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Power  IC

2019-09-18 10:32

DC/DC转换器
DC/DC,表示的是高压(低压)直流电源变换为低压(高压)直流电源。例如车载直流电源上接的DC/DC变换器是把高压的直流电变换为低压的直流电。
什么是DC(Direct Current)呢?它表示的是直流电源,诸如干电池或车载电池之类。家庭用的220V电源是交流电源(AC)。若通过一个转换器能将一个直流电压 (3.0V)转换成其他的直流电压(1.5V或5.0V),我们称这个转换器为DC/DC转换器,或称之为开关电源或开关调整器。
DCDC的意思是直流变(到)直流(不同直流电源值的转换),只要符合这个定义都可以叫DCDC转换器.
具体是指通过自激振荡电路把输入的直流电转变为交流电,再通过变压器改变电压之后再转换为直流电输出,或者通过倍压整流电路将交流电转换为高压直流电输出。
跳脉冲模式
对于恒定频率的常规的非同步Buck控制器,通常电感的电流工作于CCM连续电流模式,电感的平均电流即为输出的负载电流。当负载电流降低时,电感的平均电流也将降低;当负载电流降低时一定值,变换器进入临界电流模式。此时,若负载电流进一步的降低,电感的电流回到0后,开关周期还没有结束,由于二极管的反向阻断作用,电感的电流在0值处保持一段时间,然后开关周期结束,进入下一个开在周期,此时变换器为完全的非连续电流模式。
变换器进入非连续电流模式后,若负载电流仍然进一步的降低,为了维持输出电压的调节,高端的开关管的开通时间将减小,直到达到控制器的最小导通时间。高端的开关管的开通时间达到控制器的最小导通时间后,若负载电流仍然的降低,控制器就必须屏蔽掉即跳掉一些开关脉冲,以维持输出电压的调节。这种控制方法即为跳脉冲模式。
同步的Buck变换器检测下管的电流,当下管的电流接近于0时,系统就工作在非同步的方式,也就是下管不工作,依靠下管内部寄生的反并联二极管,提供续流回路。
跳脉冲模式可以在最宽的输入电流范围内提供恒定频率的不连续电流操作,防止反向电感器的电流。由于控制器允许调节器跳掉一些不需要的脉冲,相比于连续模式操作,提高轻载的效率,但其轻载的工作效率不如突发模式操作,其轻载的输出纹波不如连续模式操作。跳脉冲模式的确提供了一种工作效率和噪声的折衷方案。
突发工作模式
Buck突发模式的原理图见图2所示。VFB为输出电压反馈脚,VEA为电压误差放大器,VREF为参考电压,突发工作模式比较器上限电压和下限电压为VH和VL,通过检测ITH管脚电压VC来检测输出负载的变化。
正常工作时,系统不会进入突发工作模式,突发工作模式比较器不工作,当输出负载降低时,输出电压将提高,VFB相应的也提高,由于VEA为负反馈,因此VC随之降低。当输出负载降低到一定的值时,系统进入到轻载模式后,突发工作模式比较器开始工作,接管对ITH管脚电压VC的控制,突发工作模式比较器的输出信号使控制电路将高端MOSFET的输出驱动关断,高端MOSFET停止开关操作,此时输入不再向输出端传输能量,输出的大电容将维持低的输出负载,因此输出电压慢慢的降低,VFB相应的也降低,VC随之提高。
输出电压继续的降低,VFB的电压相应的也继续的降低,VC随之继续提高。经过一段长的时间后,VC电压将增加到等于VH,突发工作模式比较器输出信号翻转,控制电路使能高端MOSFET的驱动输出信号,高端MOSFET进入开关操作,系统进入正常的PWM操作,由于输入的能量大于输出负载所消耗的能量,因此输出电压将随之提高。
当输出电压提高到一定值时,VC电压降低,VC电压降低到VL时L,突发工作模式比较器输出又一次的翻转,重新关断高端MOSFET的驱动信号,系统再一次停止工作。如此反复,这种工作模式即为突发工作模式。
