1.4 三种开关式DC/DC变换器性能比较

1.开关式DC/DC的种类

开关式DC/DC变换器按结构可分为以下三类：

①电感式DC/DC变换器，如图1-51（a）所示；

②电荷泵式DC/DC变换器，如图1-51（b）所示；

③电压调整电荷泵式DC/DC变换器，如图1-51（c）所示。

三种电路的工作过程均为：首先储存能量，然后以受控方式释放能量，以获得所需的输出电压。电感式DC/DC变换器采用电感器来储存能量，而电荷泵式和电压调整电荷泵式DC/DC变换器采用电容器来储存能量。

无调整电容式电荷泵缺少调整电路，可调整电容式电荷泵在基本电荷泵的后端增加线性调整器或电荷泵调制器。线性调整的输出噪声最低，并可以在更低的效率情况下提供更好的性能。因电荷泵没有串联传输晶体管，只是控制开关管的导通和截止，所以可提供较高的效率，在给定的芯片面积（或消耗）下可提供更多的输出电流。增加开关管的开关频率也就增加了电荷泵的静态电流，但可降低C1和C2的电容值。电压调整电荷泵的输入噪声也比基本电荷泵要低，电荷泵工作在高频下，可简化滤波电路，从而进一步降低了传导噪声。

由于电荷泵采用脉冲频率调制技术，当输出电压高于目标调节电压时，调制器是闲置的，此时消耗的电流最小，因为储存在输出电容器上的电荷会提供负载电流。而随着这个电容器不断放电以及输出电压逐渐降到目标调节电压以下，调制器才会被激活并向输出传输电荷。这个电荷供给负载电流，并增加输出电容器上的电压。

电荷泵消除了电感器和变压器所带来的磁场和电磁干扰，但仍然是一个微小噪声源。因泵电容工作在充放电状态，电荷泵工作在1倍压线性模式时可改进工作效率，但又不会像电感式降压调整器那样复杂。

电荷泵可以依据电池电压输入不断改变其输出电压。例如，它在1.5倍压或1倍压模式下都可以运行。当电池的输入电压较低时，电荷泵可以产生一个相当于输入电压的1.5倍压的输出电压。而当电池的电压较高时，电荷泵则在1倍压模式下运行，此时电荷泵仅仅是将输入电压传输到负载中。这样就在输入电压较高的时候降低了输入电流和功率损耗。

2.选择开关式DC/DC变换器需考虑的因素

如图1-51所示的三种变换器的工作原理都是先储存能量，然后以受控方式释放能量，从而得到所需要的输出电压。对某一工作来讲，最佳的电感式DC/DC变换器可以用最小的安装成本满足系统总体需要。这可以通过一组描述开关式DC/DC变换器性能的参数来衡量，它们包括高效率、小的安装尺寸、小的静态电流、较小的工作电压、产生的噪声低、高功能集成度、足够的输出电压调节能力、低安装成本。

1）工作效率

（1）电感式DC/DC变换器。电池供电的电感式DC/DC变换器的转换效率为80%～85%，损耗主要来自外部二极管和调制器开关。

（2）电荷泵式DC/DC变换器。它是基本式电荷泵（如TC7660H），具有很高的功率转换效率（一般超过90%）。这是因为电荷泵的损耗主要来自电容器的ESR和内部开关管的导通电阻（RDS（ON）），而这两者都可以做得很低。

（3）电压调整电荷泵式DC/DC变压器。带电压调节的电荷泵，其在基本电荷泵的输出之后增加了低压差的线性调节器。虽然提供了电压调节，但效率却由于后端调节器的功耗而下降。为达到最高的效率，电荷泵的输出应当与后端调节器的调节后电压尽可能接近。

设计应用中工作效率的最佳选择是：电荷泵式DC/DC变换器（在不需要严格的输出调节的应用中），或电压调整电荷泵式DC/DC变压器（如果后端调节器两端的压差足够小的话）。

2）安装尺寸

（1）电感式DC/DC变换器。虽然很多新型电感式DC/DC变换器都可以提供SOT封装，但它们仍然需要物理外形较大的外部电感器。而电感式DC/DC变换器的电路布局，其自身也需要较大的板级空间（额外的去耦、特殊的地线处理、屏蔽等）。

（2）电荷泵式DC/DC变压器。电荷泵不用电感器，但需要外部电容器。新型电荷泵器件采用SOP封装，工作在较高的频率，因此可以使用占用空间较小的小型电容器（1μF）。电荷泵IC芯片和外部电容器合起来所占用的空间，还不如电感式DC/DC变换器中的电感大，利用电荷泵获得正负组合输出也很容易。例如，TCM680器件仅用外部电容即可支持+2VIN的输出电压。而采用电感式DC/DC变换器要获得同样的输出电压则需要独立的两个变换器，若用一个变换器的话，就得用具有复杂拓扑结构的变压器。

（3）电压调整电荷泵式DC/DC变压器。增加分立的后端电压调节器占用了更多空间，然而许多此类调节器都有SOT形式的封装，相对减少了占用的空间。新型带电压调节的电荷泵器件，如TCM850，在单个8引脚SOIC封装中集成了电荷泵、后端电压调节器和关闭控制。

设计应用中安装尺寸的最佳选择是：电荷泵式或电压调整电荷泵式DC/DC变换器。

3）静态电流

（1）电感式DC/DC变换器。频率调制（PFM）电感式DC/DC变换器是静态电流最小的开关式DC/DC变换器，通过频率调制进行电压调节可在小负载电流下使供电电流最小。

