DC指“直流”，即電路中穿過導體由A點至B點的單向電流。DC-DC轉換最基本的定義就是通過零輸出阻抗和無噪聲電路，將DC電壓轉換為另一種DC電壓 (即使是相同電壓).

　　DC-DC的工作原理與組成

　　開關穩(wěn)壓器中內置開/關功率開關 (大部分情況下采用垂直金屬氧化物半導體，簡稱VMOS，也可以是雙極型器件)。功率開關的開/關周期確定累積，然后傳送給負載的能量。而線性穩(wěn)壓器利用電阻兩端的壓降調節(jié)電壓，功效非常低。相對來說，開關穩(wěn)壓器幾乎不存在功率耗散! 其秘密就在于功率開關。當開關打開時，開關兩端電壓高，但電流為零。開關閉合時，穿過開關的電流高，而電壓為零!。由于電感器的電壓和電流90度反相 (而且沒有DC壓降)，因此開關穩(wěn)壓器的功效非常高。

　　DC/DC轉換器的基本工作原理是：開關管在控制電路的控制下工作在開關狀態(tài)。開關管導通時，電壓經開關管、儲能電感和電容構成回路，充電電流不但在電容兩端建立直流電壓，而且在儲能電感上產生左正、右負的電動勢;開關管截止期間，由于儲能電感中的電流不能突變，所以，電感通過自感產生右正、左負的脈沖電壓。于是，電感右端正的電壓→濾波電容一續(xù)流二極管→電感左端構成放電回路，放電電流繼續(xù)在電容兩端建立直流電壓，電容兩端獲得的直流電壓為負載供電。

　　DC-DC轉換器一般由哪些部分組成?

　　開關型DC-DC轉換器一般由控制芯片 開關管(K)，電感線圈(L)，二極管(D)，電容器(C )構成。

　　線性型DC-DC轉換器,主要部分是線性調節(jié)器,由晶體管,齊納二極管,和偏置電阻等組成

　　DC-DC轉換器原理及應用

　　當您電池的最后一焦耳電能被耗盡時，功耗和效率就將真正呈現(xiàn)出新含義。以一款典型的手機為例，即使沒有用手機打電話，LCD屏幕亮起、顯示時間及正在使用的網(wǎng)絡運營商等任務也會消耗電力。如果它是一款更高級的手機，還可以播放您喜愛的MP3音樂或瀏覽視頻數(shù)據(jù)。不過，每為手機增加一種功能，實際上也增加了電池的負擔。對于大多數(shù)手機設計者來說，能否延長可用電力的使用時間是您的手機在下次充電前能夠持續(xù)多久的關鍵。這意味著電力需要在各種功能模塊間小心謹慎地保護和預算，以最大限度地延長電池壽命和使用。

　　要實現(xiàn)真正的效率，并不僅僅意味著DC-DC轉換器在負載指定的某個操作點可以獲得多高的效率，而是在DC-DC轉換器整個載荷范圍內這種高效率能夠維持多久。一般來說，大部分DC-DC轉換器都指定可以達到的最大效率數(shù)字，而且人們也通過選擇一個非常大的數(shù)字(如95%)，毫不猶豫地選擇一個合適的轉換器。然而，要真正地充分利用這個效率，還需要把轉換器的曲柄轉到可以實現(xiàn)最大功率轉換的操作點上。如果未轉到這個點，就不能達到95%的效率。而且因為這個問題，根據(jù)所應用的載荷，有時甚至達不到60%的效率。

　　圖1 典型效率曲線

　　圖1顯示在A點可達到95%的效率，在B點卻只能達到60%甚至更低的效率。對于便攜式消費產品，操作點或負載標尺上的這種差異將非常重要，因為大部分這些電子器件都有多種功能(如播放音樂、拍照或撥打電話)，每種功能都要求一個不同的操作點或不同的DC-DC調節(jié)器有效負載。對于那些用戶未調用的功能，DC-DC源的功率負載會非常輕，95%的效率將會銳減為50%甚至更低，因為是在圖1中的B點。

