DC/DC变换器拓扑结构及如何实现设计？

环路补偿是设计DC-DC转换器的关键步骤。如果应用中的负载具有较高的动态范围，设计人员可能会发现转换器不再能稳定的工作，输出电压也不再平稳，这是由于控制环路稳定性或带宽带来的影响。了解环路补偿理论有助于设计人员处理典型的板级电源应用问题。

本文分为三个部分。前两部分讨论控制系统理论、通用降压DC-DC转换器拓扑以及如何设计DC-DC控制环路。在第三部分，将以ADI MAX25206为例说明如何应用控制理论来评估和设计DC-DC控制环路。

控制系统理论简介

在自然界中，控制系统无处不在。空调控制室内温度，驾驶员控制汽车行驶的方向，控制煮饺子时的水温，诸如此类。控制是指对生产过程中的一台设备或一个物理量进行操作，使一个变量保持恒定或沿预设轨迹运动的动态过程。通常，自然界中的系统是非线性的，但微观过程可以被视为线性系统。在半导体领域，微电子学会被视为一个线性系统。

可实现自动控制的系统是闭环系统，反之则是开环系统。开环系统的特点是系统的输出信号不影响输入信号。就像在图1中，G(s)是系统在复频域的传递函数。

图1.开环系统

VI是输入信号，VO是复频域的输出信号。图2中的闭环系统具有从输出到输入的反馈路径。系统的输入节点将是输入信号和反馈信号之差。

图2.闭环系统

当控制器迭代直到输入信号等于反馈信号时，控制器达到稳态。使用数学方法可以得到以下闭环系统方程：

然后简化方程如下：

其分母相位(式4)既是开环转换函数(也称为环路增益)。其增益幅度表明反馈的强度，其带宽是闭环系统的可控带宽。当然，其相移也会叠加。应该知道，如果环路增益大于0dB，同时相移为180°，则控制环路将以正反馈工作并形成一个振荡器。这是稳定性设计的一个关键。 设计人员应确保相位裕量和增益裕量在安全范围内，否则整个系统环路将开始自振荡。

通用降压DC-DC转换器拓扑

接下来介绍降压DC-DC转换器的拓扑结构和控制环路。

图3.降压DC-DC模块

图3显示了典型降压转换器原理图，其简化为一个交流小信号电路。它包括三级：斩波调制器、输出LC滤波器和补偿网络。每一级都有自己的转换函数。这三级构成整个控制环路。比较器和半桥构成斩波调制器。比较器输入信号来自振荡器和补偿网络。补偿网络在 闭环反馈路径中实现。调制器的交流小信号增益为

其中VPP为振荡器三角波的峰峰值电压。VCC为半桥的输入功率。在控制理论中，小信号增益既是转换函数。可以看到，调制器没有相移，只有幅度增益。LC滤波器转换函数为

从信息娱乐系统到电池供电的工业物联网(IIoT)传感器，电源转换是许多应用中的基本需求。通常DC/DC 和 AC/DC 电源转换有几种基本的开关模式拓扑架构，具体采用那种类型取决于所需的电压水平和所需的功率。本文将讨论电源转换的基本概念，并展示采用分立和基于模块设计的流行拓扑架构，还将介绍与隔离和稳压相关的重要因素。

电源转换无处不在

在您所使用的大多数技术产品中都会使用电源转换功能。以智能手机为例，它可能包含标称输出电压为3.7V 的锂电池，而手机的许多 IC 和相关功能却需要在不同的电压下运行，最常用的是 1.8V、3.3V 或 5.0V。电源转换功能需要采用 3.7V电池， 并将电压转换为适当的电压电平，可能是高于，也可能是低于电池的标称输出电压。

另一个类似的例子是不起眼但却数量巨大的USB移动电源，这种设备能够帮助我们在旅途中为电子产品充电。同样，它使用单个锂电池提供的3.7V电压，经过DC/DC 转换器升高电压以提供标准 USB 的5V输出。

您的智能扬声器、电视、笔记本电脑、家用电器都需要将电源电压转换为内部电路能够使用的电平。

AC/DC 和 DC/DC 转换包括两种截然不同的技术;线性和开关技术。过去，线性方法广泛用于电源供电设备，但由于需要大型变压器和滤波电容器(smoothing capacitor)等笨重组件，其应用因而受到影响。虽然目前线性稳压器仍在一些专业的 DC/DC 转换中使用，但当今大多数应用都在采用开关稳压器方法。

基于开关的 DC/DC 转换方法依赖于在电感器或电容器中存储能量。与线性方法不同，开关稳压器可以提供高于或低于输入电压的输出电压。图 1 突出显示了开关模式 DC/DC 转换器的基本概念。

