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DC-DC降壓IC該如何選型？

文章來(lái)源：永阜康科技更新時(shí)間：2023/4/21 15:21:00

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一個(gè)電子系統的運行少不了高效、可靠電源系統的加持。將來(lái)自不同電源（如市電和電池）的能量轉換為電子電路中各種負載所需的電源軌，需要合理使用各種元器件構建起一個(gè)完整的電源架構，這也就是“電源管理”所要完成的工作。

眾所周知，根據電能轉換的需求，電源管理包括三個(gè)主要的場(chǎng)景：交流轉直流（AC-DC）、直流轉直流（DC-DC）以及直流轉交流（逆變），其中DC-DC的應用應該是尤為廣泛的。

DC-DC轉換器（或者叫穩壓器）一般由控制電路、開(kāi)關(guān)管（二極管或三極管）、電感線(xiàn)圈、電容等元器件構成，其根據反饋電路提供的信號，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)器件的“開(kāi)關(guān)”動(dòng)作將輸出電壓穩定在所需的電壓水平上，因此也被稱(chēng)為“DC-DC開(kāi)關(guān)電源”以區別于其他的穩壓電路。

采用不同的DC-DC開(kāi)關(guān)電源拓撲，可以實(shí)現降壓、升壓和升降壓三類(lèi)操作，其中尤以降壓DC-DC的應用場(chǎng)景更為豐富——凡是所需電壓低于系統中的可用電壓時(shí)，都會(huì )使用到降壓轉換器；在一些更復雜的配電架構中，還會(huì )采用多次DC-DC降壓轉換操作以達到提高效率、簡(jiǎn)化系統的目的。

今天，我們就來(lái)重點(diǎn)聊聊降壓DC-DC電源管理器件應該如何選。

不同的降壓DC-DC類(lèi)型

由于是進(jìn)行降壓轉換，因此電源設計時(shí)，降壓DC-DC經(jīng)常會(huì )被拿來(lái)與線(xiàn)性穩壓電源（LDO）進(jìn)行比較。相較而言，LDO電路簡(jiǎn)單、成本較低，同時(shí)具有負載響應快、輸出紋波小、噪聲小等特點(diǎn)；而降壓DC-DC則在高效率、支持更寬的輸入工作電壓和更大的壓降、支持更大的電流和功率、輸出電壓靈活可調等方面獨具優(yōu)勢。

因此在做具體技術(shù)選型時(shí)，需要在效率、成本、噪聲、性能等方面綜合評估，做出正確的決策。有時(shí)，也可以綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)，在電源設計時(shí)搭配使用，比如為了提高開(kāi)關(guān)DC-DC的精度，克服其噪聲大的短板，會(huì )通過(guò)在DC-DC后端加入LDO來(lái)做優(yōu)化。

但總體來(lái)講，降壓DC-DC器件的應用更為廣泛，產(chǎn)品的類(lèi)型也更多樣化，這使得工程師在做元器件選型時(shí)要多花費心思，對不同類(lèi)型的降壓DC-DC轉化器進(jìn)行仔細地評估。

在選型之前，需要對降壓DC-DC器件的種類(lèi)有一個(gè)比較清新的認知。按照不同的維度，降壓DC-DC通�？梢员粍澐譃椴煌念�(lèi)型。

電壓調制方式

降壓DC-DC按照其控制方式的差異可分為PFM（脈沖頻率調制）和PWM（脈沖寬度調制）兩種類(lèi)型。

PFM的工作原理是：保持固定的開(kāi)關(guān)脈沖寬度，通過(guò)改變脈沖輸出的頻率來(lái)調整和控制輸出電壓并使其以達到穩定狀態(tài)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是在輕負載時(shí)具有較高的效率（由于輕負載時(shí)無(wú)需增加功率，開(kāi)關(guān)頻率變低，開(kāi)關(guān)損耗減少），而缺點(diǎn)則是變化的頻率使得通過(guò)濾波消除噪聲難以實(shí)現，容易對其他電路造成干擾。

PWM顧名思義，是指開(kāi)關(guān)脈沖的頻率一定，通過(guò)改變脈沖輸出寬度對輸出電壓進(jìn)行控制的方法，其具有更好的輸出電壓紋波和噪聲，不過(guò)由于頻率恒定，重負載時(shí)和輕負載時(shí)的開(kāi)關(guān)次數都相同，因此輕負載時(shí)開(kāi)關(guān)損耗相對較高。

也有一些電源管理器件綜合了兩種控制方式的優(yōu)點(diǎn)，在重載和穩定狀態(tài)下采用PWM方式，而輕載時(shí)則切換到PFM方式，這無(wú)疑對電源系統整體性能的提升大有裨益。具體應用中該選擇何種控制方法，要根據設計需求進(jìn)行仔細權衡。

輸出反饋方式

降壓DC-DC轉換器為了維持電壓穩定，會(huì )將輸出反饋至控制電路。按照輸出反饋的方式，可將其分為電壓模式控制、電流模式控制和遲滯控制三種類(lèi)型。

在電壓模式下，反饋環(huán)路反饋的是輸出電壓信號，這也是基本方式。其優(yōu)點(diǎn)在于控制簡(jiǎn)單、抗噪性好、導通（ON）時(shí)間短；缺點(diǎn)則是相位補償電路比較復雜。

