1.2.2電感式開關(guān)電源

　　利用電感的儲能的特性，通過可控開關(guān)進行高頻開關(guān)的動作，將輸入的電能儲存在電感里，當開關(guān)斷開時，電能再釋放給負載，提供能量。其輸出的功率或電壓的能力與占空比(由開關(guān)導通時間與整個開關(guān)的周期的比值)有關(guān)。

　　電感式DC-DC的特點有：

　?、?nbsp;功耗小，效率高。它通過使用低電阻開關(guān)和磁存儲元件，極大地降低了轉(zhuǎn)換過程中的功率損失，其效率可高達到96%。

　?、?nbsp;穩(wěn)壓范圍寬。從開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓是由激勵信號的占空比來調(diào)節(jié)的，輸入信號電壓的變化可以通過調(diào)頻或調(diào)寬來進行補償，這樣，在工頻電網(wǎng)電壓變化較大時，它仍能夠保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。所以開關(guān)電源的穩(wěn)壓范圍很寬，穩(wěn)壓效果很好。

　?、?nbsp;濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減少。

　?、?nbsp;電路形式靈活多樣。有自激式和他激式，有調(diào)寬型(PWM)和調(diào)頻型(PFM)，有單端式和雙端式等，設(shè)計者可以發(fā)揮各種類型電路的特長，設(shè)計出能滿足不同應用場合的開關(guān)穩(wěn)壓電源。

　?、?nbsp;可以輸出大電流，靜態(tài)電流小。如Linear Technology的LTC3417，其中的一路可以輸出最大14 A的電流，停機電流小于1 μA。

　?、?nbsp;電感式開關(guān)電源存在較大的輸出紋波和開關(guān)噪音。

　　⑦ 需要的外圍元件多，電路設(shè)計比較繁瑣，特別是輸出可調(diào)的開關(guān)電源，需要計算分壓電阻、電感、濾波電容的取值。當然也有一些公司的開關(guān)穩(wěn)壓芯片外圍電路非常簡單，只需要一個電感器、一個輸入濾波電容、一個輸出濾波電容即可，如TI的芯片。

　　⑧ 成本相對較高。國外一些廠商的高效率DC-DC批量的價格在2美元以上，零售價一般在20元左右。

　　電感式DC-DC適用于輸出電流較大、要求較高效率的電池供電場合。

　　2各類芯片的優(yōu)缺點比較

　　表1是以上所述的4種電源芯片的比較。

　　表14種電源芯片的比較

　　3選擇電源芯片需要遵循的原則

　?、?nbsp;明確輸入電壓(或范圍)和輸出電壓，根據(jù)輸入輸出的大小關(guān)系決定選擇降壓、升壓或升降壓芯片。如果是降壓，則可以選擇線性穩(wěn)壓器、電容式DC-DC(即電荷泵)或降壓DC-DC(當然升/降壓DC-DC也可以，考慮到性價比沒有必要這樣選);如果是升壓或者升/降壓，則只能選擇DC-DC轉(zhuǎn)換器(電容式或者電感式升壓DC-DC)。

　?、?nbsp;如果是降壓，考慮效率，需要計算輸入與輸出之間的壓差。若這個壓差很小(遠遠小于1 V)，則可以考慮選擇低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO);若這個壓差在1 V以上，則可以考慮選擇普通線性穩(wěn)壓器或者電感式降壓DC-DC。如果對效率沒有要求，兩種線性穩(wěn)壓器都可以的情況下，追求更低成本則可以選用普通線性穩(wěn)壓器。

　　③ 在線性穩(wěn)壓器和DC-DC穩(wěn)壓器都可以的情況下，若把轉(zhuǎn)換效率放在第一位，則可以選擇DC-DC穩(wěn)壓器;若對價格限制得很嚴格，并且要求較小的紋波和噪聲，則可以考慮選用線性穩(wěn)壓器。

　?、?nbsp;在使用電池供電時，若要求較長的電池使用時間，需要優(yōu)先考慮效率，無論是升壓、降壓、升/降壓都可以選用DC-DC轉(zhuǎn)換器。為獲得較高的效率，此時需要參照DC-DC轉(zhuǎn)換器芯片手冊里邊的效率隨負載電流變化曲線，要根據(jù)負載電流選擇合適的DC-DC轉(zhuǎn)換器，確保穩(wěn)壓器達到較高的效率。

　?、?nbsp;為保證電池供電系統(tǒng)電源負荷變化較大應用的效率，最好選擇 PFM/PWM自動切換控制式的 DC-DC變換器。PWM的特點是噪音低、滿負載時效率高且能工作在連續(xù)導電模式，PFM具有靜態(tài)功耗小，在低負荷時可改進穩(wěn)壓器的效率。當系統(tǒng)在重負荷時由PWM控制，在低負荷時自動切換到PFM控制，這樣能夠兼顧輕重負載的效率。在備有待機模式的系統(tǒng)中，采用PFM/PWM切換控制的DC-DC穩(wěn)壓器能夠得到較高效率。這樣的電源芯片有TPS62110/62111/62112/62113、MAX1705/1706、NCP1523/1530/1550等。

