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2.2、配置DC-DC轉(zhuǎn)換器的必要性

 

只有電源電路需要配置DC-DC轉(zhuǎn)換器。CPU、內(nèi)存、LED等配件的運(yùn)行需要各種DC電壓。例如，移動(dòng)設(shè)備的鋰離子電池，其電池電壓僅為3.7V。調(diào)整這些電壓差需要配置DC-DC轉(zhuǎn)換器。DC-DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用非常普遍,幾乎所有電子設(shè)備都需要使用。

 

圖2-2 配置DC-DC轉(zhuǎn)換器的必要性

 

2.3、DC-DC轉(zhuǎn)換器的分類

 

DC-DC轉(zhuǎn)換器分為線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器。

 

圖2-3 DC-DC轉(zhuǎn)換器的分類

 

2.3.1 線性穩(wěn)壓器的原理

 

線性穩(wěn)壓器采用最簡單的方式，通過電阻分壓轉(zhuǎn)換電壓。例如，希望將輸入電壓的一半轉(zhuǎn)換為輸出電壓時(shí)，可使負(fù)載電阻和穩(wěn)壓器的可變電阻相同。

 

圖2-3-1 線性穩(wěn)壓器的原理

 

本方式具有簡單、低價(jià)的特點(diǎn)，但由于使用電阻，因此具有輸入/輸出的電位差越大，功率損耗也越大（效率降低）的缺點(diǎn)，從而導(dǎo)致移動(dòng)設(shè)備等的電池使用時(shí)間縮短。部分設(shè)備還會(huì)配置冷卻機(jī)構(gòu)，以降低因功率損耗而產(chǎn)生的熱量。因此，大多數(shù)情況用于功耗較低、輸入/輸出電位差較小的電路，而功耗較高的電路基本使用開關(guān)穩(wěn)壓器。

 

2.3.2 開關(guān)穩(wěn)壓器的原理

 

開關(guān)穩(wěn)壓器由開關(guān)元件、電感器和電容器等功能部件的組合電路構(gòu)成?？赏ㄟ^快速切換開關(guān)的ON/OFF以調(diào)節(jié)輸出電壓，在理想狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)無損耗電壓轉(zhuǎn)換。

 

圖2-3-2 開關(guān)穩(wěn)壓器的原理

 

本方式分為絕緣型和非絕緣型。絕緣型開關(guān)穩(wěn)壓器采用輸入電壓（1次側(cè)）和輸出電壓（2次側(cè)）通過變壓器實(shí)現(xiàn)絕緣的方式。轉(zhuǎn)換高壓電路時(shí)，用于防止觸電或漏電事故。非絕緣型是相對于絕緣型的叫法，不使用變壓器，是輸入電壓和輸出電壓之間未進(jìn)行絕緣的方式。大部分使用電池的移動(dòng)設(shè)備及車載設(shè)備的電壓較低，因此使用非絕緣型DC-DC轉(zhuǎn)換器。

 

本節(jié)介紹非絕緣型DC-DC轉(zhuǎn)換器的使用示例和具體的工作機(jī)制。

 

2.4、DC-DC轉(zhuǎn)換器的使用示例

 

下面介紹在智能手機(jī)和汽車中使用非絕緣型DC-DC轉(zhuǎn)換器的示例。

 

2.4.1 案例介紹：智能手機(jī)

 

智能手機(jī)的以下配件使用DC-DC轉(zhuǎn)換器

 

本節(jié)介紹數(shù)字電路電源、RF電路電源、顯示電路電源的具體示例。

 

圖2-4-1 智能手機(jī)中DC-DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用點(diǎn)

 

1) 數(shù)字電路電源（PMIC*1）

 

數(shù)字電路主要指CPU、GPU、Memory等的電路。數(shù)字電路的特點(diǎn)是：比起3.6-3.8V的電池電壓，驅(qū)動(dòng)電壓僅為0.8-1.8V。因此，需要配置降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。所用DC-DC轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是：轉(zhuǎn)換頻率高、輸出電流大。使用體積小、L電感值較低（L約為1uH）的功率電感器。

 

*1) PMIC：Power Management IC。用于需要配置多通道DC-DC轉(zhuǎn)換器的多功能LSI、且配有多個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器和控制微機(jī)的IC。

 

圖2-4-1-1 在數(shù)字電路中的使用案例

 

2) RF電路電源

 

繼數(shù)字電路之后，較多使用DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路為RF電路。與DC-DC轉(zhuǎn)換器相關(guān)的RF電路主要指包絡(luò)跟蹤IC (ET IC）、基帶處理器、藍(lán)牙模塊、Wifi模塊等的電路。以低于電池的電壓驅(qū)動(dòng)，因此需要配置降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。DC-DC轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是兼有模塊化類型，功率電感器及電容器配置于內(nèi)部（L約為2.2uH）。

 

