一、電源電路原理

1.1 基本原理

DC/DC轉換電路主要分為以下三大類：①穩壓管穩壓電路。②線性 (模擬)穩壓電路。③開關型穩壓電路

1.1.1 DCDC原理(降壓型)

1)DC/DC電源屬于斬波類型，即按照一定的調制方式，不斷地導通和關斷高速開關，通過控制開關通斷的占空比，可以實現直流電源電平的轉換。DC/DC電源的調制方式有三種：PWM方式、PFM方式、PWM 與PFM的混合方式。

2)降壓電路是BUCK電路，開關S閉合的時候，VD二極管承受負壓關斷，電感充電，電流正向流動，電流值呈現指數上升趨勢。開關S斷開的時候，VD二極管起續流作用，電感開始放電，電流逐漸下降，通過負載和二極管回到電感另外一端，短暫供電。這樣電壓就能降低。實際使用的時候，S開關是通過MOSFE或者IGBT實現的，輸出電壓等于輸入電壓乘以PWM波的占空比。

3) DCM與CCM區別：

反激變換器有兩個工作階段，即tON和tOFF，這兩個階段分別根據MOSFET的開關狀態來命名并控制。

在tON,期間，MOSFET導通，電流從輸入端流過原邊電感器，對耦合電感器進行線性充電，并在其周圍 產生磁場(見圖2a)。在副邊，整流二極管反向偏置，從而使變壓器與輸出端斷開連接(見圖2b)。

在tOFF,期間，MOSFET斷開，耦合電感器開始通過二極管消磁(二極管現在已直接極化)。然后，電感 電流會為輸出電容器充電并為負載供電。反激變換器有兩種工作模式，采用何種方式取決于每個周期中電 感電流的最小值。如果在電感完全放電之前MOSFET從tOFF切換到tON，則電感中的電流永遠不會為零， 這種操作方式稱為連續導通模式(CCM)。如果tOFF持續足夠長的時間使原邊電感器能夠完全放電，則 電感電流將在一段時間內為零，此時二極管和MOSFET都處于截止狀態，我們稱為斷續導通模式(DCM)。

反激變換器的這兩種工作模式看起來非常相似，但實際上各有優缺點。設計人員在設計過程中全面考慮這 些優缺點非常重要，因為其所選的工作模式會對電源變換器的效率、變壓器、調整率、EMI和成本都產生 重大影響。圖3和圖4顯示了CCM和DCM之間的區別。

EMI：一方面由于DCM模式會對電感器完全充電和放電，因此邏輯上其原邊電流紋波要比CCM模式下大 很多。電流紋波將產生一個可變信號，由于原邊電流回路中不同組件類似天線的行為，該信號隨后被傳播， 并產生顯著的電磁干擾(EMI); 另一方面，DCM反激變換器還實現了零電流開關(ZCS)，這減少了整 流二極管的反向恢復，從而提高了能源效率。但這種軟開關會影響效率并對EMI產生重大影響，因為它必 須使用快速恢復二極管來減少能量損耗，但這會在副邊產生非常尖銳的電壓尖峰，引起振鈴，并可能導致 高頻差模噪聲。為解決這個問題，必須采用緩沖電路來減少這些尖峰并確保符合電磁兼容性(EMC)標準 和法規。

下圖為DCM和CCM對比:

1.1.2 LDO原理

1)LDO即low dropout regulator，是一種低壓差線性穩壓器。LDO低壓差線性穩壓器的結構主要包括啟動電 路、恒流源偏置單元、使能電路、調整元件、基準源、誤差放大器、反饋電阻網絡和保護電路等。

2)基本工作原理是：系統加電，如果使能腳處于高電平時，電路開始啟動，恒流源電路給整個電路提供偏置， 基準源電壓快速建立，輸出隨著輸入不斷上升，當輸出即將達到規定值時，由反饋網絡得到的輸出反饋電 壓也接近于基準電壓值，此時誤差放大器將輸出反饋電壓和基準電壓之間的誤差小信號進行放大，再經調 整管放大到輸出，從而形成負反饋，保證了輸出電壓穩定在規定值上，同理如果輸入電壓變化或輸出電流 變化，這個閉環回路將使輸出電壓保持不變。

