DCDC转换电路拓朴初探.docx

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DCDC转换电路拓朴初探

DC-DC轉換電路拓樸初探

林睿鵬

在各種電子系統當中，穩定的電源供應是確保系統能正常運作的首要課題。

因應各種系統不同的電壓需求，供應電壓的轉換也形成一門值得深入研究的學問。

電壓轉換的方式依照電路結構與操作方式大致可分為兩類：

線性穩壓器（linearregulator）與交換式穩壓器（switchingregulator）。

傳統線性穩壓器使用工作在飽和區（FET）的電晶體當作可變電阻，以調節不穩定的輸入電壓，提供固定的輸出電壓。

被動元件必須承受隨負載而改變的電流，若輸入電壓改變或是負載突增，則被動元件的功率消耗也會隨之增加，因此造成轉換效率的下降。

交換式穩壓器顧名思義是以控制訊號控制導通元件，使其在截止、飽合與三極管等三區作切換。

它使用電感或電容做為電能儲存裝置，透過切換的動作把電能從輸入端轉送至電源供應電路的輸出端。

不同於只能降壓的線性穩壓器，交換式穩壓器可以升壓、降壓或將輸入電壓反相；此外，電能儲存元件也可讓輸出電流不等於輸入電流。

即使輸入電壓變化甚廣，負載變化甚大，仍可獲得極高的效率。

不過由於交換式電源是以週期性的切換來達到穩定的輸出，因此會在輸入及輸出端產生脈動電流，而對系統產生不必要的干擾。

高效率的交換式電源穩壓器其設計上卻比傳統的線性式電源穩壓器來得複雜許多，設計者必須具備有類比、數位電子電路設計、邏輯與回授控制器以及磁性元件設計的專業知識。

以下就線性穩壓器、電荷泵浦及以電感為基礎的交換式電源轉換器等三種電壓轉換方案做討論。

低壓降線性穩壓器

最簡單的降壓轉換方案是使用低壓降穩壓器（LowDropout；LDO），因為其體積小、反應速度快、低雜訊的特性，成為小功率降壓與穩壓電路的主流，被大量地使用在各種可攜式電子產品上，常作為交換式穩壓器輸出的濾波電路。

線性穩壓器的系統主要由導通元件（BJT或MOSFET）、R1及R2分壓電路、誤差放大器與參考電壓Vref構成一負回授系統。

（圖一）　低壓降線性穩壓器電路架構

其操作原理為，當輸入電壓Vin＞Vout時，藉由電晶體吸收輸入、輸出的電壓差Vdropout＝Vin－Vout，並藉由回授控制電路控制以提供平穩的輸出電壓。

由於電晶體Q操作於FET飽和區（若導通元件為BJT則為主動區），其作用如同一個可變電阻。

輸出電壓可近似為：

（公式一）

適當選擇R1、R2及Vref即可得到所要的輸出電壓。

在正常操作範圍內，無論輸入電壓如何變動，輸出電壓均能保持定值，達到穩壓的目的。

考量導通元件的選用，因為BJT有基極電流造成電流的浪費，且輸出輸入電壓差也較高，近年來導通元件幾乎都已改用MOSFET。

由於MOSFET幾乎沒有流過閘極的電流，因此不會有電流浪費，且輸入輸出電壓差也較小，故較適合用於低壓降線性穩壓器的架構。

而在MOS當中，PMOS只需要低的閘極電壓即可驅動輸出元件，電路的複雜性比NMOS低，因此PMOS為目前低壓降線性穩壓器最常使用的輸出元件。

輸入輸出電壓差（drop-outvoltage）為線性穩壓器極為重要的參數。

所謂輸入輸出電壓差，便是指當線性穩壓器在正常操作範圍時，輸入電壓與輸出電壓的最小差值。

當輸入輸出電壓差的值小到某一程度，便稱此種線性穩壓器為低壓降線性穩壓器。

相較於一般線性穩壓器，在同一輸出電壓的情形下，低壓降線性穩壓器所需的輸入電壓較低，因此能夠有較佳的轉換效率。

若是用於以電池作為輸入電壓源的應用場合，由於電池隨著使用時間長，電池電壓會慢慢降低，因此低壓降線性穩壓器提供非常低的最小電壓差，因此就算輸入電壓很低，它們也能正常工作，能有效延長電池的使用時間。

要判斷穩壓器對應的輸入電壓操作範圍，必須將穩壓電路所要求的輸入輸出電壓差列入考慮，輸入電壓必須大於目標輸出電壓以及最小電壓差額定值的總和，也就是Vin＞Vout＋Vdropout。

當輸入電壓不能滿足最小電壓差的要求時，穩壓器對負載的穩壓能力會變得很差，輸出電壓Vout也會隨著輸入電壓而改變，如（圖二）所示。

（圖二）　低壓降線性穩壓器輸入輸出電壓轉換曲線

考量電壓轉換效率，負載電流幾乎等於輸入端電壓源供應的電流，因此效率與電壓變化有更加絕對的關係，當輸入電壓與輸出電壓的差值越大，則會導致電源轉換效率下降，造成更多的能量損耗。

