DC—DC 電源的應(yīng)用設(shè)計(jì)研究

董行彪等

摘要：通過分析DC-DC穩(wěn)壓器的基本原理和特性，分別對線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器進(jìn)行性能和結(jié)構(gòu)原理的分析比較，并根據(jù)實(shí)際情況對DC-DC電源的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供所需要考慮的各種因素。對直流電源電路設(shè)計(jì)中電源芯片選型基本方法進(jìn)行詳細(xì)的介紹，為實(shí)際直流電源電路的芯片應(yīng)用和設(shè)計(jì)提供參考方案。

關(guān)鍵詞：線性穩(wěn)壓器；開關(guān)穩(wěn)壓器；電源

中圖分類號：TP303+.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）11-2656-04

Abstract： Analyzes the basic principles and characteristics of the DC-DC regulator， analyzes and compares the performance and structure of the principle of linear regulator and switching regulator， and provides a variety of important factors in the actual situation of the DC-DC design. Describes to the basic method of power chip selection， and provides a reference for the DC power circuit design.

Key words： linear regulator； switching regulator； power supply

電源的應(yīng)用無處不在，所有的電子系統(tǒng)都需要恒壓電源或者恒流電源的支持。輸出直流稱為直流電源，由前端直流轉(zhuǎn)后端直流的稱為DC-DC變換器，而直流轉(zhuǎn)交流的變換器稱為逆變器。所以，DC-DC變換器是用于提供DC電源的電路或模塊。

1 DC-DC變換器的主要分類

1.1 線性型（Linear）

線性型變換器：可以從電源向負(fù)載連續(xù)輸送功率的DC-DC變換器。線性型變換器通過在線性區(qū)域內(nèi)運(yùn)行的晶體管或場效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor或FET），電路的輸入電壓中減去超額電壓，調(diào)節(jié)從電源至負(fù)載的電流流動，從而產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)節(jié)的輸出電壓。

1.2 開關(guān)電源型（Switcher）

開關(guān)電源型變換器：以脈寬方波的形式從電源向負(fù)載輸送功率。其特點(diǎn)是開關(guān)器件的周期性開通和關(guān)斷（定頻型、變頻型、定變混合型）。將原直流電通過脈沖寬度調(diào)制PWM（Pulse Width Modulation）或脈沖頻率調(diào)制PFM（Pulse Frequency Modulation）來控制有效的直流輸出。PWM調(diào)制穩(wěn)定電壓的方式是，在開關(guān)頻率不變化的前提下，依靠脈沖寬度的增大或縮小改變占空比例，進(jìn)而調(diào)節(jié)電壓達(dá)到穩(wěn)定，它核心部件是脈寬調(diào)制器。在PFM調(diào)制方式運(yùn)作的時(shí)候，脈沖寬度是固定的，開關(guān)頻率的增加或減少控制了占空比，使得電壓保持穩(wěn)定，脈頻調(diào)制器是它的核心部件[1]。

2 線性穩(wěn)壓器（Linear Regulator）

線性穩(wěn)壓器如78XX系列三端穩(wěn)壓器等，是一種無需使用開關(guān)元件而能提供恒定電壓恒定電流輸出的DC-DC轉(zhuǎn)換器。

2.1 線性穩(wěn)壓器的工作原理

線性穩(wěn)壓器和輸出阻抗形成了一個(gè)分壓網(wǎng)絡(luò)。線性穩(wěn)壓器等效于受控的可變電阻器，可根據(jù)輸出負(fù)載自行調(diào)解以保持一個(gè)穩(wěn)定的輸出。輸出電壓通過連接到誤差放大器反相輸入端的分壓電阻采樣，誤差放大器的同相輸入端連接到一個(gè)參考電壓Vref。誤差放大器試圖使其兩端輸入相等2.2 線性穩(wěn)壓器的類型