圖2-4-1-2 在RF電路中的使用案例

 

3) 顯示電路電源

 

智能手機(jī)顯示屏也使用了DC-DC轉(zhuǎn)換器。液晶顯示器的LED背光及有機(jī)EL顯示面板所需的電壓高于電池，因此采用升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。LED背光根據(jù)燈的數(shù)量調(diào)節(jié)輸出電壓。DC-DC轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是采用高耐壓開關(guān)元件，因此難以設(shè)置為較高的轉(zhuǎn)換頻率。因此使用L電感值較高（L約為10uH）的功率電感器。

 

圖2-4-1-3 在顯示電路中的使用案例

 

2.4.2 案例介紹：汽車/Automotive

 

汽車普遍使用非絕緣型DC-DC轉(zhuǎn)換器。汽車應(yīng)用大致分為以下幾種：

 

Power Train及Safety較多使用單路輸出DC-DC轉(zhuǎn)換器，Infotainment還會(huì)使用PMIC。與智能手機(jī)的主要差異為，運(yùn)行電壓較大，需將DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入電壓調(diào)節(jié)為12V或48V。應(yīng)用種類豐富，電感值根據(jù)用途會(huì)有較大差異。

 

使用功率電感器的主要應(yīng)用

 

Powertrain

 

Safety

 

Infotainment

 

Comfort

 

xEV System

 

圖2-4-2-1 汽車中DC-DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用點(diǎn)

 

本節(jié)介紹Safety中使用的ADAS、Head Lamp及Infotainment中使用的IVI案例。

 

1) ADAS、IVI電源

 

ADAS及IVI中，驅(qū)動(dòng)應(yīng)用所需電壓低于電池，因此使用降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。電源配置與智能手機(jī)或PC類似。應(yīng)用實(shí)例：ADAS的攝像頭和傳感器、IVI的音響系統(tǒng)。DC-DC轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是：電壓從12V降為3.3～5.0V，然后根據(jù)應(yīng)用繼續(xù)降壓，通常構(gòu)成1次和2次降壓電路。

 

圖2-4-2-2 在ADAS,IVI中的使用案例
 

2) Head Lamp電源

 

Head Lamp的LED照明主要使用升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。根據(jù)燈的數(shù)量調(diào)節(jié)輸出電壓。DC-DC轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是：與智能手機(jī)的LED背光相同，使用電感值較高的功率電感器。

 

圖2-4-2-3 在Head Lamp中的使用案例

 

2.5、DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作原理

 

下面介紹非絕緣型開關(guān)穩(wěn)壓器的工作機(jī)制。DC-DC轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)分為降壓型、升壓型及升降壓型。本節(jié)以降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器為例，對工作機(jī)制進(jìn)行說明。

 

圖2-5-1 降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的基本圖

 

圖2-5-1為降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器的基本電路圖。電路配置了1個(gè)功率電感器。SW1為ON時(shí)SW2為OFF，SW1為OFF時(shí)SW2為ON。SW在ON/OFF之間切換時(shí)的電路變化如圖2-5-2所示。假設(shè)功率電感器輸入側(cè)端子的位置為A點(diǎn)。

 

SW1為ON、SW2為OFF時(shí)，輸入電源的電壓將直接供給功率電感器，因此A點(diǎn)的電位與Vin相等。SW1為OFF、SW2為ON時(shí)，功率電感器與輸入電源斷開，并連接到GND。因此A點(diǎn)的電位與GND相等。

 

圖2-5-2 開關(guān)ON/OFF時(shí)的工作原理

 

這2種狀態(tài)因轉(zhuǎn)換動(dòng)作而重復(fù)，功率電感器的輸入側(cè)（A點(diǎn)）電壓在Vin[V]與0[V]之間交替重復(fù)。功率電感器的輸入側(cè)被施加振幅Vin的脈沖電壓。

 

為了向輸出側(cè)供給恒壓，功率電感器應(yīng)如何工作？功率電感器和平滑電容器構(gòu)成了LC低通濾波器電路。輸入側(cè)施加的脈沖電壓經(jīng)過LC電路的平滑化處理后輸出。如此考慮就容易理解恒壓輸出機(jī)制。

 

圖2-5-3所示為進(jìn)行轉(zhuǎn)換動(dòng)作時(shí)A點(diǎn)電壓與Vout的關(guān)系。上圖表示SW1為ON的時(shí)間占50%，即占空比為50%。對此時(shí)的電壓進(jìn)行平滑化處理后，50% Vin的Vin/2將作為輸出電壓Vout輸出。下圖所示為占空比25%的情況。25% Vin的Vin/4將作為輸出電壓Vout輸出。即，輸出電壓越高占空比也越高，反之亦然。開關(guān)穩(wěn)壓器可通過更改轉(zhuǎn)換的占空比，控制各種電壓值后進(jìn)行輸出。

 

圖2-5-3 降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的電壓控制圖

 