二、關鍵參數與風險點

2.1 明確輸入輸出電壓選擇

1)降壓，則可以選擇線性穩壓器(LDO電源)、電容式DC-DC(電荷泵)或降壓DC-DC(電感式);

2)升壓，則只能選擇電容式DC/DC。

3)查看輸出電壓負載調整率、負載瞬態響應。

4)輸出電壓精度要求。

5)過流、超壓、短路、溫度保護功能。

2.2 效率選擇

1)若壓差很小(遠小于1V)，則可以考慮選擇LDO;

2)若壓差在1V以上，則可以考慮LDO或者降壓DC/DC;

3)如果對效率沒有要求，兩種電源均可選擇(LDO成本更低)。

4)為保證供電系統電源負荷變化較大應用的效率，DCDC最好選擇DCM/CCM自動切換控制式DC/DC電源; CCM的特點：噪聲低、滿負載時效率高且能工作在連續導電模式;DCM的特點：具有靜態功耗小，在低 負荷時可改進穩壓器的效率。當系統在重負荷時有CCM控制，在低負荷時自動切換到DCM控制。采用 DCM/CCM的DC/DC電源能夠獲得較高效率。

2.3 電源芯片余量保證

1)如果使用能輸出大電流的穩壓器來帶動小電流的負載，會帶來成本的提高和使DC/DC電源效率的降低。

2)較合適的工作電流為電源芯片最大輸出電流的70%~90%。

3)當在使用LDO時，輸出電流要盡量留出較多的余量，因為LDO的壓降都消耗在穩壓芯片上，過大的負 載電流會造成較為嚴重的發熱。

2.4 靜態電流

1)靜態電流是與負載電流大小幾乎無關的消耗，越小越好;

2)效率是能夠轉為有效利用能量多少的量度同樣容量大小的電池，電源的效率越高，靜態電流越小，電源使用壽命越長。

2.5 合理選擇LDO/DCDC芯片

1)若優先考慮轉換效率，則可以選擇DC/DC電源;

2)若考慮成本因素，并且要求較小的紋波和噪聲，則可以選擇LDO電源。

3)輸出電流大時，應采用降壓式DC/DC(電感式)。

4)需要負電源時，盡量采用DC/DC轉換器，若要求噪聲小或輸出穩定的負電源，可采用帶LDO的DC/DC 電源芯片。

5)在使用電池供電時，若要求較長的電池使用時間，需要優先考慮效率，無論是升壓、降壓、升/降壓都可 以選用DC-DC轉換器。為獲得較高的效率，此時需要參照DC-DC轉換器芯片手冊里邊的效率隨負載電流變化曲線，要根據負載電流選擇合適的DC-DC轉換器，確保穩壓器達到較高的效率。

2.6 芯片區別選擇

1)國家以及廠商制造水平選擇。

2)成本決定質量，考慮產品的價格選擇合適的芯片定位價格(主要是制造商、工藝問題)

2.7 數值選擇

1)電感：電感的選擇要滿足直到輸出最小規定電流時，電感電流也保持連續。在電感選取過程中需要綜合考慮輸出電流、紋波、體積等多個因素。較大的電感將導致較小的紋波電流，從而導致較低的紋波電壓，但是電感越大，將具有更大的物理占用面積，更高的串聯電阻和更低的飽和電流。一般在芯片的datasheet 中會有相應的計算公式。

2)電容： 輸出電容的選擇主要是根據設計中所需要的輸出紋波的要求來進行選取。電容產生的紋波:相對很小，可以忽略不計;電容等效電感產生的紋波:在300KHz~500KHz以下，可以忽略不計;電容等效電阻產 生的紋波：與ESR和流過電容電流成正比，該電流紋波主要是和開關管的開關頻率有關，基本為開關頻率的N次諧波，為了減少紋波，讓ESR盡量小。

審核編輯：湯梓紅