（圖三）　低壓降線性穩壓器轉換效率曲線

由轉換效率曲線可知，目標輸出電壓為2V，當電池電壓為3V時，轉換效率約為60％，這表示進入LDO的電能有近40％的能量轉換為熱能的形式銷耗掉，使得LDO產生可觀的熱量，而必須考慮散熱問題。

因此LDO的應用必須謹慎考慮，如果成本和體積是最重要的設計因素，那對於電流需求少，輸入到輸出電壓差又很小的應用，線性穩壓器或許是最佳選擇。

LDO的特點如下：

●電路架構簡單、成本低，佔用電路板面積小；

●輸出電壓對輸入電壓或負載的變化反應較迅速；

●能使用在不允許使用電感器的系統；

●能抑制輸出電壓的雜訊和漣波；

●只能作降壓的轉換；

●容易發熱，溫度問題有待解決；

●輸入電壓與輸出電壓的差值越大，效率越低。

電荷泵浦

無電感交換式DC/DC轉換器又稱為電荷泵浦（ChargePump），它們是最簡單的交換式穩壓器。

以單純的降壓轉換而言，電荷泵浦由於電路都是電容元件，通常能比LDO提供較高的效率，但必須以更高的成本做為代價。

在許多應用中需要有升壓或是降升壓轉換功能，而這些應用需要很高的轉換效率，卻沒有足夠的空間和成本，因此無法利用電感式直流電源轉換器做出轉換效率最高的解決方案。

此時電荷泵浦穩壓器就是可行的解決方案，在可攜式電源的設計當中占有極重要的角色。

電荷泵浦使用多顆開關和電容，電壓轉換動作是透過週期性切換電容器來達成，輸入電源的電荷會經由飛馳電容來儲存並轉換能量傳送至輸出電容。

這種轉換器的設計簡單，效率也很高是它的主要優點，其電路架構如（圖四）所示。

若不採用回授穩壓電路，這類的轉換器只能提供輸入電壓整數倍的輸出電壓，但不同的回授方法卻會對轉換器效率和漣波產生不同影響，因此工程師應針對他們的應用需求來選擇適當的回授方法。

（圖四）　電荷泵浦電路架構

交換式轉換器都必須使用開關電晶體做快速的充放電切換，因此會產生輸出漣波，甚至發出電磁干擾。

為了將漣波和電磁干擾減至最少，可以在輸出端外加線性穩壓電路。

電荷泵浦的工作原理如下：

（1）當控制訊號使開關S1、S2、S3與S4導通時，因為訊號反向的關係，S5、S6與S7均為截止，飛馳電容C1、C2與輸入電壓源並聯並開始充電，Vin對三個電容個別充電至大約Vin的電壓，此時負載的電壓完全由輸出電容Cout供應。

（2）而當開關S5到S7導通時，則S1到S4為截止，三個被充電至Vin電壓大小的飛馳電容改以串連的形式連接，並持續對輸出電容放電以維持穩定的輸出電壓，Vout最高可被充電至3倍Vin，即Vin+Vc1+Vc2的電壓。

因應輸入電壓的變化，可透過元件內部的開關控制飛馳電容充放電，切換至不同的倍壓模式。

在不同模式下，輸入電壓能上升不同的倍數，使轉換後的電壓不低於目標輸出電壓。

這種因應不同輸入的調變機制會造成效率曲線產生如同步階般的變化。

電荷泵浦具有以下幾點特性：

（1）轉換效率優於低壓降線性穩壓器；

（2）低EMI或輸出漣波；

（3）輸出/輸入電壓比值受限；

（4）價位中等。

DC/DC轉換器

這類交換式轉換器至少會使用一個電感器作為電能儲存元件，此外需要輸出電容器。

在所有的直流轉換方法中，這種技術提供最高的電源轉換效率。

相較於線性穩壓器和電荷泵浦，交換式轉換器能在更寬廣的負載範圍內提供高效率，高的電源轉換效率可將散熱問題減至最少，熱管理更簡單。

能量損失較少，也可進而延長產品的工作時間。

除了這個主要的優點，還能支援反相、降壓、升壓或是降升壓等電路拓樸。

直流電源轉換器通常利用脈衝寬度調變（PWM）機制來控制導通元件，此技術會改變工作週期（DutyCycle），也就是電晶體導通時間和截止時間的比值，再配合電感的電力儲存能力，讓輸出電壓在有限的輸入電壓和負載電流範圍內保持固定；FET導通阻抗和電感的直流阻抗越小，功耗就越少，轉換效率也越高。

然而負載電流越小，PWM控制電路的效率就越低，因此有些電源轉換器可將工作模式切換成脈衝頻率調變（PFM），以便在整個負載範圍內都保持很高的轉換效率。

不過在一些高電磁干擾的應用，必須將開關頻率固定讓干擾減至最少，就不適用脈衝頻率調變的方式。

使用電感的交換式轉換器（converter）IC除了包含控制電路外，至少還會內建一個開關電晶體；而只包含控制電路的直流電源轉換器通常被稱為交換式控制器（controller），它們提供設計人員相當大的彈性，讓工程師能選擇外接式開關電晶體，針對應用需求調整限流值，但必須額外增加外部零件的成本。

