欢迎光临专业集成电路测试网~~欢迎加入IC测试QQ群:111938408

专业集成电路测试网-芯片测试技术-ic test

DC/DC Converter(Switch Regulator)

时间:2018-04-19 11:51来源:Jian的ATE学习手记 作者:Jian Wu 点击:
    大家可能都见过Boost(Step-up 升压),Buck(Step-down 降压), Buck-boost(step-up/step-down/inverse 既能升压又能降压还能反相) converter这样的名字,它们都属于DC-DC Regulator。
    与标准线性Regulator和LDO不同,DC/DC的设计并不是以“电压转换”为灵感的,而是以“能量转换”为灵感的。所以它不像线性Regulator那样,通过反馈电路调整放大倍数,通过转换电压给负载供电。DC/DC是通过电感、电容这样的储能原件为负载供电。多么天才的想法,既然一直对于线性Regulator的自身能耗耿耿于怀,为什么不干脆直接转换能量呢?感谢磁场,让我们可以把电能以另外一种形式储存,感谢电感,让我们可以把电能转换成磁能。
    由于电感只有在电流电压不断变化的过程中才能实现不断充电/放电的过程,因此DC/DC通常是由一个脉宽调制(PMW)的开关(Switch)来控制的。这也是为何有些DC/DC converter又称作Switch Regulator的原因。
    基本的原理图很简单,下图显示了一个Buck Converter的基本结构:
 
   
Buck DC/DC Converter的基本原理图
1. 当S闭合时,二极管D反偏,电流从电源经过开关S,电感L,经过负载R,返回到电源负端。
 
2. 当S打开时,电感L阻止电流的突然变化,继续保持电流方向,二极管D导通,电感L、负载R、二极管D构成回流通路。
 
3. 我们可以看到,用电感给负载供电,就像是一个不稳定的电流源。显然不符合应用需求。加在负载两端的电容C起到稳定R两端电压、滤除开关谐波的作用。
 

 
    由于DC/DC的功率只消耗在电感内阻和电源内阻上,因此DC/DC的能耗相比于线性Regulator要小很多。因此散热要求也小很多,所以封装尺寸也小很多。又由于DC/DC不光可以降压,也可以升压,也可以反向供电,灵活性要高很多。看起来百利而无一害。但它也是有缺陷的:即无法避免的开关纹波,且应用电路复杂。
    在分析DC/DC的输出性能时,有一个重要的近似,即,小纹波近似(Small ripple approximation),就是假设DC/DC converter是well design的,则与输出电压相比,纹波非常小可忽略。因此得出输出电压V=v(t)。(真正的输出电压应该是V=v(t)+vripple(t))由此可以得出,流经电感的电流变化,是对时间呈固定斜率的线性关系的。
    除此之外,还有两个原则:电感的伏秒平衡原则(volt-second balance),和电容的安秒平衡原则(amp-second balance).就是说,在一个时钟周期内,在电感内积聚的能量和放出的能量相等,再加上电流是线性变化的,就表现为一个时钟周期内电感两端电压总变化为0. 安秒平衡原则则是针对电容,在一个时钟周期内,积聚的电流和流出的电流总变化为0.(本质仍然是累积的电荷Q和放出的电荷Q相等)
    具体的推导过程十分繁琐,就不占篇幅贴公式了,直接来看图说明DC/DC的工作模式:
 
Relay闭合和打开时的等效电路,
左图relay闭合,二极管D反偏,电流从电源经过开关S,电感L,经过负载R,返回到电源负端。
右图relay打开,电感L阻止电流的突然变化,继续保持电流方向,二极管D导通,电感L、负载R、二极管D构成回流通路
 
    
    从红线标出的实际电压输出可以看到,虽然为了简化计算,我们认为电感L中的电流变化是线性的,但是DC/DC的输出始终是带有纹波的。这是由DC/DC的构造决定的。     而我们打开一个Datasheet,往往能看到这样的"Typical Performance Characteristics"
 
LTC3546 Datasheet   
我们可以看到,Vout一直在十几毫伏的范围内抖动。
像LTC3546这种,基于电压反馈控制的脉宽调制型DC/DC converter的原理可以参考下图:
    
调制波形和输出波形如下图所示:
 
 这样,DC/DC输出的电源的信号频带分布如图所示:

 
   
    可以看到,在PWM型DC/DC converter输出的电压中,除了DC直流信号之外,在调制信号频率、调制频率的谐波、开关频率和开关频率的谐波处,都会有一些信号。
    如果DC/DC的输出这么杂乱,那么它到底好还是不好呢?实际上现在很多高性能DC/DC converter的开关频率已经可以达到2MHz以上,纹波控制在十几毫伏以内,对于大部分应用来说已经相当稳定。而给射频电路供电时,可以在DC/DC之后针对该器件的开关频率针对性地添加陷波电路,也可以完美胜任。而DC/DC的天然优势--能耗低,对于大功耗的、电池供电的移动便携设备是独一无二的选择。
    那么,对于ATE来说呢?
    我个人认为,ATE的load board设计,与消费类PCB设计最大的区别就是,非常宽松的应用空间,非常宽松的走线层数,极高的稳定性要求。
    因为芯片在制造过程中,良品和不良品有时候并不是非黑即白的pass/fail,在较稳定的测试环境下得到的良率,会比较差的测试环境下得到的良率高。这都是钱啊。
    而且ATE load board对于能耗本身没有什么要求。用DC/DC给外围电路供电虽然没什么错,可是也没太大必要。因为电路设计复杂,要求计算电感、电容的值,以达到前面说的“电感里一直有电流流过”的状态。而且寄生参数也会对DC/DC的电感、电容值值造成影响,所以layout要求比较严格。对于电感的材质也有不同的需求。如果有高低温测试的话,就不得不考虑电感、电容材质的温度系数。那又是一个复杂的问题。
    所以我个人认为,DC/DC是个很厉害的器件,但是不适合ATE load board。
    话虽如此,学习一下也没什么坏处。
    万一哪天用到了呢?
顶一下
(0)
0%
踩一下
(0)
0%
------分隔线----------------------------
发表评论
请自觉遵守互联网相关的政策法规,严禁发布色情、暴力、反动的言论。
评价:
用户名: 验证码: 点击我更换图片