　?、?nbsp;不要“大牛拉小車”或“小牛拉大車”。選用電源芯片時為保證電源的使用壽命，需要留有一定的裕量，較合適的工作電流為電源芯片最大輸出電流的70%～90%。如果用一個能輸出大電流的穩(wěn)壓塊來帶動一個小電流的負載，雖然說驅(qū)動能力沒有問題，但是可能會帶來兩個問題，一方面成本會提高;另一方面選用DC-DC轉(zhuǎn)換器時效率可能會非常低，因為一般的DC-DC在輸出電流非常小或者非常大的時候效率都比較低。當使用線性穩(wěn)壓器(特別是普通線性穩(wěn)壓器)的時候，輸出電流要盡量留出較多的裕量，因為線性穩(wěn)壓器的壓降都消耗在穩(wěn)壓芯片上了，過大的負載電流會造成較為嚴重的發(fā)熱，這一點很容易從式1中看出。所以使用普通線性穩(wěn)壓器應該留有更大的裕量。

　?、?nbsp;對于電池供電的系統(tǒng)，靜態(tài)電流和效率是需要重點關(guān)注的參數(shù)，因為這直接關(guān)系到電池的使用壽命。靜態(tài)電流是與負載電流大小幾乎無關(guān)的消耗，越小越好。效率是能夠轉(zhuǎn)為有效利用能量多少的量度，同樣容量大小的電池，電源的效率越高，靜態(tài)電流越小，電池的使用時間就越長。

　　⑧ 輸出電流大時應采用降壓式 DC-DC變換器。便攜式電子產(chǎn)品大部分工作電流在300 mA以下，并且大部分采用AA鎳鎘、鎳氫電池，若采用 1～2節(jié)電池，升壓到3.3 V或5 V并要求輸出500 mA以上電流時，電池壽命不長或兩次充電間隔時間太短，使用不便。這時采用降壓式DC-DC變換器，其效率與升壓式差不多，但電池充電間隔時間要長得多。

　?、?nbsp;需要負電源時盡量采用電荷泵。便攜式儀器中往往需要負電源，由于所需電流不大，采用電荷泵組成電壓反轉(zhuǎn)電路最為簡單，若要求噪聲小或要求輸出穩(wěn)壓時，可采用帶 LDO線性穩(wěn)壓器的電荷泵芯片。如MAX1720，可以輸出50 mA的電流，關(guān)斷電流只有0.4 μA，輸出負壓的絕對值小于輸入電壓，在此范圍內(nèi)可以外加分壓電阻進行調(diào)節(jié)。MAX868輸出電流為30 mA，0.1 μA關(guān)斷電流，30 μA靜態(tài)電流，具有可調(diào)的輸出范圍(0~2Vin)，具有電源關(guān)斷控制引腳和450 kHz的開關(guān)頻率。

　?、?nbsp;特別要注意LDO和Buck(或StepDown)型的特性。DC-DC只能降壓(相對輸入電壓)輸出，盡管有的芯片手冊中給出的輸出范圍很寬。芯片手冊中標定的輸出電壓范圍很多都是針對芯片的輸入電壓范圍的，即針對一個較小的電壓范圍，輸出是達不到給定的輸出的，只可能比輸入電壓低，不可能超過輸入電壓的。如Linear Technology的降壓型的 DC-DC轉(zhuǎn)換器LTC3417,手冊中在DESCRIPTION一節(jié)給出的是每一路輸出為從0.8～5 V可調(diào)[3]，但根據(jù)降壓轉(zhuǎn)換器的原理可知，輸出與輸入是密切相關(guān)的，并且只能比輸入電壓低。如果輸入為25～42 V，輸出不可能會高于4.2 V，這一點要特別注意。一樣的情形也會在線性穩(wěn)壓器中出現(xiàn)，特別是輸出可調(diào)的線性穩(wěn)壓器，特別容易忽視的一點是，無論怎么可調(diào)，輸出肯定比輸入低一個壓差(Dropout Voltage)，對于初學者特別容易犯這樣的錯誤，應該引起高度重視。

　　從電路設(shè)計的復雜程度來說，LDO的設(shè)計最簡單，電荷泵次之，電感式DC-DC最為復雜。一般來說，LDO(固定輸出版本)的設(shè)計只需要外接2個陶瓷電容器即可;電荷泵一般需要3～4個電容;電感式DC-DC的設(shè)計需要計算電感值、分壓電阻值、輸入輸出電容的值等，需要的外圍元器件最多，為PCB布局、走線、焊接、調(diào)試增加了難度。

　　方便進行電源管理。為滿足便攜式系統(tǒng)節(jié)能的要求，在為便攜式系統(tǒng)選擇電源芯片時注重選擇具有關(guān)斷控制管腳的芯片。這里需要采取分區(qū)供電的方式，在不需要使用這些某些外設(shè)時，方便把該部分外設(shè)的電源關(guān)掉，從而達到節(jié)能的目的。

　　結(jié)語

　　電源的設(shè)計優(yōu)劣關(guān)乎系統(tǒng)設(shè)計的成敗，對于電子系統(tǒng)的設(shè)計者來說，應該引起足夠重視。也許當你發(fā)現(xiàn)辛辛苦苦設(shè)計的系統(tǒng)僅僅是由于電源問題而無法正常工作的時候，才會真正意識到電源設(shè)計的重要作用。需要指出的是，電源的很多指標是不可能同時兼顧的，往往需要在效率、噪聲性能、紋波、成本等方面進行折中考慮。此外，為簡化計算，很多電源廠商的網(wǎng)站上都有在線設(shè)計工具，輸入相應的指標就可計算出相關(guān)元器件的參數(shù)取值，這樣可以提高設(shè)計效率。但是，這并不意味這樣就不需要仔細看芯片手冊了，工具不是萬能的，某些需要的電源工作模式在工具設(shè)計中不一定可以體現(xiàn)出來，這就需要仔細研讀芯片手冊，在讀懂的基礎(chǔ)上靈活應用。