DC-DC转换器设计

1 开关型稳压器

开关型稳压器通常利用电感、变压器或电容器作为储能元件来将输入能量传递给输出负载。其反馈电路用于调节能量的传输，保证在限定的负载电流范围内保持恒定的输出电压。转换器的基本电路结构包括升压型、降压型和反相型等，图1所示是DC-DC变换器的几种典型结构，当利用变压器作储能元件时，可以实现输出与输入之间的隔离。

在电源供电系统中选择开关型DC-DC转换器可以获得较高的效率和较低的热耗，从而可有效延长电源的使用寿命。同时通过在输出级添加适当的滤波电路，还能够将输出电压纹波降低至较小的范围。

2 开关型稳压器控制技术

开关型稳压器的控制结构如图2所示，常见的DC-DC转换控制技术有脉冲频率调制（PFM）、限流型PFM、脉冲宽度调制（PWM）等。PFM调制电路的开关信号占空比通常保持为50%，通过控制开关频率可提供稳定的输出电压。该电路结构比较简单，但电感的选择比较困难，因此输出电压有较大的纹波，而且，输出噪声/纹波的频谱在不同负载时有较大的变化范围。限流型PFM结构与PFM类似，但在电路中引入了电感峰值电流限制电路和一个单稳态电路，这样，一旦输出电压跌落到所允许的门限值时，控制电感充电的开关将导通以为电感提供充电，直到电感电流达到所设置的电流门限为止。通常需要在电感的电流通路内连接一个电流检测电阻。当电感电流达到预置值门限后，开关断开并保持一段固定的时间（一般为μs级），以便其内部单稳态电路进行控制。在单稳态保持时间结束时，系统便将VOUT与一个固定的基准电压进行比较，从而确定是否接通开关。由于电感的峰值电流是固定的，因而电感的选择比较容量，只要保证电感的磁芯满足峰值电流的要求即可。另外，固定的峰值电流，也使得输出电压的纹波比标准PFM结构低得多。当然，输出噪声的频谱仍然随负载而改变。

PWM控制技术能保持固定的开关频率，并可通过改变电感的充电、放电时间来保持稳定的负载电压。这种控制技术能够在较宽的负载范围内保持较高的转换效率。此外，由于开关频率是固定的，因而使得噪声频谱的带宽很窄。这样，只需简单的低通滤波器应能大大降低输出电压的纹波，因此，这种控制结构可被广泛应用于电信设备等对噪声干扰较为敏感的应用系统。

3 控制电路

图3为典型的PWM控制电路，图中的VOUT经过分压后送入比较器的反相输入端，比较器的同相输入为基准电压VREF。当分压后的VOUT低于VREF时，比较器输出信号以控制多谐振荡器工作，方波信号切换到开关控制端，控制开关迅速导通或断开而使能量反复地存储到电感中、进而传递给输出电容。图4为限流型PFM控制结构，该电路要比较3复杂一些，图4有两个比较器：一个用于监测输出反馈电压，另一个用于监测电感的峰值电流。当输出电压超出稳压范围时，SR触发器控制N沟道MOSFET导通，直到电感电流达到所要求的上限值。MOSFET断开后，单稳态定时器被触发，开关在规定的时间内保持开路状态。

PWM控制器有两种不同的结构。其中电压模式PWM控制器如图5（a）所示，电流模式PWM控制器如图5(b)所示。电压模式PWM控制器将反馈电压与基准电压之间的误差加以放大，然后将放大后的误差信号作为比较器的门限与控制器内部的斜波电压发生器的电压输出进行比较，最后用比较器输出来驱动主开关。电压模式PWM控制器的误差电压越大、比较器门限值就越高，开关保持导通的时间也越大，电感的峰值电流也就越大，从而保证电感可存储足够的能量以维持负载电压的稳定。电流模式PWM控制器中加入了电流检测功能，电感电流与误差电压产生的门限值相比较，开关在每个时钟的上升沿导通，当电感电流达到峰值门限时开关断开。这种控制结构比电压模式PWM控制器更能改善系统的稳定性。

开关稳压器中功率消耗最大的元件是二极管，其功率消耗为二极管导通压降与电流的乘积。由于该功耗将会降低系统的总体效率。因此，为减小这一损耗，绝大多数DC-DC转换器中选用肖特基二极管。因为它具有极小的导通压降，而且开关速率很高。因此可最大限度地提高效率。也可用一个开关替代二极管（即所谓的“同步整流结构”），以使其在主开关闭合时同步整流开关断开，主开关断开时同步整流开关闭合。但是，为了避免两个开关同时导通造成系统损坏，该开关需要置成“导通前先断开”的结构。因此，在断开主开关与闭合同步整流开关之间，二极管将流过一个起始电流。

PWM控制器的另外一种结构是如图6所示的Idle-ModeTM PWM控制器，这种控制器在轻载时的工作过程如同PFM，重载时则与PWM控制器相同，由于它结合了轻载下PFM控制器的高效率和重载下PWM控制器的高效低噪等优点，因而能够在较宽的负载范围内获得最高的转换效率。