DC-DC降壓電路(BUCK Converter)通過PWM調制技術,控制功率開關管的導通占空比,實現能量從輸入到輸出的高效傳遞。DC-DC降壓電路典型拓撲包含功率開關管(MOSFET)、續(xù)流二極管、儲能電感和輸出電容四大核心組件。當開關管導通時,輸入電壓直接向電感和負載供電;截止時,電感通過續(xù)流二極管維持輸出,形成連續(xù)的能量轉換循環(huán)。
DC-DC降壓電路是將直流電壓轉換成為低電壓的直流。
DC-DC降壓電路相比較LDO,轉換效率更高,一般可高達百分之九十,發(fā)熱量減少。
DC-DC電路根據反饋調制電壓,輸出電壓穩(wěn)定。電路的缺點是用到器件較多,引入了更多成本。
DC-DC電源芯片的規(guī)格書中,一般常見兩種整流方式,同步整流和異步整流。同步整流和異步整流技術對比如下圖所示:
同步降壓電路續(xù)流電路中是電阻極低的MOS管,異步降壓電路是二極管,由于MOS管的內阻小,決定了同步整流功耗低。
成本:MOS管的價格比二極管貴,所以成本方面,同步降壓電路不占優(yōu)勢。
帶載:輕載時,同步整流的工作效果優(yōu)于異步整流,異步整流的工作在不連續(xù)的模式時,會產生很大的諧波噪聲。
如何通過DC-DC電源芯片外圍快速判斷出升壓電路還是降壓電路呢?若電感串聯在switch引腳與輸出端之間,且二極管正向導通方向為輸入到輸出,則為BUCK電路。
外部電感應該怎么選擇呢?一般降壓電路中電感大小公式如下:
其中VOUT是輸出電壓,VIN是輸入電壓,fS是開關頻率,IL為紋波。一般規(guī)格書上會有一個推薦電感值,參照即可。
與LDO相比,DC-DC降壓電路效率顯著提升:
1. 效率突破:典型效率達90%-95%,LDO僅40%-60%;
2. 熱管理:功耗降低70%以上,簡化散熱設計;
3. 動態(tài)響應:支持高頻開關(MHz級),瞬態(tài)響應速度提升10倍;
4. 寬輸入范圍:支持4:1以上輸入電壓比,LDO僅支持1.5:1;
通過外圍元件布局可快速判別電路類型:
1. 電感位置:降壓電路中電感必串聯在開關管與輸出端之間;
2. 二極管極性:續(xù)流二極管陽極接開關管漏極,陰極接輸出正極;
3. 反饋網絡:存在光耦或分壓電阻網絡,連接輸出到反饋引腳;
4. 關鍵波形:
開關管漏極:PWM波形(幅值=VIN);
電感節(jié)點:三角波疊加PWM;
輸出端:低紋波直流電壓;
1. 高頻化:MHz級開關頻率實現微型化(如TI LM5122)
2. 數字化:集成ADC+DPWM實現自適應控制(如ADI LTC3880)
3. 集成化:內置MOSFET的Power Module方案(如MPS MPQ4420)
4. GaN技術:新一代氮化鎵器件實現更高效率(>98%)
消費類電子:手機快充(12V→5V@3A);
工業(yè)控制:PLC供電(24V→3.3V@1A);
汽車電子:車載信息娛樂(48V→1.8V@10A);
新能源:光伏優(yōu)化器(40V→12V@5A);
通過合理選擇整流方式、精確設計電感參數,結合現代控制算法,DC-DC降壓電路可在95%效率區(qū)間內穩(wěn)定運行,成為現代電源設計的首選方案。
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