在對電壓模式控制優(yōu)化的基礎上，誕生了電流模式控制，其設計思路是以檢測電路電感或晶體管電流的方法取代電壓信號的采集，與電壓模式相比，具有穩定性高、相位補償電路簡(jiǎn)單、負載瞬態(tài)響應快等優(yōu)勢；而其缺點(diǎn)是電流檢測較為敏感，因此設計時(shí)對于反饋環(huán)路的噪聲處理有更高的要求。

遲滯控制是針對CPU、FPGA等對高速負載瞬態(tài)響應有更高要求的電源應用而開(kāi)發(fā)的一種輸出反饋方式，其優(yōu)點(diǎn)是瞬態(tài)響應極為迅速、反饋環(huán)路的穩定性高、無(wú)須相位補償；而缺點(diǎn)則是，開(kāi)關(guān)頻率會(huì )產(chǎn)生變動(dòng)、抖動(dòng)大，以及需要ESR較大的電容器檢測紋波。

變壓整流方式

除了上面提到的電壓調制和輸出反饋方式的不同，降壓DC-DC轉換器在變壓器整流方式上還有異步整流和同步整流的區別。

異步整流，是指在電路中是通過(guò)上側晶體管的開(kāi)關(guān)，控制下側整流二極管的導通/關(guān)斷，使電流流向或不流向二極管。這種方式電路簡(jiǎn)單且比較牢靠，在工業(yè)設備等應用中廣泛采用。

同步整流與異步整流方式主要的區別在于，將異步整流架構中的下側二極管換成了晶體管，因此可以有效降低輸出端開(kāi)關(guān)的損耗，實(shí)現更高的效率，但由于需要確保上下兩側晶體管的同步性，電路會(huì )更為復雜。

可見(jiàn)，不同類(lèi)型的降壓DC-DC轉換器都有各自的優(yōu)勢和短板，充分了解這些特性，才能夠根據實(shí)際設計需求做出正確的選擇。

降壓DC-DC關(guān)鍵參數解讀

在了解了降壓DC-DC轉換器類(lèi)型之后，作為選型的重要一步，就是要對器件的各個(gè)參數進(jìn)行仔細地查閱，以確定其是否滿(mǎn)足設計規格的要求。歸納起來(lái)，以下這些參數需要我們在降壓DC-DC選型時(shí)特別關(guān)注。

1. 輸入/輸出電壓

這是降壓DC-DC的基本參數，決定了其是否滿(mǎn)足電源轉換設計的要求。較寬的輸入電壓范圍以及靈活可調的輸出電壓，是一款設計優(yōu)秀的降壓DC-DC轉換器必備的特性。

2. 輸出電流

降壓DC-DC持續的輸出電流能力決定了其可以提供的功率大小，也是一個(gè)重要的參數。選型時(shí)要保留足夠的余量，以避免電流過(guò)大對器件造成的損壞。

3. 效率

效率是降壓DC-DC轉換器的優(yōu)勢，也是衡量其性能的一個(gè)硬指標，很多設計上的優(yōu)化最終都是服務(wù)于效率的提升。需要注意的是，選型時(shí)要同時(shí)關(guān)注輕載和重載兩種情況下的效率表現。

4. 開(kāi)關(guān)頻率

較高的開(kāi)關(guān)頻率通常意味著(zhù)在電路中可以使用較小的輸出電容器和電感器等外圍元件，對于設計的小型化更為有利。不過(guò)較高頻率也會(huì )帶來(lái)更大的開(kāi)關(guān)損耗和噪聲問(wèn)題，需要仔細應對。

5. 瞬態(tài)響應

該特性反應在負載劇烈變化時(shí)，系統是否能夠及時(shí)調整并確保輸出電壓的穩定。降壓DC-DC器件自身的架構及輸出電容性能（容值和ESR）都會(huì )對瞬態(tài)響應性能產(chǎn)生影響。

6. 輸出紋波

這是衡量降壓DC-DC輸出電壓波動(dòng)的重要參數，也是穩壓質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵指標，一般情況下輕載紋波要更大。

7. 線(xiàn)性穩定度和負載穩定度

線(xiàn)性穩定度是指輸入電壓變化時(shí)輸出電壓的穩定性，而負載穩定度則反應輸出負載變化時(shí)輸出電壓的穩定性，它們以百分比表示，數字自然是越小越好。

8. 靜態(tài)電流

所謂靜態(tài)電流是指降壓DC-DC在空載時(shí)由各模擬電路子模塊產(chǎn)生的電流，它會(huì )帶來(lái)靜態(tài)損耗，因此靜態(tài)電流的降低對于效率的提升十分關(guān)鍵。能否將靜態(tài)電流降下來(lái)，也是電源管理IC廠(chǎng)商設計和工藝水平的試金石。

9. 保護功能

在設計中集成OCP過(guò)流保護、OTP過(guò)熱保護等功能，是確保降壓DC-DC可靠穩定工作的重要一環(huán)，這些保護功能通常由特定的外部條件觸發(fā)，并在條件消失時(shí)能自恢復。

10. EMI抑制

開(kāi)關(guān)控制的工作模式?jīng)Q定了降壓DC-DC會(huì )產(chǎn)生更多的噪聲，因此在一些噪聲敏感型的應用中，必須要考慮加入有效抑制EMI的措施。

理解了上述這些參數，也就掌握了降壓DC-DC器件選型的關(guān)鍵要領(lǐng)。以此為據，將器件的特性與設計需求進(jìn)行比照，應該就能很快鎖定想要的那顆料。

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