一个PWM 信号被施加到半导体器件作为开关驱动信号。PWM 输入的占空比(标记空间比)和频率会直接影响转换效率、负载稳压和输出电压。本质上看，PWM 和开关半导体期间将形成一个电荷泵电路，以便在导通周期间将能量存储在电感器或电容器中。该能量在 PWM 信号关断期间被释放和整流，输出电压的调节应用于 PWM 信号。除了电容器之外，还可以使用变压器作为电感元件来实现输入到输出的隔离。

多年来，有几种 DC/DC 转换器拓扑架构已经变得很流行，这里我们进行简要说明。

流行的 DC/DC 转换器拓扑架构

降压转换器

异步降压转换器拓扑架构是将输入电压转换为较低的输出电压，例如可将5VDC降低至3.3VDC。图2所示为这样一种电路的简单说明。

在图2中，SW1通常是采用PWM信号驱动的晶体管，SW2是二极管。当 SW1 闭合或接通时，电流流过电感器储存能量。当SW1为关断时，能量随着流过 SW2二极管的电流而释放，并提供输出电压。

降压转换器的输出电压取决于开关 PWM 信号的占空比，如图 3 所示。

在同步降压拓扑架构中，二极管被另一个开关元件所替代，通常是采用 FET，它由异相开关信号驱动。 FET 通常具有较低的正向电阻，从而能够减少损耗。

升压转换器

顾名思义，在升压转换器中，输出电压高于输入电压。高多少取决于各种因素，但对于大多数实际来说，输出电压最大值高达输入电压的五倍，而高达三倍对于实现良好的输出电压调节则更为可行，请参见图 4。

与图 2 所示的降压转换器配置相比，开关晶体管 S1、电感器 L1 和二极管 D1(在图 1 中为开关)放在略有不同的位置。当 S1 导通时，能量存储在 L1 中，而当 S1 关闭时，能量被添加到已经跨过输入电容器的输入电压，并传递到输出电容器。

降压和升压转换器均使用很少的组件，这种方法可确保它们具有更高能效，通常高达97%。

上面强调的降压和升压转换器拓扑都不是隔离式，这意味着任何输入电压都可能出现在输出端。如果 DC/DC 转换器由 AC 线路电源供电，则在故障情况下可能会导致输出端出现 AC 线路电压，从而产生潜在的严重后果。医疗和保健等许多应用都需要输入和输出之间的进行电隔离。例如，对于接地连接不常见的情况，在开关稳压器中实现电隔离的一种方法是使用变压器;隔离式反激式转换器即是这样一个例证，参见图 5。

隔离式反激转换器

在隔离式反激转换器中，变压器既是储能电感器，又提供电隔离。这种拓扑架构可能是在所有DC/DC 转换器中最简单的，具有最少数量的组件，但通常仅限于低功率应用 (< 50 W) 和那些可以承受相对较高纹波电流的应用。变压器会引入初级到次级的损耗，因此大多数反激式转换器都难以实现高于 90% 的效率。然而，与降压和升压拓扑架构不同，使用变压器能够通过增加或减少匝数比来实现更宽范围的输出电压。此外，增加的次级绕组可用于提供多路输出电压。

推挽式、半桥和全桥转换器

推挽式、半桥和全桥转换器都是目前在使用的其它一些隔离式开关拓扑架构示例。推挽式架构采用两个开关器件，并在它们之间共享电流，适合更高功率的应用。这种拓扑架构使用分离式中心抽头初级和次级绕组，需要更昂贵的变压器。半桥和全桥拓扑架构类似于推挽，但只需要一个初级绕组。半桥使用两个开关器件，全桥使用四个，请参见图 5。

输出调节

DC/DC 转换器设计除了需要基于特定拓扑架构之外，如何稳定输出电压也是一个重要考虑因素。在所有负载条件下，实现对输出的严格调节对于具有快速变化动态计算负载的处理器来说尤其重要，必须快速准确地将输出电压反馈到 PWM 开关功能以适当调节占空比。今天，大多数 DC/DC 转换器控制 IC 都包含此项功能，在非隔离拓扑架构中可轻松实现这一任务。

但是，实现输入到输出的隔离需要额外的组件，从而增加了 BOM 成本，比较受欢迎的隔离反馈方法包括使用附加的变压器或光耦合器。对额外组件的需求不仅会增加BOM成本，还会增大 PCB 空间要求。在当今空间受限的设计中，需要将 PCB 空间保持在最低限度。此外，除了 BOM 成本外，设计中使用的组件数量越多，组件采购和物流可能遇到的挑战就越复杂。使用更多组件也会影响最终产品的可靠性。