路确保死区和下管驱动信号；

成本较高；

隔离式与非隔离式。

隔离式变换器在输入和输出之间没有电流回路，原副边不同地。

变压器通过磁场将能量从初级耦合至次级。

隔离式变换器通常在需要提供初级至次级不同地，高可靠性、防雷、耐高压等，如隔离的医疗电源。

并非标准负载点电源（POL）解决方案所常用。

控制器与稳压器。

控制器特点：

– 分立式MOSFET；

– 负责提供控制功率级所需的“智能”；

– 设计更加精细复杂；

– 可全面控制FET 选择、开关频率、过流、补偿、软起动；

– 可通过优化设计调整使电源满足您的特殊需求；

• 全集成型稳压器特点：

– 集成型开关；

– “即插即用型”设计；

– 输出滤波器组件的选择范围受限；

– 对于功能性的控制受限；

• 部分集成型稳压器特点：

– 可提供全部或部分特性集，内部或外部补偿；

– 内部功率FET、外部同步FET 或箝位二极管；