20190920 DCDC电路的开关频率与效率低的关系

什么是DC/DC转换器？

本资料为DC/DC转换器电路的设计提供一些提示，尽量用具体事例说明在各种制约条件下，怎样才能设计出最接近要求规格的DC/DC转换器电路。

DC/DC转换器电路的各种特性（效率、纹波、负载瞬态响应等）可根据外设元件的变更而变更，一般最佳外设元件因使用条件（输入输出规格）不同而不同，例如，当您问“怎样才能提高效率？”，回答“视使用条件而不同”或者“那要看具体情况啦”，感觉好像被巧妙地塘塞过去了，估计您也遇到过这样的情况吧。那么，为什么会出现这样的回答呢？其理由就是因为电源电路大多使用市售的商品作为电路的一部分，所以必须既要考虑大小、成本等的制约又要考虑电气要求规格来设计。

通常产品目录中的标准电路选定的元件大多是在标准使用条件下能发挥一般特性的元件，因而，并不一定能说在各种使用条件下都是最佳的元件选定。所以在各个设计中，必须根据各自的要求规格（效率、成本、贴装空间等）从标准电路进行设计变更。但要能设计出符合要求规格的电路，需要足够的知识和经验。

本资料就用具体的数值为不具备这些知识和经验的人说明哪些元件如何改变就能达到要求的动作，这样不需要进行复杂的电路计算就能快捷地使DC/DC转换器电路正常工作。至于正常工作后对设计的检验，可以自己以后细细地计算，也可以一开始就请具有丰富知识和经验的人进行检验。

DC/DC转换器的种类和特点

DC/DC转换器电路根据其电路方式主要有以下一些：

非绝缘型
- 基本（单线圈）型
- 电容耦合型双线圈 SEPIC, Zeta,…
- 电荷泵（开关电容／无线圈）型
绝缘型
- 变压器耦合型正向
- 变压器耦合型回扫

表１所示为各方式的特长。
电路方式		元件数目（贴装面积）	成本	输出功率	纹波
非绝缘型	基本型	少	便宜	大	小
	SEPIC、Zeta	中等程度	中等程度	中等程度	中等程度
	电荷泵	少	中等程度	少	中等程度
绝缘型	正向变压器	多	昂贵	大	中等程度
绝缘型	回扫变压器	中等程度	中等程度	中等程度	大

基本型系指通过将电路工作限定为只升压或者只降压来最低限度地减少元件数目，输入侧和输出侧没有电气绝缘的类型。图1所示为升压电路，图2所示为降压电路，这些电路具有小型、便宜、纹波小等优点，随着设备的小型化对它们的需要在增加。

图1．升压型

图2．降压型

SEPIC、Zeta分别是在基本型的升压电路、降压电路的VIN－VOUT间插入电容器，并增加了一个线圈。而且，都可通过使用升压DC/DC转换器控制IC、降压DC/DC转换器控制IC构成升降压DC/DC转换器。但有些DC/DC转换器控制IC没有设计成用于这些电路方式，故在选用时需要注意。这些电容耦合双线圈型具有VIN-VOUT间能够绝缘的优点，但因增加线圈和电容器，效率会变低，尤其是降压时效率也大幅降低，是通常的70%～80%左右。

电荷泵型因为不需要线圈，所以其优点在于贴装面积、贴装高度都小，然而因其对多种输出电压和大电流不易制作效率好的电路，所以也有用途被限制在白LED驱动用和LCD用电源等的一面。

绝缘型的也被称为一次电源（主电源），主要被广泛用于从商用电源（AC100V～240V）变压为DC电源的AC/DC转换器、因去除噪声等理由输入侧和输出侧需要绝缘等时。因为它们使用变压器将输入侧和输出侧分离，故可以通过改变变压器的匝数比和二极管极性来构成升压／降压／反转等控制，从而，能从一个电源电路获得多个电源。尤其是使用回扫变压器的因能由较少的元件构成，有时也被用作二次电源（局部电源）电路。但是，由于回扫变压器需要用于防止内核磁饱和的空隙，所以外形尺寸较大。而正向变压器虽然易于获得大功率电源，但在一次侧需要用于防止内核磁化的复原电路，因而元件数目增加。变换器控制IC也需要输入侧和输出侧的GND分离的。

DC/DC转换器的基本工作原理

我们拿最基本的基本型来说明一下DC/DC转换器电路的升压和降压的工作原理。其它使用线圈的电路方式在升压电路和降压电路的组合或应用电路都可见到。

图3、图4说明了升压电路的工作。图3所示是FET为ON时的电流路径，虚线虽是微小的漏电流，但会使轻负载的效率变差。在FET为ON的时间里在L积蓄电流能。图4是FET为OFF时的电流路径，FET即便OFF，L也在工作要保持OFF前的电流值，线圈的左端被强制性固定于VIN，进行升压工作提供足以给VOUT接上电压的电源功率。

由此，FET的ON时间长L里积蓄的电流能越大，越能获得电源功率。但是，FET的ON时间太长的话，给输出侧供电的时间就极为短暂，FET为ON时的损失也就增大，变换效率变差。因而通常限制占空比的最大值以便不超过适宜的ON/OFF时间比（占空比）。

升压工作就是反复进行图3、图4的状态。

图3．升压电路中FET为ON时的电流路径

图4．升压电路中FET为OFF时的电流路径

图5、图6说明了降压电路的工作。图5所示是FET为ON时的电流路径，虚线虽是微小的漏电流，但会使轻负载时的效率变差。在FET为ON的时间里在L积蓄电流能的同时为输出供电。图6是FET为OFF时的电流路径。FET即便OFF，L也在工作要保持OFF前的电流值，使SBD为ON。此时，由于线圈的左端被强制性地降到0V以下，VOUT的电压下降。

由此，FET的ON时间长L里积蓄的电流能越大，越能获得大功率电源。降压时，由于FET为ON时也能给输出供电，所以不需要限制占空比的最大值，因而输入电压低于输出电压时，FET为常ON状态，不能进行升压工作，故输出电压也降低到输入电压以下。

降压工作就是反复进行图5和图6的状态。

图5．降压电路中FET为ON时的电流路径

图6．降压电路中FET为OFF时的电流路径

DC/DC转换器回路设计的4个要点

DC/DC转换器电路所要求的规格中应重视的项目如下：

稳定工作(＝不会因异常振动等误动作、烧损、过电压而损坏)
效率大
输出纹波小
负载瞬态响应好

这些可通过变更DC/DC转换器IC和外设元件得到某种程度的改善。这4个项目的加权因各项具体应用而不同，下面从选择各元件的观点出发，以怎样才能改善这4个项目为中心进行说明。

选择DC/DC转换器的开关频率