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干货 | 教你如何选择最佳的开关式DC-DC转换器

电子工程世界 2021-01-19

利用电容、电感的储能的特性，通过可控开关(MOSFET等)进行高频开关的动作，将输入的电能储存在电容(感)里，当开关断开时，电能再释放给负载，提供能量就是开关电源。

其输出的功率或电压的能力与占空比(由开关导通时间与整个开关的周期的比值)有关。开关电源可以用于升压和降压。

DC-DC转换器是利用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。如下图所示：

三种典型的DC-DC变换器框图

所示三种变换器的工作原理都是先储存能量，然后以受控方式释放能量，从而得到所需要的输出电压。对某一工作来讲，最佳的开关式DC-DC变换器是可以用最小的安装成本满足系统总体需要的。

这可以通过一组描述开关式DC-DC变换器性能的参数来衡量，它们包括：高效率、小的安装尺寸、小的静态电流、较小的工作电压、低噪声、高功能集成度、足够的输出电压调节能力、低安装成本。

工作效率

①电感式DC-DC变换器：电池供电的电感式DC-DC变换器的转换效率为80%~85%，其损耗主要来自外部二极管和调制器开关。

②无电压调节的电荷泵：为基本电荷泵(如TC7660H)。它具有很高的功率转换效率(一般超过90%)，这是因为电荷泵的损耗主要来自电容器的ESR和内部开关管的导通电阻(RDS-ON)，而这两者都可以做得很低。

③带电压调节的电荷泵：它是在基本电荷泵的输出之后增加了低压差的线性调节器。虽然提供了电压调节，但其效率却由于后端调节器的功耗而下降。为达到最高的效率，电荷泵的输出电压应当与后端调节器调节后的电压尽可能接近。

最佳选择是：无电压调节式电荷泵(在不需要严格的输出调节的应用中)，或带电压调节式电荷泵(如果后端调节器两端的压差足够小)。

静态电流

①电感式DC-DC变换器：频率调制(PFM)电感式DC-DC变换器是静态电流最小的开关式DC-DC变换器，通过频率调制进行电压调节可在小负载电流下使供电电流最小。

②无电压调节的电荷泵：电荷泵的静态电流与工作频率成比例。多数新型电荷泵工作在150kHz以上的频率，从而可使用1μF甚至更小的电容。为克服因此带来的静态电流大的问题，一些电荷泵具有关闭输入引脚，以在长时间闲置的情况下关闭电荷泵，从而将供电电流降至接近零。

③带电压调节的电荷泵：后端电压调节器增加了静态电流，因此带电压调节的电荷泵在静态电流方面比基本电荷泵要差。

最佳选择是：电感式DC-DC变换器，特别是频率调制(PFM)开关式。

最小工作电压

①电感式DC-DC变换器：电池供电专用电感式DC-DC变换器(如TC16)可在低至1V甚至更低的电压下启动工作，因此非常适合用于单节电池供电的电子设备。

②无电压调节的电荷泵/带电压调节的电荷泵：多数电荷泵的最小工作电压为1.5V或更高，因此适合于至少有两节电池的应用。

最佳选择是：电感式DC-DC变换器。

产生的噪声

①电感式DC-DC变换器：电感式DC-DC变换器是电源噪声和开关辐射噪声(EMI)的来源。宽带PFM电感式DC-DC变换器会在宽频带内产生噪声。可采取提高电感式DC-DC变换器的工作频率，使其产生的噪声落在系统的频带之外。

②无电压调节的电荷泵/带电压调节的电荷泵：电荷泵不使用电感，因此其EMI影响可以忽略。泵输入噪声可以通过一个小电容消除。

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