开关电源芯片可分为AC/DC电源芯片和DC/DC电源芯片两大类,DC/DC变换器现已实现模块化,且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化,并已得到用户的认可,但AC/DC的模块化,因其自身的特性使得在模块化的进程中,遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。
图1
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二、DC/DC电源调制方式
DC/DC电源属于斩波类型,即按照一定的调制方式,不断地导通和关断高速开关,通过控制开关通断的占空比,可以实现直流电源电平的转换。DC/DC电源的调制方式有三种:PWM方式、PFM方式、PWM与PFM的混合方式。
1.PWM(脉冲宽度调制)
PWM采用恒定的开关频率,通过调节脉冲宽度(占空比)的方法来实现稳定电源电压的输出。在PWM调制方式下,开关频率恒定,即不存在长时间被关断的情况。
优点:噪声低、效率高,对负载的变化响应速度快,且支持连续供电的工作模式。
缺点:轻负载时效率较低,且电路工作不稳定,在设计上需要提供假负载。
2.PFM(脉冲频率调制)
PFM通过调节开关频率以实现稳定的电源电压的输出。PFM工作时,在输出电压超过上阈值电压后,其输出将关断,直到输出电压跌落到低于下阈值电压时,才重新开始工作。
优点:功耗较低,轻负载时,效率高且无需提供假负载。
缺点:对负载变化响应较慢,输出电压的噪声和纹波相对较大,不适合工作于连续供电方式。
三、DC/DC芯片的内部构造
接下来我们来看看DC/DC电源芯片内部的单元模块,并且给大家看看基本拓扑与电源芯片的联系,先来看一个图。
图5
1.误差放大器
误差放大器的作用就是将反馈电压(FB引脚电压)与基准电压的差值进行放大,然后再用该信号去控制PWM输出信号的占空比。
2.温度保护:当温度高于限定值,芯片停止工作。
3.限流保护:如果电流比较器的电阻上的电流过大,输出就会降低,直到超过下限阈值,电源芯片就会出现打嗝现象。这个模式可以在输出发生短路的情况下很好地保护芯片,保护稳压管,一旦过流现象消除,打嗝也会消除。
4.软启动电路:用于电源启动时,减小浪涌电流,使输出电压缓慢上升,减小对输入电源的影响。
四、DC/DC电路的硬件设计参数选择标准
1.设置输出电压:先选择合适的R2,R2过小会导致静态电流过大,从而导致加大损耗;R2太大会导致静态电流过小,而导致FB引脚的反馈电压对噪声敏感,一般在数据手册中有推荐值范围参考。选定R2,根据输出电压计算R1的值,R1=((Vout-Vref)/Vref)*R2。
2.电感:电感的选择要满足直到输出规定电流时,电感电流也保持连续。在电感选取过程中需要综合输出电流、纹波、体积等多个因素进行考虑。较大的电感将导致较小的纹波电流,从而导致较低的纹波电压,但是电感越大,将具有更大的物理占用面积,更高的串联电阻和更低的饱和电流。一般在芯片的datasheet中会有相应的计算公式。
3.输出电容:输出电容的选择主要是根据设计中所需要的输出纹波的要求来进行选取。电容产生的纹波:相对很小,可以忽略不计;电容等效电感产生的纹波:在300KHz~500KHz以下,可以忽略不计;电容等效电阻产生的纹波:与ESR和流过电容电流成正比,该电流纹波主要是和开关管的开关频率有关,基本为开关频率的n次谐波,为了减少纹波,让ESR尽量小。
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