【導(dǎo)讀】DC/DC變換器是利用MOSFET開(kāi)關(guān)閉合時(shí)在電感器中儲(chǔ)能，并產(chǎn)生電流。本文給出的三種典型的DC/DC變換器工作原理都是先儲(chǔ)存能量，然后以受控方式釋放能量，從而得到所需要的輸出電壓。因此，我們通過(guò)DC/DC變換器一系列的性能參數(shù)來(lái)對(duì)比衡量，看看該如何選擇最佳的開(kāi)關(guān)式DC/DC變換器。
DC/DC變換器是利用MOSFET開(kāi)關(guān)閉合時(shí)在電感器中儲(chǔ)能，并產(chǎn)生電流。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，貯存的電感器能量通過(guò)二極管輸出給負(fù)載。如下圖所示：
圖：三種典型的DC/DC變換器框圖
圖中所示三種變換器的工作原理都是先儲(chǔ)存能量，然后以受控方式釋放能量，從而得到所需要的輸出電壓。對(duì)某一工作來(lái)講，最佳的開(kāi)關(guān)式DC/DC變換器是可以用最小的安裝成本滿足系統(tǒng)總體需要的。這可以通過(guò)一組描述開(kāi)關(guān)式DC/DC變換器性能的參數(shù)來(lái)衡量，它們包括：高效率、小的安裝尺寸、小的靜態(tài)電流、較小的工作電壓、低噪聲、高功能集成度、足夠的輸出電壓調(diào)節(jié)能力、低安裝成本。
DC/DC變換器選擇參數(shù)一：工作效率
①電感式DC/DC變換器：電池供電的電感式DC/DC變換器的轉(zhuǎn)換效率為80%~85%,其損耗主要來(lái)自外部二極管和調(diào)制器開(kāi)關(guān)。
②無(wú)電壓調(diào)節(jié)的電荷泵：為基本電荷泵（如TC7660H）。它具有很高的功率轉(zhuǎn)換效率（一般超過(guò)90%），這是因?yàn)殡姾杀玫膿p耗主要來(lái)自電容器的ESR和內(nèi)部開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通電阻（RDS-ON），而這兩者都可以做得很低。
③帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵：它是在基本電荷泵的輸出之后增加了低壓差的線性調(diào)節(jié)器。雖然提供了電壓調(diào)節(jié)，但其效率卻由于后端調(diào)節(jié)器的功耗而下降。為達(dá)到最高的效率，電荷泵的輸出電壓應(yīng)當(dāng)與后端調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后的電壓盡可能接近。
最佳選擇是：無(wú)電壓調(diào)節(jié)式電荷泵（在不需要嚴(yán)格的輸出調(diào)節(jié)的應(yīng)用中），或帶電壓調(diào)節(jié)式電荷泵（如果后端調(diào)節(jié)器兩端的壓差足夠?。?br />
DC/DC變換器選擇參數(shù)二：安裝尺寸
①電感式DC/DC變換器：雖然很多新型電感式DC/DC變換器都可以提供SOT封裝，但它們通常仍然需要物理外形較大的外部電感器。而且電感式DC/DC變換器的電路布局自身也需要較大的板級(jí)空間（額外的去耦、特殊的地線處理、屏蔽等）。
②無(wú)電壓調(diào)節(jié)的電荷泵：電荷泵不用電感器，但需要外部電容器。新型電荷泵器件采用SOP封裝，工作在較高的頻率，因此可以使用占用空間較小的小型電容器（1μF）。電荷泵IC芯片和外部電容器合起來(lái)所占用的空間，還不如電感式DC/DC變換器中的電感大。利用電荷泵還很容易獲得正、負(fù)組合的輸出電壓。如TCM680器件僅用外部電容即可支持+2 UIN的輸出電壓。而采用電感式DC/DC變換器要獲得同樣的輸出電壓則需要獨(dú)立的兩個(gè)變換器，如用一個(gè)變換器，就得用具有復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變壓器。
③帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵：增加分立的后端電壓調(diào)節(jié)器占用了更多空間，然而許多此類調(diào)節(jié)器都有SOT形式的封裝，相對(duì)減少了占用的空間。新型帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵器件，如TCM850,在單個(gè)8引腳50lC封裝中集成了電荷泵、后端電壓調(diào)節(jié)器和關(guān)閉控制。
最佳選擇是：無(wú)電壓調(diào)節(jié)或帶電壓調(diào)節(jié)電荷泵。
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DC/DC變換器選擇參數(shù)三：靜態(tài)電流
①電感式DC/DC變換器：頻率調(diào)制（PFM）電感式DC/DC變換器是靜態(tài)電流最小的開(kāi)關(guān)式DC/DC變換器，通過(guò)頻率調(diào)制進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)可在小負(fù)載電流下使供電電流最小。
②無(wú)電壓調(diào)節(jié)的電荷泵：電荷泵的靜態(tài)電流與工作頻率成比例。多數(shù)新型電荷泵工作在150kHz以上的頻率，從而可使用1μF甚至更小的電容。為克服因此帶來(lái)的靜態(tài)電流大的問(wèn)題，一些電荷泵具有關(guān)閉輸入引腳，以在長(zhǎng)時(shí)間閑置的情況下關(guān)閉電荷泵，從而將供電電流降至接近零。
③帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵：后端電壓調(diào)節(jié)器增加了靜態(tài)電流，因此帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵在靜態(tài)電流方面比基本電荷泵要差。
最佳選擇是：電感式DC/DC變換器，特別是頻率調(diào)制（PFM）開(kāi)關(guān)式。
DC/DC變換器選擇參數(shù)四：最小工作電壓
