硬件设计16之什么是DCDC与LDO

时间：2018.2.10   作者：Tom   工作：HWE 说明：如需转载，请注明出处。

1.电源芯片

20世纪50年代以前大都变压器变压之后经过桥式整流电路（使用晶闸管可控硅整流电路），后通过稳压二极管进行使用。大功率硅整流器能够高效地将工频交流电转变为直流电。

1955年美国罗耶(GH.Roger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，首创PWM控制，是实现高频转换控制电路的开端，1957年美国查赛(Jen Sen)发明了自激式推挽双变压器，1964年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。

20世纪70年代，以电力晶体管GTR为代表的高频电力开关的出现使开关电源的频率提高到20kHz，在开关变换时不会产生刺耳噪声。80年代，IGBT的出现让仅适用于小功率场合的开关电源在中大功率直流电源中发挥作用，采用PWM技术的MOSFET开关整流器，开关频率在50kHz左右。

20世纪90年代，软开关PWM控制技术促成高频开关电源又一次飞跃。随着工作频率的提高，开关损耗不可避免的大大增加，软开关技术的出现将开关损耗几乎降为零。开关频率高达1MHz。

21世纪高频开关电源进入数字化时代。数字化电源从功能上定义为数字化控制的电源产品，提供控制、管理和检测功能，可以对整个电源回路进行控制。

2005年美国德州仪器以"全数字控制回路"为特征的数字化电源控制芯片开始出现，实现数字化电源真正由概念走向运用。

根据电源的类型可将电源分为：AC/DC电源（交流转直流）、DC/DC（直流转直流）、通信电源（负输出DC/DC）等等。

科普知识：

从1752年富兰克林的风筝实验捕捉电，到1800年伏打发明电池组，经历安培定律、欧姆定律、法拉第电磁感应、楞次定律、电磁波理论、到1875年贝尔发明电话、爱迪生直流配系统、变压器、交流输电系统完成…

我们为什么使用交流电呢？以前是使用直流电供电的，因为P=UI，以前使用的直流传输损耗太大了，电线有电阻，因为电流太大了，为了减少损耗，只能提高电压，而且设备比较复杂，比较贵，维护也比较贵。而交流电主要优点表现为发电和配电方便。可以方便的通过变压器进行升压和降压。总结来说，交流主要用于远距离配电。

一般我们插线板使用的是220V/50Hz的交流电。但一般我们板子使用12V的直流电。这中间使用了一个是适配器，也就是我们平时所说的电源适配器。这个我们不需要关心，接下来才是我们研究的内容：

怎样从12V直流转到我们所需要的电呢，例如3.3V6A，1.8V2A等。首先我们要知道电工电子技术里面有个电压有效值和平均值的概念：如果交流电和直流电分别通过同一电阻，两者在相同的时间内所消耗的电能相等（或所产生的焦耳热相同），则此直流电的数值就叫做交流电有效值的数值。例如交流正弦电公式：E=E_max/（2）^1/2。交流电压的平均值是指电压高低值的平均数大小。这时我们还需要明白两个概念：PWM（脉宽调制）和PFM（频率调制）。

从图中我么可以看出，这两种方式都是为了改变占空比，改变了占空比，输出电压就会变化，这里我们所说的输出电压指平均值。因为电压表测试直流测试结果是平均值，测试交流测试结果是有效值。

DC/DC变换器是通过与内部频率同步开关进行升压或降压，通过变化开关次数进行控制，从而得到与设定电压相同的输出电压。PFM控制时，当输出电压达到在设定电压以上时即会停止开关，在下降到设定电压前，DC/DC变换器不会进行任何操作。但如果输出电压下降到设定电压以下，DC/DC变换器会再次开始开关，使输出电压达到设定电压。PWM控制也是与频率同步进行开关，但是它会在达到升压设定值时，尽量减少流入线圈的电流，调整升压使其与设定电压保持一致。

与PWM相比，PFM的输出电流小，但是因PFM控制的DC/DC变换器在达到设定电压以上时就会停止动作，所以消耗的电流就会变得很小。因此，消耗电流的减少可改进低负荷时的效率。PWM在低负荷时虽然效率较逊色，但是因其纹波电压小，且开关频率固定，所以噪声滤波器设计比较容易，消除噪声也较简单。

如果把PFM与PWM的电源用车来比较的话,用PFM的=奔驰,用PWM的=大众 。

PFM相比较PWM主要优点在于效率

1、对于外围电路一样的PFM和PWM而言,其峰值效率PFM与PWM相当,但在峰值效率以前,PFM的效率远远高于PWM的效率,这是PFM的主要优势.