線性穩(wěn)壓器中的元件是雙極型晶體管或場效應(yīng)管MOSFET。雙極型線性穩(wěn)壓器具有較高的壓降電壓，并能支持較高的輸入電壓并擁有更好的瞬態(tài)響應(yīng)。MOSFET低壓差線性穩(wěn)壓器LDO（Low Dropout Regulator）能支持非常低的壓降，低靜態(tài)電流，改善噪聲性能和低電源抑制。為使線性穩(wěn)壓器處在正常工作狀態(tài)之下，Vin和Vout之間最小壓差稱為壓降電壓（Drop-out Voltage），不同的穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生不同的壓降電壓，這也是幾種線性穩(wěn)壓器的最大區(qū)別。如LM340和LM317這些穩(wěn)壓器使用NPN達(dá)林頓管，稱其為NPN 穩(wěn)壓器（NPN Regulator）。然而低壓差（Low-dropout）穩(wěn)壓器（LDO）和準(zhǔn)LDO穩(wěn)壓器（Quasi-LDO）為新型電源設(shè)計(jì)提供了更高性能[2]。

2.3 LDO的應(yīng)用選擇

開關(guān)穩(wěn)壓器是一種采用開關(guān)組件與能量存貯部件（電容器和感應(yīng)器）一起輸送功率的DC-DC轉(zhuǎn)換器，它提高了電源轉(zhuǎn)換效率和設(shè)計(jì)靈活性。開關(guān)穩(wěn)壓器主要分為以下兩類：電感儲能開關(guān)穩(wěn)壓器和無電感型開關(guān)穩(wěn)壓器（充電泵）。

3.1 電感儲能開關(guān)穩(wěn)壓器的工作原理

電感用于儲存能量及向負(fù)載釋放儲能，電感在開關(guān)管開通狀態(tài)下從Vg獲得能量。

4 DC-DC變換器的應(yīng)用選擇

5 結(jié)論

通過分析比較最常見的兩類三種直流穩(wěn)壓電源，了解了直流穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)及構(gòu)成原理，提出了電源電路環(huán)路控制的設(shè)計(jì)方案，為直流穩(wěn)壓電路正確合理的設(shè)計(jì)提供了參考方案。根據(jù)不同的實(shí)際設(shè)計(jì)需要和參數(shù)選用不同類型直流穩(wěn)壓電源，有利于整個(gè)系統(tǒng)平穩(wěn)安全的工作。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊建偉.談開關(guān)電源的原理和發(fā)展趨勢[J].科技與企業(yè)，2012（22）：359.

[2] Tulte D.Low-V in buck regulator toggles fast-switching/very low-dropout modes[J]. Electronic Design，2005，53（21）：27.

[3] Oliver N. Charge pump versus boost converter the great battle between white LED driver solutions[J].Global Electronics China.2005（9）：49-50.

[4] 王學(xué)智.開關(guān)電源的原理和發(fā)展趨勢[J].黑龍江科技信息，2007（11）：21.

[5] 嚴(yán)惠瓊，都思丹.新型National系列半導(dǎo)體電源芯片分析綜述[J].南京大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（43）：35-46.

[6] 李愛文，張承慧.現(xiàn)代逆變技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2000.

[7] Simpson C.Linear regulators： Theory of operation and compensation[J].National Semiconductor Application Note，2000（5）：8-11.endprint

摘要：通過分析DC-DC穩(wěn)壓器的基本原理和特性，分別對線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器進(jìn)行性能和結(jié)構(gòu)原理的分析比較，并根據(jù)實(shí)際情況對DC-DC電源的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供所需要考慮的各種因素。對直流電源電路設(shè)計(jì)中電源芯片選型基本方法進(jìn)行詳細(xì)的介紹，為實(shí)際直流電源電路的芯片應(yīng)用和設(shè)計(jì)提供參考方案。

關(guān)鍵詞：線性穩(wěn)壓器；開關(guān)穩(wěn)壓器；電源

中圖分類號：TP303+.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）11-2656-04

Abstract： Analyzes the basic principles and characteristics of the DC-DC regulator， analyzes and compares the performance and structure of the principle of linear regulator and switching regulator， and provides a variety of important factors in the actual situation of the DC-DC design. Describes to the basic method of power chip selection， and provides a reference for the DC power circuit design.

