目录

DC/DC工作原理

电感电压伏秒平衡定律

开关电源的三种基本拓扑

同步整流技术

DC/DC电源调制方式

DC/DC芯片的内部构造

DC/DC电路的硬件设计

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总结一下DC/DC和LDO的原理，区别和应用，以下内容部分为自己原创，部分在网上找的资料并加上自己的理解进行整理。借本次机会进行重点学习，深入理解下原理。

DC/DC：“动次打次”？ no不，是直流到直流，Direct current to direct current。是一种电源方式的简称，作用就是将一种直流电压变成另外一种直流电压输出，以供其他设备或者模块使用。一般严格意义来说，LDO也是DC/DC的一种。

提一句AC/DC，是将交流电转换成直流电，现在的AC/DC一般趋于模块化，单独开发一款好的AC/DC还是有一定难度，现在模块价格也比较低，开发新产品可以直接将这部分电路当做元器件进行选型，有些搭配一些外围电路就可以实现很好的效果。好的供应品品牌也挺多（这不是广告^_^），我这边用的金升阳的LS经济系列模块，确实还不错。

DC/DC工作原理

首先我们要了解一个定律和开关电源的基本三种拓扑结构：

电感电压伏秒平衡定律

一个功率变换器，当输入、负载和控制均为固定值时的工作状态，在开关电源中，被称为稳态。稳态下，功率变换器中的电感满足电感电压伏秒平衡定律：对于已工作在稳态的DC/DC功率变换器，有源开关导通时加在滤波电感上的正向伏秒一定等于有源开关截至时加在该电感上的反向伏秒。

1. 伏秒原则：处于稳定状态的电感，开关导通时间（电流上升段）的伏秒数须与开关关断（电流下降段）时的伏秒数在数值上相等，尽管两者符号相反。这也表示，绘出电感电压对时间的曲线，导通时段曲线的面积必须等于关断时段曲线的面积。
   
   个人理解：
           伏秒积（伏秒值）：V*Ton，V*Toff。电感两端的电压与开或者关断时间的乘积。  
   在开关电路中，电感在一个周期内的开关被分成两个段，一段时间（开）电流在增加，另外一段时间（关）电流在减少，稳定状态下，在这一个开关过程中电流的增加量和减少量相等。△Ion=△Ioff。
   

开关电源的三种基本拓扑

1. BUCK降压型
   原理图如下：
   
    分析：
   
   当PWM驱动高电平使得NMOS管Q1导通，忽略MOS管的导通压降，电感电流呈线性上升，此时电感正向伏秒为：
   V * Ton =(Vin - Vo) * Ton。                  电流按照红色箭头流向。
   当PWM驱动低电平使得NMOS管Q1截至时，电感电流不能突变，经过续流二极管形成回路（忽略二极管压降），给输出负载供电，此时电感电流下降，此时电感反向伏秒为：
   V * Toff = Vo * (Ts - Ton）。               电流按照蓝色箭头流向。
   根据电感电压伏秒平衡定律可得：
   （Vin - Vo) * Ton = Vo* (Ts - Ton）。
   即Vo = D * Vin （D为占空比）。
2. BOOST升压型
   原理图如下：
   
   分析：
   
   当PWM驱动高电平使得NMOS管Q1导通，忽略MOS管的导通压降，电感电流呈线性上升，此时电感正向伏秒为：
   V * Ton = Vin * Ton。           电流按照红色箭头流向。
   当PWM驱动低电平使得NMOS管Q1截至时，电感电流不能突变，经过续流二极管形成回路（忽略二极管压降），给输出负载供电，此时电感电流下降，此时电感反向伏秒为：
   V * Toff = (Vo - Vin) * (Ts - Ton）。      电流按照蓝色箭头流向。
   根据电感电压伏秒平衡定律可得：
   V*Ton = V*Toff;
   即：Vin * Ton = (Vo-Vin) * (Ts-Ton）。
   即Vo = Vin / (1-D) （D为占空比）。
3. BUCK-BOOST极性反转升降压型
   与以上两种不同，输出极性相反。原理图如下：
   
   分析：
   
   
   当PWM驱动高电平使得NMOS管Q1导通，忽略MOS管的导通压降，电感电流呈线性上升，此时电感正向伏秒为：
   V  * Ton = Vin * Ton。          电流按照红色箭头流向。
   当PWM驱动低电平使得NMOS管Q1截至时，电感电流不能突变，给输出负载供电，经过续流二极管形成回路（忽略二极管压降），此时电感电流下降，此时电感反向伏秒为：
   V * Toff = -Vo * (Ts - Ton)。       电流按照蓝色箭头流向。
   根据电感电压伏秒平衡定律可得：
   Vin * Ton = V * Toff;
   即：Vin * Ton = -Vo*(Ts - Ton)。
   即Vo = -Vin * D / (1-D) （D为占空比）。
4. 小结
   通过以上三个基本拓扑结构可以看出，输出电压与驱动MOS管的PWM信号的占空比有关，所以根据这个特性，一般的DC/DC芯片通过反馈电压与内部基准电压的比较，来调整内部的驱动MOS管信号的占空比，进而保证电压的输出稳定。
    

同步整流技术

由于二极管导通时至少存在0.3V的压降，硅二极管0.6~0.8V，一般0.7V，锗二极管压降小一点0.2~0.3V，一般0.3V。因此续流二极管D1所消耗的功率将会成为DC/DC电源主要功耗，从而严重限制了效率的提高。为解决该问题，我们以导通电阻极小的MOS管取代续流二极管。然后通过控制器同时控制开关管和同步整流管，但两个MOS管不能同时导通，否则将会发生短路。

