DCDC转换器.doc

DC/DC转换器这类交换式转换器至少会使用一个电感器作为电能储存元件，此外需要输出电容器。在所有的直流转换方法中，这种技术提供最高的电源转换效率。相较于线性稳压器和电荷泵浦，交换式转换器能在更宽广的负载范围内提供高效率，高的电源转换效率可将散热问题减至最少，热管理更简单。能量损失较少，也可进而延长产品的工作时间。除了这个主要的优点，还能支援反相、降压、升压或是降升压等电路拓朴。直流电源转换器通常利用脉冲宽度调变（PWM）机制来控制导通元件，此技术会改变工作週期（Duty Cycle），也就是电晶体导通时间和截止时间的比值，再配合电感的电力储存能力，让输出电压在有限的输入电压和负载电流范围内保持固定；FET导通阻抗和电感的直流阻抗越小，功耗就越少，转换效率也越高。然而负载电流越小，PWM控制电路的效率就越低，因此有些电源转换器可将工作模式切换成脉冲频率调变（PFM），以便在整个负载范围内都保持很高的转换效率。不过在一些高电磁干扰的应用，必须将开关频率固定让干扰减至最少，就不适用脉冲频率调变的方式。使用电感的交换式转换器（converter）IC除了包含控制电路外，至少还会内建一个开关电晶体；而只包含控制电路的直流电源转换器通常被称为交换式控制器（controller），它们提供设计人员相当大的弹性，让工程师能选择外接式开关电晶体，针对应用需求调整限流值，但必须额外增加外部零件的成本。这两种元件的输出电流范围都大于电荷泵浦。下文将介绍升压与降压两种基本的直流转换器。降压式转换器（Buck Converter）的动作原理如下： (图五)降压式转换器电路架构(1)当电晶体Q导通时，二极管D1的阴极电压约等于输入电压Vin， 二极管逆偏形成断路，输入电压经Q对电感充电并供应电压至电容Cout及负载，此时电感电压VLVinVout。(2)当Q截止时，电感的电压极性反转，使二极管顺偏导通，电容Cout及电感均对负载放电，此时电感的电压为VL（VD1+Vout）。由电感电压的伏特秒平衡（Volt-second balance）关系可推得输入输出的电压关系：(公式二)其中T为电晶体的切换周期，D为电晶体的工作週期，由于0D1，此电路的输出电压Vout必会较输入电压Vin来得小，故转换器可达到降压的功能。(图六)输出电压为10V的降压式转换器转换效率曲线升压式转换器（Boost Converter）的动作原理如下：(图七)升压式转换器电路架构(1)电容Cout已被充电的情况下，当Q导通，二极管D1会被逆偏压造成断路，输入电压Vin对电感充电，此时电感电压VLVin，电容对负载放电。(2)而当Q在截止状态时，电感极性反转使二极管顺偏压导通，并对电容Cout及负载做放电。此时电感的电压为VL（VoutVD1Vin）。同样由电感的伏特秒平衡关系可得：(公式三)由于0D1，此电路的输出电压Vout必会较输入电压Vin来得大，故为升压式转换器。降压式、升压式转换器具有以下几点特性：(1)价钱较高；(2)效率最高，温度问题容易解决；(3)高EMI与输出涟波；(4)适合操作于输出入电压差较大的情况；(5)适用于高输出电流的应用。(图八)输出电压为10V的升压式转换器转换效率曲线SEPIC转换器单端初级电感转换器（Single-end Primary Inductor Converter；SEPIC）转换电路的主要架构是由PWM控制器与一个变压器或两个独立电感组合而成，可产生定电压的稳定输出，普遍被应用在以电池为主的可携式电子产品上。电池提供的电压高于目标电压时，转换电路进行降压；当输入电压下降至低于目标电压，系统可调整工作周期，使转换电路进行升压动作。(图九)单端初级电感转换器电路架构SEPIC电路的基本原理如下：假设在SEPIC电路中的电感L1及L2在Q导通或截止时，均能维持伏特秒平衡的状态，则两电感的平均电压都为0。经由Vin、L1、C1和L2的迴路可知，电容C1的电压Vc1Vin。(1)当电晶体Q导通时，使电感L1与电容C1的一端接地，二极管D1受到逆偏压而形成断路，输入电压Vin对电感L1充电；C1电容上储存的电压则对L2充电，稳态时电容C1上的电压等于输入电压Vin，使L1、L2电压均为Vin。(2)当电晶体Q截止时，两电感的极性反向并将所储存的能量经由二极管D1释放至电容C1、Cout及负载。同样由于Vc1Vin的关系，使L1和L2的电压同为（VD1+Vout）。由电感的伏特秒平衡关系可得：(公式四)由上式可知，可藉由调整D来达到升压或降压的目的，若D0.5时Vout/Vin1，为升压作用，反之D0.5时