Key words： linear regulator； switching regulator； power supply

電源的應(yīng)用無處不在，所有的電子系統(tǒng)都需要恒壓電源或者恒流電源的支持。輸出直流稱為直流電源，由前端直流轉(zhuǎn)后端直流的稱為DC-DC變換器，而直流轉(zhuǎn)交流的變換器稱為逆變器。所以，DC-DC變換器是用于提供DC電源的電路或模塊。

1 DC-DC變換器的主要分類

1.1 線性型（Linear）

線性型變換器：可以從電源向負(fù)載連續(xù)輸送功率的DC-DC變換器。線性型變換器通過在線性區(qū)域內(nèi)運(yùn)行的晶體管或場效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor或FET），電路的輸入電壓中減去超額電壓，調(diào)節(jié)從電源至負(fù)載的電流流動，從而產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)節(jié)的輸出電壓。

1.2 開關(guān)電源型（Switcher）

開關(guān)電源型變換器：以脈寬方波的形式從電源向負(fù)載輸送功率。其特點(diǎn)是開關(guān)器件的周期性開通和關(guān)斷（定頻型、變頻型、定變混合型）。將原直流電通過脈沖寬度調(diào)制PWM（Pulse Width Modulation）或脈沖頻率調(diào)制PFM（Pulse Frequency Modulation）來控制有效的直流輸出。PWM調(diào)制穩(wěn)定電壓的方式是，在開關(guān)頻率不變化的前提下，依靠脈沖寬度的增大或縮小改變占空比例，進(jìn)而調(diào)節(jié)電壓達(dá)到穩(wěn)定，它核心部件是脈寬調(diào)制器。在PFM調(diào)制方式運(yùn)作的時(shí)候，脈沖寬度是固定的，開關(guān)頻率的增加或減少控制了占空比，使得電壓保持穩(wěn)定，脈頻調(diào)制器是它的核心部件[1]。

2 線性穩(wěn)壓器（Linear Regulator）

線性穩(wěn)壓器如78XX系列三端穩(wěn)壓器等，是一種無需使用開關(guān)元件而能提供恒定電壓恒定電流輸出的DC-DC轉(zhuǎn)換器。

2.1 線性穩(wěn)壓器的工作原理

線性穩(wěn)壓器和輸出阻抗形成了一個(gè)分壓網(wǎng)絡(luò)。線性穩(wěn)壓器等效于受控的可變電阻器，可根據(jù)輸出負(fù)載自行調(diào)解以保持一個(gè)穩(wěn)定的輸出。輸出電壓通過連接到誤差放大器反相輸入端的分壓電阻采樣，誤差放大器的同相輸入端連接到一個(gè)參考電壓Vref。誤差放大器試圖使其兩端輸入相等2.2 線性穩(wěn)壓器的類型

線性穩(wěn)壓器中的元件是雙極型晶體管或場效應(yīng)管MOSFET。雙極型線性穩(wěn)壓器具有較高的壓降電壓，并能支持較高的輸入電壓并擁有更好的瞬態(tài)響應(yīng)。MOSFET低壓差線性穩(wěn)壓器LDO（Low Dropout Regulator）能支持非常低的壓降，低靜態(tài)電流，改善噪聲性能和低電源抑制。為使線性穩(wěn)壓器處在正常工作狀態(tài)之下，Vin和Vout之間最小壓差稱為壓降電壓（Drop-out Voltage），不同的穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生不同的壓降電壓，這也是幾種線性穩(wěn)壓器的最大區(qū)別。如LM340和LM317這些穩(wěn)壓器使用NPN達(dá)林頓管，稱其為NPN 穩(wěn)壓器（NPN Regulator）。然而低壓差（Low-dropout）穩(wěn)壓器（LDO）和準(zhǔn)LDO穩(wěn)壓器（Quasi-LDO）為新型電源設(shè)計(jì)提供了更高性能[2]。

2.3 LDO的應(yīng)用選擇

開關(guān)穩(wěn)壓器是一種采用開關(guān)組件與能量存貯部件（電容器和感應(yīng)器）一起輸送功率的DC-DC轉(zhuǎn)換器，它提高了電源轉(zhuǎn)換效率和設(shè)計(jì)靈活性。開關(guān)穩(wěn)壓器主要分為以下兩類：電感儲能開關(guān)穩(wěn)壓器和無電感型開關(guān)穩(wěn)壓器（充電泵）。