（2）电荷泵式DC/DC变压器。电荷泵的静态电流与工作频率成比例。多数新型电荷泵工作在150kHz以上的频率，从而可使用1μF甚至更小的电容。为克服因此带来的静态电流大的问题，一些电荷泵具有关闭输入脚，以在长时间闲置的情况下关闭电荷泵，从而将供电电流降至接近0。

（3）电压调整电荷泵式DC/DC变压器。后端电压调节器增加了静态电流，因此带电压调节的电荷泵在静态电流方面比基本电荷泵要差。

应用中静态电流的最佳选择是：采用电感式DC/DC变换器（特别是频率调制（PFM）开关式）。

4）最小工作电压

（1）电感式DC/DC变换器。电池供电专用电感式DC/DC变换器（如TC16）可在低至1V甚至更低的电压下启动工作，因此非常适用于单节电池供电的电子设备。

（2）电荷泵/电压调整电荷泵式DC/DC变换器。多数电荷泵的最小工作电压为1.5V或更高，因此适合于至少有两节电池的应用。

应用中最小工作电压的最佳选择是：采用电感式DC/DC变换器。

5）产生的噪声

（1）电感式DC/DC变换器。电感式DC/DC变换器是电源噪声和开关辐射噪声（EMI）的来源。宽带PFM电感式DC/DC变换器会在宽频带内产生噪声，可提高电感式DC/DC变换器的工作频率，使其产生的噪声落在系统的频带之外。

（2）电荷泵/电压调整电荷泵式DC/DC变换器电荷泵不使用电感，因此其EMI影响可以忽略。泵输入噪声可以通过一个小电容消除。

应用中低噪声的最佳选择是：电荷泵式或电压调整电荷泵式DC/DC变换器。

6）集成度

（1）电感式DC/DC变换器。现已开发出集成了开关调节器和其他功能（如电压检测器和线路调节器）的芯片。例如，TC16芯片就在一个SO-8封装内集成了一个PFM升压变换器、LDO和电压检测器。与分立实现方案相比，此类器件提供了优异的电气性能，并且占用较小的空间。

（2）电荷泵式DC/DC变换器为基本电荷泵，如TC7660，没有附加功能集成，占用空间小。

（3）电压调整电荷泵式DC/DC变换器。集成更多功能的带电压调节电荷泵芯片已成为目前的一种发展趋势。很明显，下一代带电压调节功能的电荷泵的功能集成度将与电感式DC/DC变换器集成芯片相当。

应用中集成度最佳选择是：电感式DC/DC变换器。

7）输出调节

（1）电感式DC/DC变换器。电感式DC/DC变换器具有良好的输出调节能力，一些电感式DC/DC变换器还具有外部补偿引脚，允许根据应用“精细调整”输出的瞬态响应特性。

（2）电荷泵式DC/DC变换器。此类器件输出没有电压调节，它们只简单地将输入电压变换为负或n倍的输出电压。因此，输出电压会随着负载电流的增加而下降。虽然这对某些应用（如LCD偏置）并不是问题，但不适于需要稳定的输出电压的应用。

（3）电压调整电荷泵式DC/DC变换器。通过后端线性电压调节器（片上或外部）提供电压调节（稳压）。在一些情况下，需要为电荷泵增加开关级数，以为后端调节器提供足够的净空间。这需要增加外部电容，从而对尺寸、成本和效率带来负面的影响。但后端线性调压器可使带调节电荷泵的输出电压稳定性与电感式DC/DC变换器一样。

应用中输出调节的最佳选择是：电压调整电荷泵式DC/DC变换器。

8）安装成本

（1）电感式DC/DC变换器；近年采用电感式DC/DC变换器成本比以前逐渐下降，并且需要更少的外部元件。但电感式DC/DC变换器最少需要一个外部电感、电容和肖特基二极管。因二极管、电感，再加上相对价格较高的开关变换芯片，总成本要比电荷泵式DC/DC变换器的成本高。

（2）电荷泵式DC/DC变换器。无电压调节的电荷泵比电感式DC/DC变换器便宜，并仅需要外部电容（没有电感），节约了占板空间、电感的成本，以及某些情况下的屏蔽成本。

（3）电压调整电荷泵式DC/DC变换器。带电压调节的电荷泵的成本大约与电感式DC/DC变换器本身的成本相当。在一些情况下，可采用外部后端电压调节器以降低成本，但却增加所需的安装空间和降低工作效率。

应用中安装成本的最佳选择是：在不需要严格稳压的场合的最佳选择为电荷泵，若对输出电压稳压有要求的场合，选择带电压调整电荷泵式DC/DC变换器和电感式DC/DC变换器的成本大致相当。

3.比较结果

如表1-1所示，总结了上述三种开关式DC/DC变换器的比较结果。电感式DC/DC变换器、电荷泵式DC/DC变换器和电压调整电荷泵式DC/DC变换器在应用中各自有相对的优缺点。在考虑到所有因素可以看到，在某些应用中，选用无电压调节和带电压调节的电荷泵比采用电感式DC/DC变换器要好。因此在进行电子设备电源设计时，应结合电荷泵式和电感式DC/DC变换器的技术特性，选择高性价比的电源解决方案。

表1-1 三种变换器性能比较

注：“+”符号多的性能好