DC/DC电源调制方式

DC/DC电源属于斩波类型，即按照一定的调制方式，不断地导通和关断高速开关，通过控制开关通断的占空比，可以实现直流电源电平的转换。DC/DC电源的调制方式有三种：PWM方式、PFM方式、PWM与PFM的混合方式。

1. PWM（脉冲宽度调制）
   PWM采用恒定的开关频率，通过调节脉冲宽度（占空比）的方法来实现稳定电源电压的输出。即定频调宽。这是一种最常用的调制方式。在PWM调制方式下，开关频率恒定，即不存在长时间被关断的情况。当输出电压发生变化时，通过环路的控制，便会使驱动信号的占空比发生改变，从而维持输出电压的恒定。
   
   优点：噪声低、效率高，对负载的变化响应速度快，且支持连续供电的工作模式。控制电路简单，易于设计与实现，输出纹波电压小，频率特性好，线性度高，并且在重负载的情况下有及高的效率。
   
   缺点：轻负载时效率较低，且电路工作不稳定，在设计上需要提供假负载。
    
2. PFM（脉冲频率调制）
   PFM通过调节开关频率以实现稳定的电源电压的输出。驱动信号的脉冲宽度保持恒定，但脉冲出现的频率发生改变。即定宽调频。PFM工作时，在输出电压超过阈值电压后，其输出将关断，直到输出电压跌落到低于下阈值电压时，才重新开始工作。当输出电压发生变化时，通过环路的调整，而使脉冲出现的频率发生改变，从而实现对电路的控制与调整。PFM又可以分为恒定驱动信号的高电位时间以及恒定驱动信号的低电平时间两种方式。
   
   优点：功耗较低，频率特性比较好，轻负载时，效率高且无需提供假负载。
   
   缺点：对负载变化响应较慢，输出电压的噪声和纹波相对较大，后级滤波设计比较麻烦。不适合工作于连续供电方式。
    
3. PSM（定频定宽调制）
   其驱动信号的频率与宽度都保持恒定，只是，当负载为最重的情况时，驱动信号满频工作，当负载变轻时，驱动信号就会跳过一些开关周期，在被跨过的周期内，开关功率管一直保持为关断的状态。当负载发生变化时，通过改变跨过周期的数目以及跨周期出现的次数，来实现对系统的调整与控制。
   
   优点：相比PWM调制，在轻负载的情况下，PSM要有更高的效率，并且其开关损耗与系统的输出功率成正比，与负载的变化情况关系不大。
   
   缺点：输出电压纹波大，不适合精密电路或者系统供电。
    
4. 小结：
   三种调控方式各有优缺点，在使用时，我们应该根据电路的应用情况而进行合理的选择。很多电路中通常都选择PWM与PFM或者PSM相结合的方式，以保证系统在整个负载范围内都有比较高的效率。

DC/DC芯片的内部构造

下图即为DC/DC电源芯片（TI  LM2675）内部的单元模块框图：

1. 误差放大器
   误差放大器的作用就是将反馈电压（FB引脚电压）与基准电压的差值进行放大，然后再用该信号去控制PWM输出信号的占空比。
2. 温度保护
   当温度高于限定值，芯片停止工作。
3. 限流保护
   如果电流比较器的电阻上的电流过大，输出就会降低，直到超过下限阈值，电源芯片就会出现打嗝现象。这个模式可以在输出发生短路的情况下很好地保护芯片，保护稳压管，一旦过流现象消除，打嗝也会消除。
4. 软启动电路
   用于电源启动时，减小浪涌电流，使输出电压缓慢上升，减小对输入电源的影响。

DC/DC电路的硬件设计

下图是我用到过的MPS的一款芯片MP1471A，设计时基本参照下图参考设计来进行，只不过在电源输入端加了些两个电容，输出端又加了多个电容进行滤波，下面的一些参数需要按照自身需求进行计算。

1. 设置输出电压
   先选择合适的R2，R2过小会导致静态电流过大，从而导致加大损耗；R2太大会导致静态电流过小，而导致FB引脚的反馈电压对噪声敏感，一般在数据手册中有推荐值范围参考。选定R2，根据输出电压计算R1的值，R1=（（Vout-Vref）/Vref）*R2。
2. 电感
   电感的选择要满足直到输出最小规定电流时，电感电流也保持连续。在电感选取过程中需要综合输出电流、纹波、体积等多个因素进行考虑。较大的电感将导致较小的纹波电流，从而导致较低的纹波电压，但是电感越大，将具有更大的物理占用面积，更高的串联电阻和更低的饱和电流。一般在芯片的datasheet中会有相应的计算公式。
3. 输出电容
   输出电容的选择主要是根据设计中所需要的输出纹波的要求来进行选取。电容产生的纹波：相对很小，可以忽略不计;电容等效电感产生的纹波：在300KHz~500KHz以下，可以忽略不计；电容等效电阻产生的纹波：与ESR和流过电容电流成正比，该电流纹波主要是和开关管的开关频率有关，基本为开关频率的n次谐波，为了减少纹波，让ESR尽量小。

比较懒有些图没有手动画，有些在网上找的。另外推荐两篇文章讲述DC/DC和开关电源三大拓扑结构的文章
电子发烧友：http://www.elecfans.com/dianyuan/951278.html
知乎：https://zhuanlan.zhihu.com/p/52887325