3.1 電感儲能開關(guān)穩(wěn)壓器的工作原理

電感用于儲存能量及向負(fù)載釋放儲能，電感在開關(guān)管開通狀態(tài)下從Vg獲得能量。

4 DC-DC變換器的應(yīng)用選擇

5 結(jié)論

通過分析比較最常見的兩類三種直流穩(wěn)壓電源，了解了直流穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)及構(gòu)成原理，提出了電源電路環(huán)路控制的設(shè)計(jì)方案，為直流穩(wěn)壓電路正確合理的設(shè)計(jì)提供了參考方案。根據(jù)不同的實(shí)際設(shè)計(jì)需要和參數(shù)選用不同類型直流穩(wěn)壓電源，有利于整個(gè)系統(tǒng)平穩(wěn)安全的工作。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊建偉.談開關(guān)電源的原理和發(fā)展趨勢[J].科技與企業(yè)，2012（22）：359.

[2] Tulte D.Low-V in buck regulator toggles fast-switching/very low-dropout modes[J]. Electronic Design，2005，53（21）：27.

[3] Oliver N. Charge pump versus boost converter the great battle between white LED driver solutions[J].Global Electronics China.2005（9）：49-50.

[4] 王學(xué)智.開關(guān)電源的原理和發(fā)展趨勢[J].黑龍江科技信息，2007（11）：21.

[5] 嚴(yán)惠瓊，都思丹.新型National系列半導(dǎo)體電源芯片分析綜述[J].南京大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（43）：35-46.

[6] 李愛文，張承慧.現(xiàn)代逆變技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2000.

[7] Simpson C.Linear regulators： Theory of operation and compensation[J].National Semiconductor Application Note，2000（5）：8-11.endprint

摘要：通過分析DC-DC穩(wěn)壓器的基本原理和特性，分別對線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器進(jìn)行性能和結(jié)構(gòu)原理的分析比較，并根據(jù)實(shí)際情況對DC-DC電源的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供所需要考慮的各種因素。對直流電源電路設(shè)計(jì)中電源芯片選型基本方法進(jìn)行詳細(xì)的介紹，為實(shí)際直流電源電路的芯片應(yīng)用和設(shè)計(jì)提供參考方案。

關(guān)鍵詞：線性穩(wěn)壓器；開關(guān)穩(wěn)壓器；電源

中圖分類號：TP303+.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）11-2656-04

Abstract： Analyzes the basic principles and characteristics of the DC-DC regulator， analyzes and compares the performance and structure of the principle of linear regulator and switching regulator， and provides a variety of important factors in the actual situation of the DC-DC design. Describes to the basic method of power chip selection， and provides a reference for the DC power circuit design.

Key words： linear regulator； switching regulator； power supply

電源的應(yīng)用無處不在，所有的電子系統(tǒng)都需要恒壓電源或者恒流電源的支持。輸出直流稱為直流電源，由前端直流轉(zhuǎn)后端直流的稱為DC-DC變換器，而直流轉(zhuǎn)交流的變換器稱為逆變器。所以，DC-DC變換器是用于提供DC電源的電路或模塊。

1 DC-DC變換器的主要分類

1.1 線性型（Linear）

線性型變換器：可以從電源向負(fù)載連續(xù)輸送功率的DC-DC變換器。線性型變換器通過在線性區(qū)域內(nèi)運(yùn)行的晶體管或場效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor或FET），電路的輸入電壓中減去超額電壓，調(diào)節(jié)從電源至負(fù)載的電流流動，從而產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)節(jié)的輸出電壓。

1.2 開關(guān)電源型（Switcher）

開關(guān)電源型變換器：以脈寬方波的形式從電源向負(fù)載輸送功率。其特點(diǎn)是開關(guān)器件的周期性開通和關(guān)斷（定頻型、變頻型、定變混合型）。將原直流電通過脈沖寬度調(diào)制PWM（Pulse Width Modulation）或脈沖頻率調(diào)制PFM（Pulse Frequency Modulation）來控制有效的直流輸出。PWM調(diào)制穩(wěn)定電壓的方式是，在開關(guān)頻率不變化的前提下，依靠脈沖寬度的增大或縮小改變占空比例，進(jìn)而調(diào)節(jié)電壓達(dá)到穩(wěn)定，它核心部件是脈寬調(diào)制器。在PFM調(diào)制方式運(yùn)作的時(shí)候，脈沖寬度是固定的，開關(guān)頻率的增加或減少控制了占空比，使得電壓保持穩(wěn)定，脈頻調(diào)制器是它的核心部件[1]。

