标签: 开关型稳压器

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u L=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-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 ，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/T0.5 时， UoUi 即 Boost Converter ； （Ⅲ）当 ton/T0.5 时， Uo 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！