突发模式比较器控制高端开关管工作,高端开关管工作的时间很短,停止工作的时间很长,极大的降低了开关损耗,在此期间,芯片内部的许多功能停止工作,减小内部静态电流的消耗,因此提高系统的效率。
另一方面由于高端开关管停止工作的时间很长,输出电容将维持输出的负载的能量,输出电容的电压降低幅度较大,因此输出电容的纹波电压大,即输出的纹波电压大。突发工作模式比较器的上下门限电压决定了输出电压纹波值。
这种模式和滞回电压模式有点类似,但不同的是,这种模式通过内部的检测确定输出负载的变化,从而决定系统是否进入轻载的突发模式。在突发模式中,比较器输出信号翻转系统进入正常工作时,系统为正常的定频PWM工作,高端MOSFET进入正常的PWM工作,此时系统工作在连续PWM模式或断续与连续PWM并存的模式,能量很快的向输出传送,只要工作几个周期后便停止工作。
强迫连续模式
强迫连续模式主要针对于同步Buck变换器,在正常工作时,强迫连续模式和跳脉冲模式一样都工作于CCM模式。当输出负载降低并降低到一定的值时,如前所述,跳脉冲模式将由CCM进入DCM模式,在电感的电流为0时续流二极管将自然关断并维持关断的状态直到进入下一个开在周期。
对于强迫连续模式,在电感的电流为0,由于同步开关管仍然导通,因此输出的电容电压将反向加在电感上从而对电感反向激磁,电感的电流将从0反向增加到一定值,然后同步管关断,主开关管导通,输入电压加在电感上,电感两端的电压为正电压,电感的电流将从一定负值正向增加,在过0后继续正向增加到一定值,这也是所谓的输出电流倒灌现象。
主开关管和同步开关管在每个开关周期都在工作,因此开关的功耗大,系统的效率极低。低输出负载条件下,在每个开关周期,高端的主开关导通时,从输入端向输出负载传输的能量大于实际负载所需要的能量,因此必须依靠同步开关管的导通,使输出电压对电感反向激磁,从而将多余部分的能量储存在电感中,以维持输出的调节。这部分的能量只是在电感中来回的交换,并没有消耗在实际的负载中。由于电感有磁损耗(磁芯中的功率损耗)和铜损耗(导线电阻的损耗)能量,因此也进一步的降低的效率。然而也正是因为主开关管和同步开关管在每个开关周期都在工作,即使在轻负载的条件下,在每个开关周期,输入和输出的能量能够得到平移,因此输出电压的纹波也最小。
这种效率最低的操作模式适合于一些特定的应用。在该模式中,输出可以供电流也可以吸收电流,因此可以应用于DDR存储器的供电。另外,在一些通讯系统中,即使是在轻负载的条件下仍然需要低的输出电压纹波,因此也必须使用此种工作模式,而效率并不是主要的考虑因素。输出纹波电压和频率在整个负载变化范围内恒定,容易滤除噪声,适合于通讯等要求干扰噪声低的应用。在强制连续模式操作中输出电流倒灌,然后处于开关管死区时间,电感的电流对输入电容充电,其电压提升,设计时要校核实际的输入电压最大值,使其小于相关元件的额定值。
AC/DC转换器
ACDC转换器就是将交流电转换为直流电的设备。
AC,即Alternating Current的英文缩写,意思为“交流”;DC,即Direct Current的英文缩写,意思为“直流”。  
ACDC转换就是通过整流电路,将交流电经过整流、滤波,从而转换为稳定的直流电。
LDO
LDO(low dropout regulator)是指低压差线性稳压器,是相对于传统的线性稳压器来说的。LDO是新一代的集成电路稳压器,它与三端稳压器最大的不同点在于,LDO是一个自耗很低的微型片上系统。LDO低压差线性稳压器的结构主要包括启动电路、恒流源偏置单元、使能电路、调整元件、基准源、误差放大器、反馈电阻网络和保护电路等。
LDO是一种微功耗的低压差线性稳压器,它通常具有极低的自有噪声和较高的电源抑制比PSRR(Power Supply Rejection Ratio)。   LDO是新一代的集成电路稳压器,它与三端稳压器最大的不同点在于,LDO是一个自耗很低的微型片上系统(SoC)。它可用于电流主通道控制,芯片上集成了具有极低线上导通电阻的MOSFET,肖特基二极管、取样电阻和分压电阻等硬件电路,并具有过流保护、过温保护、精密基准源、差分放大器、延迟器等功能。PG是新一代LDO,具各输出状态自检、延迟安全供电功能,也可称之为Power Good,即“电源好或电源稳定”。   