2 線性穩(wěn)壓器（Linear Regulator）

線性穩(wěn)壓器如78XX系列三端穩(wěn)壓器等，是一種無需使用開關(guān)元件而能提供恒定電壓恒定電流輸出的DC-DC轉(zhuǎn)換器。

2.1 線性穩(wěn)壓器的工作原理

線性穩(wěn)壓器和輸出阻抗形成了一個(gè)分壓網(wǎng)絡(luò)。線性穩(wěn)壓器等效于受控的可變電阻器，可根據(jù)輸出負(fù)載自行調(diào)解以保持一個(gè)穩(wěn)定的輸出。輸出電壓通過連接到誤差放大器反相輸入端的分壓電阻采樣，誤差放大器的同相輸入端連接到一個(gè)參考電壓Vref。誤差放大器試圖使其兩端輸入相等2.2 線性穩(wěn)壓器的類型

線性穩(wěn)壓器中的元件是雙極型晶體管或場效應(yīng)管MOSFET。雙極型線性穩(wěn)壓器具有較高的壓降電壓，并能支持較高的輸入電壓并擁有更好的瞬態(tài)響應(yīng)。MOSFET低壓差線性穩(wěn)壓器LDO（Low Dropout Regulator）能支持非常低的壓降，低靜態(tài)電流，改善噪聲性能和低電源抑制。為使線性穩(wěn)壓器處在正常工作狀態(tài)之下，Vin和Vout之間最小壓差稱為壓降電壓（Drop-out Voltage），不同的穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生不同的壓降電壓，這也是幾種線性穩(wěn)壓器的最大區(qū)別。如LM340和LM317這些穩(wěn)壓器使用NPN達(dá)林頓管，稱其為NPN 穩(wěn)壓器（NPN Regulator）。然而低壓差（Low-dropout）穩(wěn)壓器（LDO）和準(zhǔn)LDO穩(wěn)壓器（Quasi-LDO）為新型電源設(shè)計(jì)提供了更高性能[2]。

2.3 LDO的應(yīng)用選擇

開關(guān)穩(wěn)壓器是一種采用開關(guān)組件與能量存貯部件（電容器和感應(yīng)器）一起輸送功率的DC-DC轉(zhuǎn)換器，它提高了電源轉(zhuǎn)換效率和設(shè)計(jì)靈活性。開關(guān)穩(wěn)壓器主要分為以下兩類：電感儲能開關(guān)穩(wěn)壓器和無電感型開關(guān)穩(wěn)壓器（充電泵）。

3.1 電感儲能開關(guān)穩(wěn)壓器的工作原理

電感用于儲存能量及向負(fù)載釋放儲能，電感在開關(guān)管開通狀態(tài)下從Vg獲得能量。

4 DC-DC變換器的應(yīng)用選擇

5 結(jié)論

通過分析比較最常見的兩類三種直流穩(wěn)壓電源，了解了直流穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)及構(gòu)成原理，提出了電源電路環(huán)路控制的設(shè)計(jì)方案，為直流穩(wěn)壓電路正確合理的設(shè)計(jì)提供了參考方案。根據(jù)不同的實(shí)際設(shè)計(jì)需要和參數(shù)選用不同類型直流穩(wěn)壓電源，有利于整個(gè)系統(tǒng)平穩(wěn)安全的工作。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊建偉.談開關(guān)電源的原理和發(fā)展趨勢[J].科技與企業(yè)，2012（22）：359.

[2] Tulte D.Low-V in buck regulator toggles fast-switching/very low-dropout modes[J]. Electronic Design，2005，53（21）：27.

[3] Oliver N. Charge pump versus boost converter the great battle between white LED driver solutions[J].Global Electronics China.2005（9）：49-50.

[4] 王學(xué)智.開關(guān)電源的原理和發(fā)展趨勢[J].黑龍江科技信息，2007（11）：21.

[5] 嚴(yán)惠瓊，都思丹.新型National系列半導(dǎo)體電源芯片分析綜述[J].南京大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（43）：35-46.

[6] 李愛文，張承慧.現(xiàn)代逆變技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2000.

[7] Simpson C.Linear regulators： Theory of operation and compensation[J].National Semiconductor Application Note，2000（5）：8-11.endprint