DC-DC转换的理解

今天一个同事问我关于阀门驱动电流的问题，有一个阀门在5v的时候消耗400ma的电流，问对我们的集操设备是否有影响；因为我们的集操设备有500ma的保护电流，就是说大于500ma就进行断电保护，就不再给mbus接口供电。我们mbus接口电压是39v，我在想如果阀门要400ma的电流那不是对总线很危险，因为阀门是从总线取电流的。后来经过讨论实际上从总线上并不会提取400ma这么大的电流的，应该阀门的电压是经过dc-dc变换的，理想状况下计算公式为5v*400ma=39v*X =>X=50ma，也就是说经过dc-dc变换，阀门实际上从总线提取50ma左右的电流，经过这个事例，顺便学习了dc-dc变换的原理。
在一次外部技术交流会上进一步理解了DC-DC，就是对于线性的DC一DC，其输入电流=输出电流，在转换芯片上有功率损耗，电源的使用效率太低，因此这种线性的DCDC比较适合于小的电流输出，并且输入输出压差比较小的电路应用;反知，对于输出电流大，压差大的应用应选择开关电源dcdc，它的输入输出电流计算公式应该使用功率来计算，这样电源的使用效率就很高，损失的功率小。

 

4.1 DC/DC应用指南
4.1.1 DC/DC简介
1． 概述
什么是 DC(Direct Current)呢？它表示直流电源， 诸如干电池或车载电池等；家庭用的 220V电源则是交流电源(AC)。若通过一个转换器能将一个直流电压(3.0V)转换成其它直流电压(1.5V或 5.0V)，这个转换器即 DC/DC 转换器（ DC/DCswitching regulator），又因为 DC/DC 的转换功能一般都是由开关电源实现的，所以 DC/DC 往往又被称呼为开关电源或开关调整器。
DC/DC 转换器分为升压型、降压型、升/降压型和反相类型，具有效率高、输出电流大和静态电流小等优点；随着电路集成度的提高，许多新型 DC/DC 转换器仅需外接几只电感器和滤波电容器就可以完成直流电压的转换；但不足之处也很明显， DC/DC 转换器的输出脉动和开关噪音较大、成本相对较高。
2． 开关电源简介
线性稳压器具有结构简单、 调节方便、输出电压稳定和纹波电压小等优点；但是其调整管始终消耗功率、特别是在负载电流较大且输出电压较低时，线性稳压器效率很低。如果调整管工作在开关状态，那么当其截止时，其电流（穿透电流）很小导致功耗很小；当其饱和时，因压降（饱和压降）很小导致功耗也很小，这样就将大大提高电源转换的效率，开关型稳压电路中的调整管正是工作在开关状态，其电源转换效率可达 70%—95%，从而可将散热问题减至最少，令用户面对的热管理工作更简单，进而也可延长产品的工作时间；除了这个主要的优点，开关电源还能支持反相、降压、升压或是降升压等电源输出形式。不过，开关电源的开关管工作于高频开关状态，输出的纹波和噪声电压较大，一般为输出电压的 1%左右（低的为输出电压的 0.5%左右），最好产品的纹波和噪声电压可能也有几十mV，因此会对系统产生不必要的干扰。 表 4.1将LDO线性稳压器和开关电源作了一个对比。

 

 

 

 

 70 年代以来，开关型稳压电源在世界工业化国家中已普遍成为商品，以其自身功耗小、体积小、重量轻的优点，得到越来越广泛的应用；尤其适用于大功率且负载固定、输出电压调节范围不大的场合。到了 80 年代，开关电源技术不断有新的突破，出现了许多不同种类。
4.1.2 基础知识
1． DC/DC转换器原理
DC/DC 转换器，通常是以 PWM 控制信号控制导通元件的导通时间和截止时间的比值(也即Duty Cycle，占空比)，再使用电感或电容做为电能储存装置，让输出电压在有限的输入电压和负载电流范围内保持固定，把电能从输入端转送至电源输出端。由此也可以看出，导通元件的阻抗和电感的直流阻抗越小，功耗就越少，转换效率也越高。DC/DC 转换器按调整管与负载的连接方式可分为串联型、并联型：? 在串联型 DC/DC 转换器里，开关管与负载串联，输出电压总是小于输入电压，故又被称为降压型 DC/DC 转换器（ Buck Converter）；? 在并联型 DC/DC 转换器里，开关管与负载并联，输出电压大于输入电压，故又被称之为升压型 DC/DC 转换器（ Boost Converter）。本节主要介绍降压型 DC/DC 转换器和升压型 DC/DC 转换器电路的工作原理。
（ 1）降压型 DC/DC 转换器
降压型DC/DC转换器电路如图 4.1所示。

 

 

 

 

图 4.1 降压型 DC/DC 转换器原理图
输入的电压 UI 是未经稳压的直流电压，三极管 T为开关管， uB 为控制开关管的工作状态的矩形波， D为续流二级管。
a．开关管导通
当 uB 为高电平时， T 饱和导通， D 因承受反压而截止，输入电压 UI 经开关管对电感充电并供应电压至电容 C 及负载，此时电感的电压：U（ L 充电） = UI － UO
b．开关管截止
当 uB 为低电平时， T 截止，此时虽然发射极电流为零，但是电感电压的极性反转， L 释放能量，其感生电动势使 D 导通，与此同时电容 C 也对负载放电，负载电流方向不变，发射极电位uE = －UD ≈ 0。此时电感的电压：
U（ L 放电） = －（ UD + UO）
c．输出电压 UO 和 UI 的关系
首先需要介绍电感电压的伏特－秒平衡（ Volt-second balance）关系，这个关系指出：“电感充放电周期内，充电周期的电感电压与充电时间的乘积等于放电周期的电感电压与放电时间的乘积。” [1]
也就是说， U（ L 放电） × 放电时间 ＝ U（ L 充电） × 充电时间； 即可由此列出下式：
U（ L 放电） (1 － D)T ＝ U（ L 放电） DT[2]
将上文里求出的 U（ L 充电） = UI － UO 和 U（ L 放电） = －（ UD + UO） 代入上式即可求得UO 和 UI 的关系如下所示：
?

