DC/DC 电源全揭秘：原理、调制、芯片及硬件设计要点

在电子设备的电源系统中，DC/DC 电源扮演着至关重要的角色。它能够将一种直流电压转换为另一种所需的直流电压，以满足不同电子元件的供电需求。本文将深入探讨 DC/DC 电源的工作原理、调制方式、芯片内部构造以及电路硬件设计参数的选择标准。

DC/DC 电源的定义

DC/DC 电源指的是将直流转换为直流的电源。从广义上讲，LDO（低压差线性稳压器）芯片也属于 DC/DC 电源的范畴，但通常我们所说的 DC/DC 电源，是指通过开关方式实现直流电压变换的电源。

工作原理

要理解 DC/DC 的工作原理，我们需要先了解电感电压伏秒平衡定律和开关电源的三种基本拓扑。

1. 电感电压伏秒平衡定律
   在开关电源的稳态工作状态下，功率变换器中的电感满足电感电压伏秒平衡定律。即对于已工作在稳态的 DC/DC 功率变换器，有源开关导通时加在滤波电感上的正向伏秒一定等于有源开关截止时加在该电感上的反向伏秒。

电感的基本方程为：，即电感两端的电压等于电感感值乘以通过电感的电流随时间的变化率。由此可得。对于稳态的功率变换器，在一个周期内电感中的能量充放应相等，反映在图中，即一个周期内其面积之和为 0，从而得出电感电压伏秒平衡定律。

此外，我们还需要了解一些关于电感和电容的特性：当一个电感突然加上一个电压时，其中的电流逐渐增加，并且电感量越大，其电流增加越慢；当一个电感上的电流突然中断，会在电感两端产生一个瞬间高压，并且电感量越大该电压越高；电容的基本方程为，当一电流流经电容时，电容两端电压逐渐增加，并且电容量越大电压增加越慢。

2. 开关电源三种基本拓扑
   • BUCK 降压型
     BUCK 降压型基本拓扑原理如图 1 所示，其电感的特性图如图 2。当 PWM 驱动 MOS 管导通时，忽略 MOS 管的导通压降，此时电感两端电压保持不变为，电感电流将呈线性上升，此时电感正向伏秒为。当 PWM 驱动 MOS 管截至时，电感电流经过续流二极管形成回路（忽略二极管压降）且电感电流不发生突变，同样电感两端电压也保持不变为，方向与相反，电感电流呈线性下降，此时电感反向伏秒为，为 PWM 波形周期。根据电感电压伏秒平衡定律可得：，即（为占空比）。

• BOOST 升压型
  BOOST 升压型基本拓扑的简化原理图如图 3 所示，其分析方法和 BUCK 电路分析类似。当 PWM 驱动 MOS 管导通时，此时电感的正向伏秒为；当 PWM 驱动 MOS 管截至时，此时电感的反向伏秒为。根据电感电压伏秒平衡定律可得：，即。

• BUCK - BOOST 极性反转升降压型
  BUCK - BOOST 电路分析方法和上面两种类型的基本拓扑分析方法相同，当 MOS 管导通时，电感的正向伏秒为；当 MOS 管截止时，电感的反向伏秒为。根据电感电压伏秒平衡定律可得：，即。

此外，DC/DC 电源芯片主要是通过反馈电压与内部基准电压的比较，从而调节 MOS 管的驱动波形的占空比，来保证输出电压的稳定。为了解决续流二极管功耗问题，提高 DC/DC 电源芯片效率，还采用了同步整流技术，即以导通电阻极小的 MOS 管取代续流二极管，然后通过控制器同时控制开关管和同步整流管，要保证两个 MOS 管不能同时导通，否则将会发生短路。

DC/DC 电源调制方式

DC/DC 电源属于斩波类型，其调制方式有三种：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。优点是噪声低、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；缺点是轻负载时效率较低，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。优点是功耗较低，轻负载时，效率高且无需提供假负载；缺点是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。

DC/DC 芯片的内部构造

DC/DC 电源芯片内部包含多个重要的单元模块，其内部构图如图 6 所示。

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。
5. 

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，过小会导致静态电流过大，从而导致加大损耗；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 datasheet 中有推荐值范围参考。选定，根据输出电压计算的值，。
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考虑输出电流、纹波、体积等多个因素。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。