2、PWM由于误差放大器的影响，回路增益及响应速度受到限制，PFM具有较快的响应速度

PFM相比较PWM主要缺点在于滤波困难

1、滤波困难（谐波频谱太宽）。

2、峰值效率以前,PFM的频率低于PWM的频率,会造成输出纹波比PWM偏大。

3、PFM控制相比PWM控制 IC 价格要贵。

PFM之所以应用没有PWM多最主要的一个原因就是另外一个原因就是PWM的巨大优点了：控制方法实现起来容易，PFM控制方法实现起来不太容易。

脉冲频率调制(PFM)是一种转换方法， 通常被应用于DC-DC转换器来提高轻负载效率。

这时有人想出来了，用MOS管去控制直流电路的通断。为什么使用NMOS管来控制通断呢？一般使用NMOS管当做开关，因为NMOS的多数载流子是电子，PMOS的多数载流子是空穴，所以同样面积的沟道，NMOS的导通内阻更低，工艺上做起来更容易，成本也更低，这是其特性决定了的。电子的漂移速度是空穴的三倍。MOS管是电压驱动，功耗低。NMOS是正压驱动开关，PMOS是负压驱动开关。

使用了NMOS开关之后，可以实现一个方波的形成，有两种输出类型：

但是，这两个电路的输出电压和电流均是脉动的，如何进行改进呢？为了减小输出电压、输出电流的脉动幅度，可以考虑在电路中加入适当的滤波环节（提示：电容电压不突变可用于滤电压脉动；电感电流不突变可滤电流脉动。）

但是输出滤波元件的加入使得开关管的电压电流应力增加，电容在导通瞬间会造成输入输出短路以致电流太大烧坏开关管。电感在开关管断开将感应出极高的电压，怎么解决呢？加入缓冲环节（如缓冲电感，续流二极管，缓冲电容，钳位二极管。）

其中电感和电容构成滤波电路，而电感和二极管构成缓冲电路。C图完成了降压升流功能，D图完成了降流升压功能。

电感电压的伏秒平衡特性和电容电流的安秒平衡特性

由于开关电源的开关管工作在高频的开关状态，每一个开关过程，电能从输入端被泵到输出端，在输出电容上形成一个充电和放电过程，从而造成输出电压的波动，而且此波动的频率与开关管的频率相同，这个波动就是输出纹波，是叠加在输出直流上的交流成分，纹波的幅值是该交流成分的波峰与波谷之间的峰峰值。

而噪声是开关电源本身产生的一种高频脉冲串，由发生在开关导通与截止瞬间产生的尖脉冲所造成，噪声的频率比开关频率高的多，噪声电压的大小很大程度上与开关电源的拓扑，变压器的绕制，电路的寄生参数，测试时外部的电磁环境以及PCB的布线设计有关。

2.DC/DC

https://wenku.baidu.com/view/f4b366a17e21af45b207a8b8.html。

通常将整流器成为一次电源，DC/DC称为二次电源。DC/DC是将固定的直流电压变换成可变的直流电的直流斩波电路。分为有变压器隔离的斩波电路（正激式、反激式、桥式）、无变压器隔离的斩波电路（BUCK，BOOST等等）。

DC/DC优缺点：

    优点：功耗低，效率高，支持升压、降压，支持大电流输出，支持输出端隔离

    缺点：纹波大，电路设计复杂，输入输出存在较大延迟。

1)BUCK变换---降压斩波器

一种输出电压小于输入电压的极性相同的不隔离直流变压器。

-----工作原理：

当开关管Q导通、D关断，VIN给输出电容和负载供电，流过电感的电流线性增加，电容和电感储能。电感两端的电压VL=VIN-V0。导通时间为ton。

    当开关管Q关断，D导通，电感释放能量，流过电感的电流线性下降，给负载供电。若此时，电感两端的电压为VL=-V0。在toff内，如果电感在ton内的储能不够维持toff这么长时间，输出电容释放能量给负载供电，V0下降。D关断，电感两端的额电压为0。令ton=DT，其中D为占空比。可得V0=D*IN。

t_on内IL增加量：

t_off内IL减小量：

Ts 内有△i1=△i2，即Vo=D Vi。电容的电压是电容的电流对时间的积分，是时间的二次曲线。

    在连续电流模式下，电感储能十分充足，可远远满足负载的需求。

特点总结：

输入电流是脉动的，对输入电容要求相对高；输出电流由于电感的作用的是连续的，对输出电容要求小。理论上讲只要电感任意大，使流过电感的电流十分稳定，输出电容可以不要。但是实际需要取合适的电容来使电感取值小一些。 V0=D*IN。