　　以智能手機為例，在智能手機中，為AP(應用處理器)IO或核心電壓供電的DC-DC轉換器將在多長時間內把電池內的電力耗盡，這點非常重要。假設您的手機電池在正常使用時(即主要是撥打語音電話)可持續(xù)供電最多2～3天。在這段時間(48～72小時)，通常只有一小部分電力用于娛樂活動，如照片的拍攝和瀏覽或者MP3音樂的播放。它意味著在剩余時間，手機不需要AP完成太多任務;可能只是在AP處于待機或休眠模式中用來刷新DDR存儲器。因此，如果AP經常處于這些模式中，它帶給轉換器的負載將在標尺的輕負載一端，即B點。這表示，AP調節(jié)器的功率將永遠以50%甚至更低的功效運行，使它成為電池的一個最大消耗源。可見，僅選擇一個具有高效率規(guī)范的DC-DC調節(jié)器是不夠的。還需要確保調節(jié)器在整個負載范圍內都能提供高效率，尤其在輕負載和滿負載時。

　　圖2 提高輕載荷時的效率

　　針對這一問題，需要創(chuàng)新的解決方案。以飛思卡爾推出的一種全新的DC-DC降壓轉換器為例，它可在輕負載時提供高效率。MC34726/7系列是同步降壓轉換器，可以提供高達300mA或600mA的電流，同時實現(xiàn)90%的高效率。轉換器的效率如圖2所示，它可以在整個負載范圍維持高效率，在接近最高負載時達到頂峰。對于輕負載(B點)，效率也能維持在80%以上。該器件利用專用的可調節(jié)Z因子模式(Z-Mode)切換架構，實現(xiàn)了PWM和PFM間平穩(wěn)的轉換，而不會犧牲瞬態(tài)響應、偏壓電流或效率。因此，Z-Mode架構極大地提高了負載電流轉換期間的性能，在提供更好的瞬態(tài)響應的同時，仍在“休眠”Z-Mode中維持輕負載65μA的低偏壓電流。

　　圖3 典型應用圖

　　該器件接受2.7～5.5V的輸入電壓范圍，并能夠在300mA/600mA的持續(xù)負載電流中提供0.8～3.3V的輸出電壓。此外，其2MHz或4MHz的高交換頻率也使得它非常適合空間受限的便攜式器件，如手機、PDA、DSC、PND、GPS、PMP和其他便攜式儀器。圖3顯示的是該器件的一個典型應用。

DC-DC轉換器芯片的技術參數(shù)

　　輸入、輸出與效率

　　DC-DC轉換器的輸入電壓要求在特定的范圍里，輸入電壓太低，無法提供足夠的能量，輸入電壓太高，芯片無法承受。LDO工作效率隨著輸入電壓增加而減少，而DC-DC芯片效率與輸入電壓關系不大，這是DC-DC最大的優(yōu)點之一。

　　輸出電流能力是內含F(xiàn)ET的DC-DC轉換器的的最重要的參數(shù)，ON的DC-DC器件NCP3102能輸出高達10A的電流，可滿足您對電源的苛刻要求。

　　效率定義為輸出功率除以輸入功率，而更高的效率意味著高效的電源管理，ON的DC-DC器件NCP1595效率高達95%。

　　軟啟動

　　硬啟動電路剛開始工作時，由于輸出電容上并沒有積蓄能量，因此電壓很低，電路的反饋回路檢測到低電壓值時，將會采用最寬的PWM來盡快使輸出電壓上升，但是此過程由于反饋回路反應很快，因此容易造成電流過沖，損壞電路元件。

　　應用軟啟動技術，優(yōu)點在于：

　　輸出電壓上升的速度減慢，啟動電流得到控制，從而保護了負載;

　　大大降低了對前級電源瞬輸出態(tài)功率的要求;

　　ON大部分的器件支持軟啟動技術。

　　上下電順序控制

　　建立和維持合適的電源環(huán)境對系統(tǒng)的正常運行至關重要，特別是FPGA、DSP、ARM等處理器的設計中，為了避免閂鎖、浪涌電流或I/O爭用等問題，可能需要多達4到5路或更多個電源按照規(guī)定的順序和斜率進行上下電。此外，許多應用還要求上電順序和緩上電斜率可調節(jié)，以適應各種不同的情況。