LDO低压差线性稳压器的结构主要包括启动电路、恒流源偏置单元、使能电路、调整元件、基准源、误差放大器、反馈电阻网络和保护电路等。基本工作原理是这样的:系统加电,如果使能脚处于高电平时,电路开始启动,恒流源电路给整个电路提供偏置,基准源电压快速建立,输出随着输入不断上升,当输出即将达到规定值时,由反馈网络得到的输出反馈电压也接近于基准电压值,此时误差放大器将输出反馈电压和基准电压之间的误差小信号进行放大,再经调整管放大到输出,从而形成负反馈,保证了输出电压稳定在规定值上,同理如果输入电压变化或输出电流变化,这个闭环回路将使输出电压保持不变,即:Vout=(R1+R2)/R2 ×Vref实际的低压差线性稳压器还具有如负载短路保护、过压关断、过热关断、反接保护等其它的功能。
LDO 是一种线性稳压器,使用在其线性区域内运行的晶体管或 FET,从应用的输入电压中减去超额的电压,产生经过调节的输出电压。所谓压降电压,是指稳压器将输出电压维持在其额定值上下 100mV 之内所需的输入电压与输出电压差额的最小值。正输出电压的LDO(低压降)稳压器通常使用功率晶体管(也称为传递设备)作为 PNP。这种晶体管允许饱和,所以稳压器可以有一个非常低的压降电压,通常为 200mV 左右;与之相比,使用 NPN 复合电源晶体管的传统线性稳压器的压降为 2V 左右。负输出 LDO 使用 NPN 作为它的传递设备,其运行模式与正输出 LDO 的 PNP设备类似。
更新的发展使用 MOS 功率晶体管,它能够提供最低的压降电压。使用 功率MOS,通过稳压器的唯一电压压降是电源设备负载电流的 ON 电阻造成的。如果负载较小,这种方式产生的压降只有几十毫伏。
DC-DC的意思是直流变(到)直流(不同直流电源值的转换),只要符合这个定义都可以叫DC-DC转换器,包括LDO。但是一般的说法是把直流变(到)直流由开关方式实现的器件叫DC-DC。
LDO是低压降的意思,这有一段说明:低压降(LDO)线性稳压器的成本低,噪音低,静态电流小,这些是它的突出优点。它需要的外接元件也很少,通常只需要一两个旁路电容。新的LDO线性稳压器可达到以下指标:输出噪声30μV,PSRR为60dB,静态电流6μA(TI的TPS78001达到Iq=0.5uA),电压降只有100mV(TI量产了号称0.1mV的LDO)。 LDO线性稳压器的性能之所以能够达到这个水平,主要原因在于其中的调整管是用P沟道MOSFET,而普通的线性稳压器是使用PNP晶体管。P沟道MOSFET是电压驱动的,不需要电流,所以大大降低了器件本身消耗的电流;另一方面,采用PNP晶体管的电路中,为了防止PNP晶体管进入饱和状态而降低输出能力, 输入和输出之间的电压降不可以太低;而P沟道MOSFET上的电压降大致等于输出电流与导通电阻的乘积。由于MOSFET的导通电阻很小,因而它上面的电压降非常低。
如果输入电压和输出电压很接近,最好是选用LDO稳压器,可达到很高的效率。所以,在把锂离子电池电压转换为3V输出电压的应用中大多选用LDO稳压器。虽说电池的能量最後有百分之十是没有使用,LDO稳压器仍然能够保证电池的工作时间较长,同时噪音较低。
如果输入电压和输出电压不是很接近,就要考虑用开关型的DCDC了,因为从上面的原理可以知道,LDO的输入电流基本上是等于输出电流的,如果压降太大,耗在LDO上能量太大,效率不高。
DC-DC转换器包括升压、降压、升/降压和反相等电路。DC-DC转换器的优点是效率高、可以输出大电流、静态电流小。随着集成度的提高,许多新型DC-DC转换器仅需要几只外接电感器和滤波电容器。但是,这类电源控制器的输出脉动和开关噪音较大、成本相对较高。
