DC-DC 电源芯片的基本原理和组成

一、Buck变换器（降压型）

CCM (ContinuousConduction Mode),连续导通模式：在一个开关周期内，电感电流从不会到0。或者说电感从不“复位”，意味着在开关周期内电感磁通从不回到0，功率管闭合时，线圈中还有电流流过。

DCM，(Discontinuous Conduction Mode)非连续导通模式：在开关周期内，电感电流总会会到0，意味着电感被适当地“复位”，即功率开关闭合时，电感电流为零。

BCM（Boundary Conduction Mode），边界或边界线导通模式：控制器监控电感电流，一旦检测到电流等于0，功率开关立即闭合。控制器总是等电感电流“复位”来激活开关。如果电感值电流高，而截至斜坡相当平，则开关周期延长，因此，BCM变化器是可变频率系统。BCM变换器可以称为临界导通模式或CRM（Critical Conduction Mode）。
CCM与DCM比较
DCM是技领的特色，能降低功耗的，DCM模式的转换效率更高些，属于能量完全转换；
工作于DCM模式，输出电流的纹波比CCM大；
工作于DCM模式，在电感电流为0的时候，会产生振荡现象；
工作于CCM模式，输出电压与负载电流无关，当工作于DCM模式，输出电压受负载影响，为了控制电压恒定，占空比必须随着负载电流的变化而变化。

1. 同步和非同步DC-DC

如下两个图分别是非同步架构和同步架构的DC-DC，区别在于非同步使用二极管作为续流二极管，同步架构使用的是MOS管。

非同步降压拓扑结构

同步降压拓扑结构

同步和非同步大致有如下的区别：

（1）非同步的效率低，同步的效率高，原因是同步使用的是MOS管，MOS管的Rds(on)小，在通过大电流时，导通压降小，损耗小，效率高，而二极管的正向压降一般大于MOS管。

非同步架构二极管上的功耗为：

PD=VD∗IOUT∗(1−VOUTVIN)P_{D}=V_{D}I_{OUT}(1-\frac{V_{OUT}}{V_{IN}})PD​=VD​∗IOUT​∗(1−VIN​VOUT​​)

同步架构MOS管上的功耗为：
PFET=RON∗IOUT2∗(1−VOUTVIN)P_{FET}=R_{ON}I^2_{OUT}(1-\frac{V_{OUT}}{V_{IN}})PFET​=RON​∗IOUT2​∗(1−VIN​VOUT​​)

（2）同步架构的成本更高一点，MOS管比二极管贵；因为是MOS管，还需要外加控制电路；

（3）非同步的可靠性比同步高，MOS管不是理想的开关，是有开通时间和关断时间的，如果上下两个MOS管的死区时间没有控制好，使上管关断时间和下管开通时间有重叠，造成有直通现象，那么MOS管可能因电流过大而损坏。所以我们经常看到MOS管的内部框图中，上管和下管之间会有一个二极管，就是为了防止直通短路。
2. DC-DC BUCK基本原理

如下是DCDC BUCK芯片的框图，上面的NMOS称为high-side MOSFET，下面的NMOS称为low-side MOSFET。当高边MOS管打开时，SW为VIN，SW对电感进行充电储能，电感电流呈上升趋势；当低边MOS管打开时，SW为GND，此时电感通过续流二极管对输出电容和负载进行供电，理论上高低MOS管不能同时打开，所以上下管打开的周期就形成了占空比，根据负载的轻重，来调节不同的占空比，满足不同负载需求。

高边MOS管和低边MOS管

3. DC-DC BUCK基本组成

同步和非同步BUCK调节器主要都是由误差放大器，脉宽调节器，输出滤波器和补偿网络等组成，其中脉宽调节器和输出滤波器加在一起又叫Power Stage。

4. DC-DC BUCK闭环调节

当输入电压或者负载变化时，DC-DC的VOUT是缓慢变化的，这个变化量通过反馈FB检测（R1/R2分压），输入到误差放大器的反向端，与正向端的参考电压进行比较，误差放大器形成一个输出变化量，这个变化量输入到PWM调制器的一端，与斜率补偿形成重新校准的占空比，来控制控制G极驱动器输出VOUT，实现了系统自动调节，这个是DC-DC内部的闭环调节原理。

下图中的Vea就是误差放大器的输出量，Vt就是Slope compensation，斜坡补偿。