　　NCP3120/3221/3122/3123集成上下電控制功能，而且還支持級聯(lián)工作。

　　電壓模式控制和電流模式控制

　　控制開關DC-DC變換器的反饋回路和穩(wěn)壓特性有兩種方法：電壓模式控制和電流模式控制。

　　在電壓模式控制中，變換器的占空因數(shù)正比于實際輸出電壓與理想輸出電壓之間的誤差差值;在電流模式控制中，占空因數(shù)正比于額定輸出電壓與變換器控制電流函數(shù)之間的誤差差值(控制電流可以是非隔離拓撲結構中的開關電流或隔離拓撲結構中的變壓器初級電流)。

　　電壓模式控制只響應輸出(負載)電壓的變化。這意味著變換器為了響應負載電流或輸入線電壓的變化，它必須“等待”負載電壓的相應變化。這種等待延遲會影響變換器的穩(wěn)壓特性。

　　假若可以在單個變換周期內響應負載電流的變化，則“等待”問題和與電壓模式控制有關的相應負載調整補償可以消除，而用電流模式控制可以做到這點。電流模式控制在逐個脈沖上控制輸出電流，換言之，電流模式控制比電壓模式控制有著更優(yōu)越的輸入瞬態(tài)響應和輸出瞬態(tài)響應。

　　開關模式與頻率

　　DC-DC轉換器工作頻率越高意味著外部電路體積更小，能提供更高的功率密度，在一定程序上，輸出波紋也會變小。

　　PWM (pulse width modulation) 脈沖寬度調制：控制頻率恒定而脈沖寬度可變。這種調制方式應用得最廣泛。

　　PFM (pulse frequency modulation) 脈沖頻率調制：基準振蕩器的導通時間固定，而頻率可變。在負載比較輕的時候這種調制方式用得比較多。

　　ON的DC-DC器件NCP1526、NCP1522B、NCP1523B工作頻率高達3000KHz。

封裝

　　根據(jù)國內外發(fā)展現(xiàn)狀，無鉛封裝的電子元件已經廣泛使用，ON的DC-DC器件都可提供無鉛綠色封裝(Pb-Free)。

　　工作溫度范圍

　　ON的DC-DC器件提供商用級、工業(yè)級及汽車級的芯片。針對您的工作場合，選擇合適的器件。

　　過熱關斷

　　DC-DC芯片里集成了MOSFET，大電流流經芯片就會發(fā)熱，雖然芯片效率較高，芯片的發(fā)熱可以得到有效控制。但是，為了保護自身，所有轉換器芯片都集成了過熱保護功能。器件如果在使用過程中自身溫度過高，轉換器會自動停止工作并等待溫度降低到額定工作溫度范圍。

　　ON的DC-DC器件已經集成了過熱關斷功能。

　　集成度

　　隨著半導體技術的發(fā)展，表面貼裝的電感器、電容器以及高集成度的電源控制芯片的成本不斷降低，DC-DC轉換器體積越來越小。當出現(xiàn)了導通電阻很小的MOSFET后，不需要外部的大功率FET就可以輸出很大功率，譬如ON的NCP3101(6A)， NCP3102(10A)!

　　隨著集成度的提高，許多新型DC-DC轉換器僅需要外接幾只電感器和濾波電容等就可以工作，簡化了電路的設計和提高了產品的可靠性，如NCP1595等。

　　如何提高DC-DC轉換器的抗干擾性?

　　DC-DC轉換會形成大量潛在噪聲源。線性和開關調節(jié)器本身會發(fā)射電噪聲 (如熱噪聲、1/f噪聲和散粒噪聲)。熱噪聲是導體中的載流子隨機熱激勵振動造成的。閃變噪聲 (1/f) 是一種低頻噪聲。半導體器件中的1/f 噪聲主要與材料表面特性有關。散粒噪聲是電流不是平穩(wěn)、連續(xù)地通過器件時產生的一種現(xiàn)象，實際是一些脈沖電流的總和 (載流子流動產生的，每一路載有一個電子電荷)。當然，除這些電噪聲源外，開關頻率處 (開關調節(jié)器中) 存在的輸出電壓尖峰脈沖，以及每類調節(jié)器 (線性和開關式) 頻率范圍內的輸出負載，由于兩類DC-DC轉換器負載和線性調節(jié)特性的限制也會形成噪聲。探測和檢查噪聲的發(fā)生及其頻率，以便了解其對DC-DC轉換器輸出端供電器件的影響是最基本的要求

