原创 信号链基础知识之开关型稳压器

        上一篇文章中探究了一下线性稳压器的原理与应用，其中印象最深刻的莫过于这类器件的efficiency问题了，Poor Efficiency几乎是人尽皆知！而且由于芯片内部是串联结构的缘故，导致Regulated Output Voltage必定是小于其Input Voltage。这些使得电路设计者是“欲弃之而又不舍”啊——可是它产生的噪声那是相当的Ultra Low，设计电路时基本不需要考虑EMI问题，且电路设计很简单、输出纹波电压小。继续信号链基础知识系列的探讨，本文将解析开关型稳压器的拓扑电路原理、应用以及几个需要注意的方面。

        开关型稳压器和线性稳压器的拓扑电路是大体一致的，最主要的差别是以前的“Pass Element”现在变成了“Switching Element”，如下图所示： 

Analysis：此时，调整管不是工作在放大状态，而是开关状态，电路通过引入负反馈，控制开关的“断开时间”和“导通时间”——即控制占空比，得到矩形波，再经LC滤波，得到直流电压，以此达到自动调节输出电压的目的。正是由于这样的一个工作机理，使得其输出电压的纹波系数要大于线性稳压器的！

        开关型稳压器中最核心的组成部分当属DC-DC变换器，它有很多类型，如Boost、Buck、Buck-Boost、Cuk、Charge-Pump等，本文将着重分析介绍前面三种。

1、Boost Converter：

a）当MOS管饱和导通时，

        流经电感的电流表达式为

        由于此时电感上的压降为uL=Ui，所以iL近似随时间线性增长，在ton时间段内，有

b）当MOS管截止断开时，

        流经电感的电流表达式为

        由于此时电感上的压降uL=Uo-Ui，所以iL近似随时间线性递减，在toff时间段内，有

        为了保持流经电感上的电流能够连续，则要求

                即

        可见，调节调整管的开关时间ton即可调节Uo的值，且由于ton/T恒小于1，so，Uo必定大于Ui，此即升压（Boost）型DC-DC变换器。

2、Buck Converter：

a）当MOS管饱和导通时，

        流经电感的电流表达式为

        由于此时电感上的压降uL=Ui-Uo，所以iL近似随时间线性增长，在ton时间段内，有

b）当MOS管截止断开时，

        流经电感的电流表达式为

        由于此时电感上的压降uL=Uo（暂且忽略二极管的压降），所以iL近似随时间线性递减，在toff时间段内，有

        为了保持流经电感上的电流能够连续，则要求

                即

        可见，调节调整管的开关时间ton即可调节Uo的值，且由于ton/T恒小于1，so，Uo必定小于Ui，此即降压（Buck）型DC-DC变换器。

3、Buck/Boost Converter：

a）当MOS管饱和导通时，

        流经电感的电流表达式为

        由于此时电感上的压降uL=Ui，所以iL近似随时间线性增长，在ton时间段内，有

b）当MOS管截止断开时，

        流经电感的电流表达式为

        由于此时电感上的压降uL=-Uo，所以iL近似随时间线性减小，在toff时间段内，有

        为了保持流经电感上的电流能够连续，则要求

                即

        从上面表达式可以看出，

        （Ⅰ）当ton/T=0.5时，Uo=-Ui，即Inverter；

        （Ⅱ）当ton/T>0.5时，Uo>Ui即Boost Converter；

        （Ⅲ）当ton/T<0.5时，Uo<Ui即Buck Converter；

        有些应用于输出、输入高压差的情况下，为了保护开关管，需要采取电气隔离的措施，则可以在开关管和二极管之间跨接一个变压器解决这个问题，

给它一个名字叫“Flyback Converter”。

        在DC-DC拓扑电路基础上加上PWM控制环路后，便可得到一个比较简单的开关型稳压电路了。举个例子如下：

        到此为止，开关型稳压器拓扑电路的工作原理我已经作了比较清晰、直白的分析，然后再来看看几个需要注意的问题，为电路设计的实际操作做好坚实的理论基础。

（1）关于开关管的问题：

        在实际应用电路中，调整管的“开关”都是由能够承受高反峰电压的双极型功率晶体管或MOS管实现的。其开关特性主要由极间电容体现的，极间电容越小，开关速度就可以越快。

（2）关于续流二极管的问题：

        选用这种器件时，若电路工作电流比较大，则应选用面接触型二极管；反之，若电路工作电流不大，则可选用点接触型二极管。

        特别需要注意的一点就是：二极管在开关型稳压器中带来的应力问题。在开关频率非常高的情况下，二极管进入工作状态需要一定的时间，且在开始工作的初始几个纳秒内，二极管的压降会高于标称二极管的箝位电压。二极管的这个鲜为人知的“属性”在低压、高速开关应用中对于输出电压的纹波“贡献”尤为大。而且二极管的反向恢复时间一般要大于正向导通时间，这也会造成输出纹波一定程度的恶化。所以关于二极管的选取，需要事先做一下它的特性分析和现场调试。

（3）关于电感、电容的问题：

        这里电感主要是起到储存能量—释放能量的作用，而且储能量一般较大。当电感值过小时，会造成电感上的电流纹波过大，所以最好是选择功率电感器。更加给力的是：大电感便于电路在更低的输入电压下启动。

        为了使输出电压的纹波尽量减小，电容C的取值应该足够大，而且建议使用ESD低的但电容。最好不要选电解类电容器，因为这种电容器那是“出了名”地高泄漏！不利于输出纹波的减小。

        本文小结：总上所述，尽管开关型稳压器有这么多的“好处”，但是不可否认的是，它确实有一些“瑕疵”——噪声大、输出纹波大、不易检修等。开关电源的设计需要丰富的模拟电路知识和经验，涉及到元器件选取、控制环路、EMC等很多方面，这也是模拟电路工作者需要努力的方向，毕竟国内开关电源的设计水平和国外相比还是有比较大的差距的。不过，所谓凡事不可“沙滩建高楼”，倘若把基础知识打扎实了，再加上好的机遇，那么相信在不远的将来“后来者居上”也并非难事！