這兩種元件的輸出電流範圍都大於電荷泵浦。

下文將介紹升壓與降壓兩種基本的直流轉換器。

降壓式轉換器（BuckConverter）的動作原理如下：

（圖五）　降壓式轉換器電路架構

（1）當電晶體Q導通時，二極體D1的陰極電壓約等於輸入電壓Vin，二極體逆偏形成斷路，輸入電壓經Q對電感充電並供應電壓至電容Cout及負載，此時電感電壓VL＝Vin－Vout。

（2）當Q截止時，電感的電壓極性反轉，使二極體順偏導通，電容Cout及電感均對負載放電，此時電感的電壓為VL＝－（VD1+Vout）。

由電感電壓的伏特－秒平衡（Volt-secondbalance）關係可推得輸入輸出的電壓關係：

（公式二）

其中T為電晶體的切換週期，D為電晶體的工作週期，由於0＜D＜1，此電路的輸出電壓Vout必會較輸入電壓Vin來得小，故轉換器可達到降壓的功能。

（圖六）　輸出電壓為10V的降壓式轉換器轉換效率曲線

升壓式轉換器（BoostConverter）的動作原理如下：

（圖七）　升壓式轉換器電路架構

（1）電容Cout已被充電的情況下，當Q導通，二極體D1會被逆偏壓造成斷路，輸入電壓Vin對電感充電，此時電感電壓VL＝Vin，電容對負載放電。

（2）而當Q在截止狀態時，電感極性反轉使二極體順偏壓導通，並對電容Cout及負載做放電。

此時電感的電壓為VL＝－（Vout＋VD1－Vin）。

同樣由電感的伏特－秒平衡關係可得：

（公式三）

由於0＜D＜1，此電路的輸出電壓Vout必會較輸入電壓Vin來得大，故為升壓式轉換器。

降壓式、升壓式轉換器具有以下幾點特性：

（1）價錢較高；

（2）效率最高，溫度問題容易解決；

（3）高EMI與輸出漣波；

（4）適合操作於輸出入電壓差較大的情況；

（5）適用於高輸出電流的應用。

（圖八）　輸出電壓為10V的升壓式轉換器轉換效率曲線

■SEPIC轉換器

單端初級電感轉換器（Single-endPrimaryInductorConverter；SEPIC）轉換電路的主要架構是由PWM控制器與一個變壓器或兩個獨立電感組合而成，可產生定電壓的穩定輸出，普遍被應用在以電池為主的可攜式電子產品上。

電池提供的電壓高於目標電壓時，轉換電路進行降壓；當輸入電壓下降至低於目標電壓，系統可調整工作週期，使轉換電路進行升壓動作。

（圖九）　單端初級電感轉換器電路架構

SEPIC電路的基本原理如下：

假設在SEPIC電路中的電感L1及L2在Q導通或截止時，均能維持伏特－秒平衡的狀態，則兩電感的平均電壓都為0。

經由Vin、L1、C1和L2的迴路可知，電容C1的電壓Vc1＝Vin。

（1）當電晶體Q導通時，使電感L1與電容C1的一端接地，二極體D1受到逆偏壓而形成斷路，輸入電壓Vin對電感L1充電；C1電容上儲存的電壓則對L2充電，穩態時電容C1上的電壓等於輸入電壓Vin，使L1、L2電壓均為Vin。

（2）當電晶體Q截止時，兩電感的極性反向並將所儲存的能量經由二極體D1釋放至電容C1、Cout及負載。

同樣由於Vc1＝Vin的關係，使L1和L2的電壓同為－（VD1+Vout）。

由電感的伏特－秒平衡關係可得：

（公式四）

由上式可知，可藉由調整D來達到升壓或降壓的目的，若D＞0.5時Vout/Vin>1，為升壓作用，反之D＜0.5時為降壓。

SEPIC具有以下幾點特性：

（1）效率高，但略低於降壓式、升壓式轉換器；

（2）高EMI及輸出漣波；

（3）需要搭配的元件數多，價格最高；

（4）具備升壓與降壓兩種功能；

（5）可用於高輸出電流的應用。

結論

每種設計方法都有其優缺點，工程師必須依據設計需求決定電源轉換元件的種類。

要為系統選擇最好的離散式DC/DC轉換器，就必須在整體成本、效率、輸出雜訊、設計彈性和占用電路板面積之間做出適當取捨，以便在低壓降線性穩壓器、電荷泵浦和採用電感的交換式直流穩壓器之間做出選擇，滿足可攜式應用的電源轉換需求。

總體而言，相較於線性電壓轉換器，交換式轉換器的最大弱點在於投入的成本，包括需要較多的設計時間、零件數目、電路板面積以及輸出雜訊。

在追求高獲利的科技業界，面對成本增加的問題，交換式轉換器看似缺乏吸引力，但極高的轉換效率，卻讓增加的時間和零件成本值回票價。

（本文原載於零組件雜誌；作者任職於天瀚科技）