　　a必須認真確定電路功率要求和穩(wěn)壓器輸出特性。

　　b通過增加必要的電源去耦電容，進一步濾除線性調節(jié)器輸入和輸出中不希望出現(xiàn)的紋波來加以改善, 去耦可以非常有效地濾除 (頻帶限制) 線性調節(jié)器的噪聲功率

　　c必須認真考慮這種熱量轉換因素,減少熱噪聲

　　d電源設計最好考慮并聯(lián)，而不是串聯(lián)組件。防止噪聲疊加

　　e實現(xiàn)電源“點對點布線”，即每個電源組件背面布線連接DC-DC轉換器Vout，電源層布線接地。電源“點對點”布線實際迫使感應跡線與電源組件串聯(lián)。這樣，電感器有助于并可以實際起到濾除DC-DC轉換器噪聲，以及組件饋入DC-DC轉換器Vout噪聲的作用。以這種方法連接，電源電路組件彼此之間以及與DC-DC轉換器可以隔離! 當然，電源電路接地絕不能采用這種連接方法。DC-DC轉換器基準腳是GND端口 (Vin至Vout的公用基準)。如果您想將電路作為DC-DC轉換器的基準，從而使其成為Vout和Vin的基準，地線不得含有感應，構成理想的接地層。這樣可以保證基準電路! 當去耦電容放在組件電源引腳時，電容的分流作用可在需要交流電源時為組件電源引腳供電，同時將組件產生的噪聲接地。正確設計電源層往往是PCB設計最主要的部分。

　　f請記住，地線是基準 (在盡可能大和寬的范圍內記住這一點)，其他所有線路都可以視為信號線，然后根據(jù)所需最大性能設計跡線!

　　g 如果涉及電源外部干擾應該可以考慮加金屬屏蔽殼。

DC-DC轉換電路設計的時候，PCB布線需要注意哪些方面?

　　a最理想的PCB布局需要將固態(tài)電源和接地層連接電源電路的組件。但實際環(huán)境下很快會出現(xiàn)操作上的限制。出于成本考慮，PCB設計需要采用簡單的單面或雙面布局。因此，設計師往往首先重點考慮所有信號跡線的連接，然后，無論所剩空間多大，再考慮電源和地線布局。這種情況會使設計脫節(jié)，而且一般會增加多余的寄生阻抗，實際上這是造成大部分電路性能下降問題的主要原因。

　　b設計師只要記住電路中所有端口即是輸入也是輸出，設計便開始變得簡單了。請記住，地線是基準 (在盡可能大和寬的范圍內記住這一點)，其他所有線路都可以視為信號線，然后根據(jù)所需最大性能設計跡線!

　　c在布線時線寬和線距也要注意,減少寄生干擾產生.

　　DC-DC設計中，電感的電感量范圍應該選擇多少比較合適，這樣選擇的優(yōu)勢是什么?

　　開關電源中的電感確定：開關頻率低，由于開和關的時間都比較長，因此為了輸出不間斷的需要，需要把電感值加大點，這樣可以讓電感可以存儲更多的磁場能量。同時，由于每次開關比較長，能量的補充更新沒有如頻率高時的那樣及時，從而電流也就會相對的小點。

　　這個原理也可以用公式來說明：L=(dt/di)*uL

　　D=Vo/Vi，降壓型占空比 D= 1- Vi/Vo，升壓型占空比

　　dt=D/F ，F(xiàn)=開關頻率

　　di=電流紋波

　　所以得 L=D*uL /(F*di)，當F 開關頻率低時，就需要L 大一點;同意當L 設大時，其他不變情況下，則紋波電流di 就會相對減小在高的開關頻率下，加大電感會使電感的阻抗變大，增加功率損耗，使效率降低。同時，在頻率不變條件下，一般而言，電感值變大，輸出紋波會變小，但電源的動態(tài)響應(負載功耗偶爾大偶爾小，在大小變化之間相應慢)也會相應變差，所以電感值的選取可以根據(jù)電路的具體應用要求來調整以達到最理想效果