2)BOOST变换—升压斩波器

https://wenku.baidu.com/view/b39e2da943323968001c9204.html。

一种输出电压大于输入电压的极性相同的不隔离直流变换器。

---充电过程

在充电过程中，开关闭合（三极管导通），等效电路如图二，开关（三极管）处用导线代替。这时，输入电压流过电感。二极管防止电容对地放电。由于输入是直流电，所以电感上的电流以一定的比率线性增加，这个比率跟电感大小有关。随着电感电流增加，电感里储存了一些能量。

---放电过程

如图，这是当开关断开（三极管截止）时的等效电路。当开关断开（三极管截止）时，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为0，而是缓慢的由充电完毕时的值变为0。而原来的电路已断开，于是电感只能通过新电路放电，即电感开始给电容充电，电容两端电压升高，此时电压已经高于输入电压了。升压完毕。

输入电流是连续的（电感作用），对输入电容要求小；流过VD的电流是脉动的，需要有合适的输出电容来保证稳定的负载电流供应，因此对输出电容的要求高。Vo=E/(1-D)。

说起来升压过程就是一个电感的能量传递过程。充电时，电感吸收能量，放电时电感放出能量。如果电容量足够大，那么在输出端就可以在放电过程中保持一个持续的电流。如果这个通断的过程不断重复，就可以在电容两端得到高于输入电压的电压。

开关管导通时，电源经由电感-开关管形成回路，电流在电感中转化为磁能贮存；开关管关断时，电感中的磁能转化为电能在电感端左负右正，此电压叠加在电源正端，经由二极管-负载形成回路，完成升压功能。既然如此，提高转换效率就要从三个方面着手：1.尽可能降低开关管导通时回路的阻抗，使电能尽可能多的转化为磁能；2.尽可能降低负载回路的阻抗，使磁能尽可能多的转化为电能，同时回路的损耗最低；3.尽可能降低控制电路的消耗，因为对于转换来说，控制电路的消耗某种意义上是浪费掉的，不能转化为负载上的能量。

开关频率越大，感量就可以越小，电感的尺寸也就可以越小。感量小还可以加快环路的反应速度，但是由于增大了纹波电流，因此减小了效率。感量也不是越大越好。一方面感量越大，尺寸越大；另一方面感量太大，影响整个系统的反应速度。

3.LDO

线性稳压器（Linear Regulator）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。其产品均采用小型封装，具有出色的性能，并且提供热过载保护、安全限流等增值特性，关断模式还能大幅降低功耗。

线性稳压器的工作原理是：采用一个压控电流源以强制在稳压器输出端上产生一个固定电压。控制电路连续监视（检测）输出电压，并调节电流源（根据负载的需求）以把输出电压保持在期望的数值。

线性稳压器的突出优点是具有最低的成本，最低的噪声和最低的静态电流。它的外围器件也很少，通常只有一两个旁路电容。新型线性稳压器可达到以下指标：30μV 输出噪声、60dB PSRR、6μA 静态电流及100mV的压差。

线性稳压器能够实现这些特性的主要原因在于内部调整管采用了P沟道场效应管，而不是通常线性稳压器中的PNP晶体管。P沟道的场效应管不需要基极电流驱动，所以大大降低了器件本身的电流；另一方面，在采用PNP管的结构中，为了防止PNP晶体管进入饱和状态降低输出能力，必须保证较大的输入输出压差；而P沟道场效应管的压差大致等于输出电流与其导通电阻的乘积，极小的导通电阻使其压差非常低。当系统中输入电压和输出电压接近时，线性稳压器是最好的选择，可达到很高的效率。所以在将锂离子电池电压转换为3V 电压的应用中大多选用线性稳压器，尽管电池最后放电能量的百分之十没有使用，但是线性稳压器仍然能够在低噪声结构中提供较长的电池寿命。
  低压差线性稳压器（LDO）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CMOS功率晶体管，它能够提供最低的压降电压。使用CMOS，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。
    导致 LDO 产生振荡最常见的原因是什么？就是输出电容器！
    第一、ESR 过高。质量欠佳的钽电容器会具有高 ESR，一般尽量采用进口器件。铝电解电容器在低温条件下将具有高 ESR，一般采用钽电容器件。
    第二、ESR 过低。在电路中，最好选用知名品牌的贴片器件。