近几年来,随著半导体技术的发展,表面贴装的电感器、电容器、以及高集成度的电源控制芯片的成本不断降低,体积越来越小。由于出现了导通电阻很小的MOSFET可以输出很大功率,因而不需要外部的大功率FET。例如对于3V的输入电压,利用芯片上的NFET可以得到5V/2A的输出。其次,对于中小功率的应用,可以使用成本低小型封装。另外,如果开关频率提高到1MHz,还能够降低成本、可以使用尺寸较小的电感器和电容器。有些新器件还增加许多新功能,如软启动、限流、PFM或者PWM方式选择等。
总的来说,升压是一定要选DCDC的,降压,是选择DCDC还是LDO,要在成本,效如右图所示,该电路由串联调整管VT、取样电阻R1和R2、比较放大器A组成。
如下图所示,该电路由串联调整管VT、取样电阻R1和R2、比较放大器A组成。

取样电压加在放大器A的同相输入端,与加在反相输入端的基准电压Uref相比较,两者的差值经放大器A放大后,控制串联调整管的压降,从而稳定输出电压。当输出电压Uout降低时,基准电压与取样电压的差值增加,比较放大器输出的驱动电流增加,串联调整管压降减小,从而使输出电压升高。相反,若输出电压Uout超过所需要的设定值,比较放大器输出的前驱动电流减小,从而使输出电压降低。供电过程中,输出电压校正连续进行,调整时间只受比较放大器和输出晶体管回路反应速度的限制。
应当说明,实际的线性稳压器还应当具有许多其它的功能,比如负载短路保护、过压关断、过热关断、反接保护等,而且串联调整管也可以采用MOSFET。率,噪声和性能上比较。
四大要素
压差Dropout、噪音Noise、电源抑制比(PSRR)、静态电流Iq,这是LDO的四大关键数据。
产品设计师按产品负载对电性能的要求结合四大要素来选择LDO。
在手机上用的LDO要求尽可能小的噪音(纹波),在没有RF的便携式产品需求静态电流小的LDO。
工作条件
Vin >= Vdrop + Vout。
且一般需要两个外接电容:Cin、Cout,一般采用钽电容或MLCC。
注意:LDO是稳压器。
应用

LDO的应用非常简单,很多LDO仅需在输入端及输出端各接一颗电容即可稳定工作。在LDO的应用中需要考虑压差、静态电流、PSRR等重要参数。在以电池作为电源的系统中,应当选择压差尽量低的LDO,这样可以使电池更长时间为系统供电,比如NCP600,NCP629等等。
静态电流Iq是Iquiescent的缩写,指芯片自身所消耗的电流。在一些低功耗应用中,应当尽量选择Iq小的LDO。一些工程师在设计低功耗系统时,仅考虑MCU本身消耗的电流,而忽略电源芯片上所消耗的电流,使整个系统的待机功耗不能达标,曾经见过有的工程师在低功耗系统中选用78L05为MCU提供电源,查阅数据手册可以得知78L05静态电流为1mA,不适合低功耗应用,应该选择NCP583等等。
在射频、音频、ADC转换等应用系统中,PSRR(电源纹波抑制比)是一个很重要的参数,其体现了LDO的抗噪能力,PSRR值越高LDO输出纹波越低。下面列出了LDO的一些重要特性及应用方向。
不同电压输出级别的应用领域(见图三)
LDO特性及应用方向(见图四)

应用举例
降压稳压器的高开关频率允许使用纤巧多层外部元件,并最大限度地减少了电路板空间。当MODE引脚设置为高,降压稳压器工作在强制PWM模式。当MODE引脚置低,降压稳压器工作在PWM模式下,当负载是围绕面值。当负载电流低于预定的阈值时,稳压器工作在省电模式(PSM提高轻负载效率)。
生产厂家
TOREX,SII,ROHM,RICOH,Diodes,Prisemi,Ame,TI,NS,Maxim,LTC,Intersil,Fairchild,Micrel,Natlinear,MPS,AATI,ACE,ADI等。

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