 

由此看出，此电路的输出电压 UO 必比输入电压 UI 小，故本转换器可实现降压的功能.
[1] 电感充电放电过程中电流是对称的，即充电过程电流与放电过程中电流对应的大小是相等的，而能量＝ UIt，所以根据充电能量＝放电能量，可得知： Ut 是常量。
[2] T 为开关管的切换周期， D 为开关管的占空比， 0 ＜ D < 1

 

（ 2）升压型 DC/DC 转换器
图 4.2所示为升压型DC/DC转换器的基本电路。

 

 

 

 

 
图 4.2 升压型 DC/DC 转换器原理图
a．开关管导通
电容 C 已被充电的情况下，当开关管导通，二极管 D 承受反向电压因而截止，此时输入电压对电感充电，此时电感电压 UL＝UI，电容对负载放电。
b．开关管截止
而当开关管截止时，电感电压极性反转使二极管承受正向压降从而导通，并对电容 C 及负载放电。
此时电感的电压为 UL＝－（ Uo＋UD－UI）。
c．输出电压 UO 和 UI 的关系

 

综上所述，根据伏特－秒平衡关系同理可得：
 

 由于 0 ＜ D ＜ 1，此电路的输出电压必会比输入电压大，故本转换器可实现升压的功能。

 

 

 

2． 开关电源的纹波
（ 1）什么是纹波？
开关电源输出的不是纯正的直流电压或电流， 里面叠加了一些交流分量，这些交流分量是输出直流电压时的波动，也就是纹波(ripple)，往往由周期性与随机性成分的杂波信号组成。狭义上的纹波电压，是指输出直流电压中含有的工频交流成分，见图 4.3，从这幅图可以看到，纹波在直流电压上下轻微波动，就像水平面上波动的水纹一样

 

 

 

 

 （ 2）重视纹波的意义
对于开关电源的使用而言，电源纹波是一个非常重要的概念，因为电源纹波会严重影响到用电器的使用：
? 纹波电压高了，有可能使电子产品产生谐波、调制等，干扰正常的工作状态；
? 纹波降低了电源的转换效率，一部分能源被浪费在输出纹波上；
? 较强的纹波会造成浪涌电压或电流的产生，导致用电器被烧毁；
? 纹波信号可能会干扰信号的正常传递；
? 纹波可能会干扰数字电路的逻辑关系，导致数字电路误动作；
? 会带来噪音干扰，使图像设备、音响设备不能正常工作。例如，喇叭或听筒发生嗡嗡的杂音，这可能是音频范围内的类似正弦波的纹波信号推动喇叭的纸盆或话机的听筒而形成杂音。
（ 3）纹波的表示方法
纹波可以用有效值或峰值来表示，或者用绝对量、相对量来表示，其单位通常为 mV。例如，一个电源工作在稳压状态，其输出为 12V 5A，测得纹波有效值为 10mV，这 10mV就是纹波的绝对量，而相对量即纹波系数 = 纹波电压 ÷ 输出电压 = 10mV ÷ 12V = 0.08%。
注： 1V ＝ 1000mV。
（ 4）纹波的产生
产生电源纹波的因素有许多，即使用电池供电也会因负载的波动而产生纹波。按照来源或频率，纹波主要分为 5 类：来自工频变压器的纹波、高频干扰脉冲、来自于寄生电容或电感的纹波、开关器件产生的纹波、调节控制环路引起的纹波。
来自工频变压器的纹波：
低频纹波主要来自工频 50Hz 变压器，这个变压器在我国的供电中是最常用的。纹波电压的频率常常是 50nHz， n 取自然数，大小取决于整流电路的类型；所以这种电源的输出端纹波幅值小，较易滤除，通常纹波可做到几 mV。
高频干扰脉冲：
高频干扰的幅值和频率通常都非常大，一般大于其它类型的纹波：
? 开关电源的开关管在导通和截止的瞬间，会产生一个频率与开关上升与下降的频率值相同或奇数倍的噪声， 一般为几十 MHz。这个噪声的振幅很大程度上与开关电源的拓扑、电路中的寄生状态及 PCB 的设计有关；
? 二极管在反向恢复瞬间， 其等效电路为电阻电容和电感的串联，这会引起谐振，引发的噪声频率也为几十 MHz；
? 高频变压器的漏感也会产生高频干扰。
来自于寄生电容或电感的纹波：
开关管与散热器底板和变压器原边与副边之间存在寄生电容，导线存在寄生电感，因此当电压作用于功率器件时，导致开关电源输出共模纹波噪声。
调节控制环路引起的纹波：
实际电路中控制环路要有时间响应，不能做到线性调节，故输出电压瞬间会忽高忽低，由此产生了纹波。
开关器件产生的纹波：
随着开关，电感中的电流会发生波动；所以在开关电源输出端也会出现一个与开关频率相同的纹波，可能为几十到几百 KHz，其大小与开关电源输出电容的容量及 ESR 有关。
表 4.2给出了基本类型开关电源电路里开关器件产生的纹波的计算（ D为占空比、 L为储能电感、 C为滤波电容、 fs为开关频率）。