根據(jù)上述分析，可以認(rèn)為通過開關(guān)控制能對輸出電壓進(jìn)行控制。但在選擇功率電感器之前，必須了解功率電感器的規(guī)格將對效率和噪聲產(chǎn)生何種影響。為此需要對電感器的電流進(jìn)行說明。

 

下面談一談電感器電流。如上所述，功率電感器可對脈沖電壓進(jìn)行平滑化處理，此外還有一個(gè)重要作用，它取決于電感器的自感特性。如圖2-5-2所示，SW1為ON時(shí)輸入側(cè)供給的電流為Iout，SW1變?yōu)镺FF后，輸入電源立刻斷開，從而無法供給Iout。功率電感器可以解決這個(gè)問題。電感器具有自感特性，會(huì)沿著阻礙電流變化的方向產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。因此，即使電感器上施加的電壓消失，也可確保繼續(xù)產(chǎn)生電流。

 

圖2-5-4 功率電感器的電壓電流波形

 

圖2-5-4為DC-DC轉(zhuǎn)換器工作時(shí)，功率電感器的電壓波形和電流波形。SW1為ON時(shí)，輸入電源通電，電感器產(chǎn)生電流。此時(shí)，電流隨時(shí)間增加而上升，積蓄的能量也隨之增加。SW1為OFF時(shí)，輸入側(cè)電壓變?yōu)?[V]，根據(jù)電感器的特性，電流不立即消失，而隨時(shí)間增加而逐漸減少。也可認(rèn)為SW1為ON時(shí)積蓄的能量在OFF時(shí)釋放。

 

功率電感器使電流連續(xù)產(chǎn)生，呈現(xiàn)三角波形。流經(jīng)電感器的三角波電流振幅公式如下。

 

 

上式的各項(xiàng)參數(shù)如何影響工作電流波形？

 

村田曾發(fā)布web工具“DC-DC轉(zhuǎn)換器輔助設(shè)計(jì)工具”。該工具可以選擇符合DC-DC轉(zhuǎn)換器運(yùn)行條件的功率電感器和多層陶瓷電容器。下面介紹使用本工具后，各種參數(shù)對DC-DC轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行產(chǎn)生何種影響。

 

DC-DC轉(zhuǎn)換器輔助設(shè)計(jì)工具:

https://ds.murata.co.jp/mpst/

 

圖2-5-5 DC-DC轉(zhuǎn)換器輔助設(shè)計(jì)工具示例
 

按以下方式設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)條件，模擬各參數(shù)變動(dòng)時(shí)的情況。（將模擬工具的計(jì)算結(jié)果導(dǎo)出為CSV文件后，根據(jù)該文件生成圖表。）

<標(biāo)準(zhǔn)條件>

Vin：3.6V

Vout：1.8V

周波數(shù)：2MHz

Iout：1.5A

L：1.0μH

 

Vin、Vout是決定電感器電壓大小和占空比的參數(shù)。改變Vout后，電壓波形隨之變化(圖2-5-6)。改變其他參數(shù)后，頻率發(fā)生變化，但電壓大小和占空比不變。電壓變動(dòng)后，電流波形隨之變化。

 

如果Vin、Vout設(shè)為較大值，則時(shí)間變化后電流變化量也呈增大趨勢，紋波電流⊿I變大。

 

電感或頻率變動(dòng)時(shí)電壓不變，但紋波電流會(huì)受到影響。電感增大會(huì)抑制電流變化，因此紋波電流將變小(圖2-5-7)。頻率增加會(huì)使1個(gè)循環(huán)的時(shí)間變短，因此紋波電流將變小(圖2-5-8）。

 

Iout變動(dòng)時(shí)，三角波電流的波形不變，但電流平均值會(huì)隨Iout的大小而變化（圖2-5-9)。

 

圖2-5-6 Vout變動(dòng)時(shí)的電壓電流波形

 

圖2-5-7 電感變動(dòng)時(shí)的電壓電流波形

 

圖2-5-8 頻率變動(dòng)時(shí)的電壓電流波形

 

圖2-5-9 Iout變動(dòng)時(shí)的電壓電流波形

 

功率電感器的電壓和電流波形取決于DC-DC轉(zhuǎn)換器的各條件和功率電感器的電感。

 

1.2節(jié)對電感和直流疊加特性進(jìn)行了說明。如果電感過低，則紋波電流將變大，如果直流疊加特性不佳，會(huì)在通入大電流時(shí)導(dǎo)致電感降低，從而使紋波電流增加。此類電感器的規(guī)格對DC-DC轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行產(chǎn)生較大影響。

 

第2章對DC-DC轉(zhuǎn)換器的種類和工作機(jī)制進(jìn)行了說明。要掌握功率電感器的必要特性，應(yīng)了解工作機(jī)制和電感器電流的波形，這一點(diǎn)非常重要。