DC-DC轉換器設計

1 開關型穩(wěn)壓器

開關型穩(wěn)壓器通常利用電感、變壓器或電容器作為儲能元件來將輸入能量傳遞給輸出負載。其反饋電路用于調節(jié)能量的傳輸，保證在限定的負載電流范圍內(nèi)保持恒定的輸出電壓。轉換器的基本電路結構包括升壓型、降壓型和反相型等，圖1所示是DC-DC變換器的幾種典型結構，當利用變壓器作儲能元件時，可以實現(xiàn)輸出與輸入之間的隔離。

在電源供電系統(tǒng)中選擇開關型DC-DC轉換器可以獲得較高的效率和較低的熱耗，從而可有效延長電源的使用壽命。同時通過在輸出級添加適當?shù)臑V波電路，還能夠將輸出電壓紋波降低至較小的范圍。

2 開關型穩(wěn)壓器控制技術

開關型穩(wěn)壓器的控制結構如圖2所示，常見的DC-DC轉換控制技術有脈沖頻率調制（PFM）、限流型PFM、脈沖寬度調制（PWM）等。PFM調制電路的開關信號占空比通常保持為50%，通過控制開關頻率可提供穩(wěn)定的輸出電壓。該電路結構比較簡單，但電感的選擇比較困難，因此輸出電壓有較大的紋波，而且，輸出噪聲/紋波的頻譜在不同負載時有較大的變化范圍。限流型PFM結構與PFM類似，但在電路中引入了電感峰值電流限制電路和一個單穩(wěn)態(tài)電路，這樣，一旦輸出電壓跌落到所允許的門限值時，控制電感充電的開關將導通以為電感提供充電，直到電感電流達到所設置的電流門限為止。通常需要在電感的電流通路內(nèi)連接一個電流檢測電阻。當電感電流達到預置值門限后，開關斷開并保持一段固定的時間（一般為μs級），以便其內(nèi)部單穩(wěn)態(tài)電路進行控制。在單穩(wěn)態(tài)保持時間結束時，系統(tǒng)便將VOUT與一個固定的基準電壓進行比較，從而確定是否接通開關。由于電感的峰值電流是固定的，因而電感的選擇比較容量，只要保證電感的磁芯滿足峰值電流的要求即可。另外，固定的峰值電流，也使得輸出電壓的紋波比標準PFM結構低得多。當然，輸出噪聲的頻譜仍然隨負載而改變。

PWM控制技術能保持固定的開關頻率，并可通過改變電感的充電、放電時間來保持穩(wěn)定的負載電壓。這種控制技術能夠在較寬的負載范圍內(nèi)保持較高的轉換效率。此外，由于開關頻率是固定的，因而使得噪聲頻譜的帶寬很窄。這樣，只需簡單的低通濾波器應能大大降低輸出電壓的紋波，因此，這種控制結構可被廣泛應用于電信設備等對噪聲干擾較為敏感的應用系統(tǒng)。

3 控制電路

圖3為典型的PWM控制電路，圖中的VOUT經(jīng)過分壓后送入比較器的反相輸入端，比較器的同相輸入為基準電壓VREF。當分壓后的VOUT低于VREF時，比較器輸出信號以控制多諧振蕩器工作，方波信號切換到開關控制端，控制開關迅速導通或斷開而使能量反復地存儲到電感中、進而傳遞給輸出電容。圖4為限流型PFM控制結構，該電路要比較3復雜一些，圖4有兩個比較器：一個用于監(jiān)測輸出反饋電壓，另一個用于監(jiān)測電感的峰值電流。當輸出電壓超出穩(wěn)壓范圍時，SR觸發(fā)器控制N溝道MOSFET導通，直到電感電流達到所要求的上限值。MOSFET斷開后，單穩(wěn)態(tài)定時器被觸發(fā)，開關在規(guī)定的時間內(nèi)保持開路狀態(tài)。

PWM控制器有兩種不同的結構。其中電壓模式PWM控制器如圖5（a）所示，電流模式PWM控制器如圖5(b)所示。電壓模式PWM控制器將反饋電壓與基準電壓之間的誤差加以放大，然后將放大后的誤差信號作為比較器的門限與控制器內(nèi)部的斜波電壓發(fā)生器的電壓輸出進行比較，最后用比較器輸出來驅動主開關。電壓模式PWM控制器的誤差電壓越大、比較器門限值就越高，開關保持導通的時間也越大，電感的峰值電流也就越大，從而保證電感可存儲足夠的能量以維持負載電壓的穩(wěn)定。電流模式PWM控制器中加入了電流檢測功能，電感電流與誤差電壓產(chǎn)生的門限值相比較，開關在每個時鐘的上升沿導通，當電感電流達到峰值門限時開關斷開。這種控制結構比電壓模式PWM控制器更能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

開關穩(wěn)壓器中功率消耗最大的元件是二極管，其功率消耗為二極管導通壓降與電流的乘積。由于該功耗將會降低系統(tǒng)的總體效率。因此，為減小這一損耗，絕大多數(shù)DC-DC轉換器中選用肖特基二極管。因為它具有極小的導通壓降，而且開關速率很高。因此可最大限度地提高效率。也可用一個開關替代二極管（即所謂的“同步整流結構”），以使其在主開關閉合時同步整流開關斷開，主開關斷開時同步整流開關閉合。但是，為了避免兩個開關同時導通造成系統(tǒng)損壞，該開關需要置成“導通前先斷開”的結構。因此，在斷開主開關與閉合同步整流開關之間，二極管將流過一個起始電流。

PWM控制器的另外一種結構是如圖6所示的Idle-ModeTM PWM控制器，這種控制器在輕載時的工作過程如同PFM，重載時則與PWM控制器相同，由于它結合了輕載下PFM控制器的高效率和重載下PWM控制器的高效低噪等優(yōu)點，因而能夠在較寬的負載范圍內(nèi)獲得最高的轉換效率。