①電感式DC/DC變換器：電池供電專用電感式DC/DC變換器（如TC16）可在低至1V甚至更低的電壓下啟動(dòng)工作，因此非常適合用于單節(jié)電池供電的電子設(shè)備。
②無(wú)電壓調(diào)節(jié)的電荷泵/帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵：多數(shù)電荷泵的最小工作電壓為1.5V或更高，因此適合于至少有兩節(jié)電池的應(yīng)用。
最佳選擇是：電感式DC/DC變換器。
DC/DC變換器選擇參數(shù)五：產(chǎn)生的噪聲
①電感式DC/DC變換器：電感式DC/DC變換器是電源噪聲和開(kāi)關(guān)輻射噪聲（EMI）的來(lái)源。寬帶PFM電感式DC/DC變換器會(huì)在寬頻帶內(nèi)產(chǎn)生噪聲。可采取提高電感式DC/DC變換器的工作頻率，使其產(chǎn)生的噪聲落在系統(tǒng)的頻帶之外。
②無(wú)電壓調(diào)節(jié)的電荷泵/帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵：電荷泵不使用電感，因此其EMI影響可以忽略。泵輸入噪聲可以通過(guò)一個(gè)小電容消除。
最佳選擇是：無(wú)電壓調(diào)節(jié)或帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵。
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DC/DC變換器選擇參數(shù)六：集成度
①電感式DC/DC變換器：現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出集成了開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器和其他功能（如電壓檢測(cè)器和線路調(diào)節(jié)器）的芯片。如TC16芯片就在一個(gè)SO-8封裝內(nèi)集成了一個(gè)PFM升壓變換器、LD0和電壓檢測(cè)器。與分立實(shí)現(xiàn)方案相比，此類器件提供了優(yōu)異的電氣性能，并且占用較小的空間。
②無(wú)電壓調(diào)節(jié)的電荷泵：基本電荷泵，如TC7660,沒(méi)有附加功能的集成，占用空間小。
③帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵：集成更多功能的帶電壓調(diào)節(jié)電荷泵芯片已成為目前的一種發(fā)展趨勢(shì)。很明顯，下一代帶調(diào)節(jié)電荷泵的功能集成度將可與電感式DC/DC變換器集成芯片相比。
最佳選擇是：電感式DC/DC變換器。
DC/DC變換器選擇參數(shù)七：輸出調(diào)節(jié)
①電感式DC/DC變換器：電感式DC/DC變換器具有良好的輸出調(diào)節(jié)能力。一些電感式DC/DC變換器還具有外部補(bǔ)償引腳，允許根據(jù)應(yīng)用“精細(xì)調(diào)整”輸出的瞬態(tài)響應(yīng)特性。
②無(wú)電壓調(diào)節(jié)的電荷泵：此類器件輸出沒(méi)有電壓調(diào)節(jié)，它們只簡(jiǎn)單地將輸人電壓變換為負(fù)或刀倍的輸出電壓。困此，輸出電壓會(huì)隨著負(fù)載電流的增加而下降。雖然這對(duì)某些應(yīng)用（如LCD偏置）并不是問(wèn)題，但不適用需要穩(wěn)定的輸出電壓的應(yīng)用場(chǎng)合。
③帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵：它通過(guò)后端線性電壓調(diào)節(jié)器（片上或外部）提供電壓調(diào)節(jié)（穩(wěn)壓）。在一些情況下，需要為電荷泵增加開(kāi)關(guān)級(jí)數(shù)，以為后端調(diào)節(jié)器提供足夠的凈空間，這時(shí)就需要增加外部電容，從而會(huì)給尺寸、成本和效率帶來(lái)負(fù)面的影響。但后端線性調(diào)壓器可使帶調(diào)節(jié)電荷泵的輸出電壓的穩(wěn)定性與電感式DC/DC變換器一樣。
最佳選擇是：帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵。
DC/DC變換器選擇參數(shù)八：安裝成本
①電感式DC/DC變換器：近年來(lái)采用電感式DC/DC變換器的成本逐漸下降，并且對(duì)外部元件的需求也變得更少了。但電感式DC/DC變換器最少需要一個(gè)外部電感、電容和肖特基二極管。二極管、電感，再加上相對(duì)價(jià)格較高的開(kāi)關(guān)變換芯片，其總成本要比電荷泵高。
②無(wú)電壓調(diào)節(jié)的電荷泵：無(wú)電壓調(diào)節(jié)的電荷泵比電感式DC/DC變換器便宜，且僅需要外部電容（沒(méi)有電感），節(jié)約了板空間、電感的成本，以及某些情況下的屏蔽成本。
③帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵：帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵的成本大約與電感開(kāi)關(guān)式DC/DC變換器本身的成本相當(dāng)。在一些情況下，可采用外部后端電壓調(diào)節(jié)器以降低成本，但卻會(huì)增加所需的安裝空間和降低工作效率。
最佳選擇是：在不需要嚴(yán)格穩(wěn)壓的場(chǎng)合的最佳選擇為無(wú)電壓調(diào)節(jié)的電荷泵；若為對(duì)輸出電壓穩(wěn)壓有要求的場(chǎng)合，選擇帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵和電感式DC/DC變換器的成本大致相當(dāng)。
在實(shí)際的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，如果能夠按照以上的選擇竅門(mén)進(jìn)行選擇，將會(huì)更有利于節(jié)省時(shí)間成本，提高效率。
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