第三講--開關(guān)穩(wěn)壓器

開關(guān)穩(wěn)壓器是所有DC-DC轉(zhuǎn)換器中最高效的一種穩(wěn)壓器。開關(guān)穩(wěn)壓器能效顯著高于線性穩(wěn)壓器，當(dāng)然，其不利的一面是開關(guān)過程中會產(chǎn)生很高的輸出噪聲。不過，開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)廣泛適用于各種應(yīng)用場合，包括步升 (升壓)、步降 (降壓)和轉(zhuǎn)換電壓調(diào)節(jié)(升壓/降壓)。

開關(guān)穩(wěn)壓器中內(nèi)置功率開關(guān)管 (通常為垂直金屬氧化物半導(dǎo)體，簡稱VMOS，但也可采用雙極器件)。功率開關(guān)管開/關(guān)工作周期確定儲存多少能量，然后為負(fù)載供電。與線性穩(wěn)壓器采用電阻間能效低下的壓降方式調(diào)節(jié)電壓不同，相對來說，開關(guān)穩(wěn)壓器幾乎無功耗! 其秘密就在于其中的功率開關(guān)管。開關(guān)管打開時，其兩端為高電壓，而電流為零。開關(guān)管閉合時，開關(guān)管輸出高電流，而兩端電壓為零! 由于從電感器過來的電壓和電流存在90度相位差 (也沒有DC壓降)，因此開關(guān)穩(wěn)壓器可以達(dá)到極高的能效水平。

圖1 步升開關(guān)穩(wěn)壓器 (升壓轉(zhuǎn)換器)

下面，以升壓轉(zhuǎn)換器為例，簡要介紹步升開關(guān)穩(wěn)壓器的功能 (參見圖1)。圖1所示是一種簡單的升壓轉(zhuǎn)換器，由電感、功率開關(guān)管、整流二極管和電容組成。電感的主要功能是儲能并限制進(jìn)入開關(guān)管的電流變化率 (否則只能單獨(dú)由開關(guān)電阻限制高峰值電流)。在穩(wěn)定狀態(tài)條件下，開關(guān)管打開，電感為電容充電，直到+Vout與+Vin相等 (二極管電流為零)。開關(guān)管閉合時，由于二極管防止電容+Vout (仍然等于+Vin)對地放電，輸入電壓+Vin作用于電感。通過電感的電流以+Vin/L比率線性增長，di/dt (隨開關(guān)管閉合時間) 。而當(dāng)開關(guān)管再次打開時，電感電流經(jīng)整流二極管為電容充電，電壓以I/C比率按dv/dt比值增長 (隨開關(guān)管打開時間)。如果功率開關(guān)管工作周期 (D=tclosed/(tclosed+topen)) 等于50%，理想條件下+Vout可以達(dá)到Vin+Vin，即兩倍于施加的輸入電壓 (因為穩(wěn)定狀態(tài)下，平均電感電壓肯定等于零) ! 當(dāng)然，工作周期DV會相應(yīng)改變，而調(diào)整輸出電壓可以得到Vout=Vin/(1-D)的結(jié)果。這為用戶采用升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在DC輸入電壓(+Vin) 限定的條件下，以加倍DC輸出電壓，在給定的整體能效范圍內(nèi)驅(qū)動電路負(fù)載提供了極大的靈活性。

當(dāng)然，雖然理想的升壓轉(zhuǎn)換器在功效方面具有顯著優(yōu)點(diǎn)，但也需要考慮電路的實際限制性。升壓轉(zhuǎn)換器最大的功耗因素是整流二極管。簡單的功耗計算方法為(熱狀態(tài)下)，正向壓降乘以穿過整流二極管的電流。為最大限度提高效率，可用另一支功率開關(guān)管取代二極管。這支整流開關(guān)管可在主開關(guān)和閉合時，以先斷后通的模式打開，從而防止兩支開關(guān)管同時導(dǎo)通。采用這種配置，功效可以達(dá)到90%以上。

以National Semiconductor公司的LM2578A/LM3578A開關(guān)穩(wěn)壓器為例，這種開關(guān)穩(wěn)壓器采用雙極型晶體管作為功率開關(guān)器件。它含有一個板載振蕩器，可利用一支1Hz至100 kHz以下 (典型值) 外接電容設(shè)置開關(guān)頻率。輸出電流最高可達(dá)750 mA，帶有限流和熱關(guān)斷功能。當(dāng)LM2578A/LM3578A按升壓轉(zhuǎn)換器配置時 (例如，Iout=150 mA時，Vin=+5V，Vout=+15V)，器件的負(fù)載調(diào)節(jié)為14 mV (30 mA< Vin < 8.5V)。同樣，線性調(diào)節(jié)是在給定輸入電壓范圍內(nèi) (∆Vin)，改變輸出電壓 (∆Vout)。在DC電源控制的系統(tǒng)中，可以相當(dāng)輕松地控制線性調(diào)節(jié)。但在使用開關(guān)穩(wěn)壓器時，設(shè)計人員需要當(dāng)心，因為器件Iout電流中固有的常量變化，會造成負(fù)載調(diào)節(jié)輸出電壓不穩(wěn)。14 mV 負(fù)載調(diào)節(jié)會使15V系統(tǒng)產(chǎn)生約.1%的波動，而且在沒有正確去耦的情況下，開關(guān)噪聲 (來自電路負(fù)載) 會向后感應(yīng)到升壓轉(zhuǎn)換器的Vout (我們將在后面詳細(xì)說明)，這樣，會使電路負(fù)載性能下降變得非常難以管理。

總之，當(dāng)能效成為首要因素 (如電池供電的便攜式設(shè)備)，以及+Vin電源一般為DC電壓，而需要較高+Vout輸出電壓時，開關(guān)穩(wěn)壓器是最理想的選擇。同時，在大功率情況下 (高于幾瓦)，開關(guān)穩(wěn)壓器更加經(jīng)濟(jì)，因為它們產(chǎn)生的熱量小，從而消除了復(fù)雜的散熱設(shè)計的成本并節(jié)省了空間。注意開關(guān)穩(wěn)壓器輸出電壓紋波，及對其所驅(qū)動的電路產(chǎn)生的影響，可以顯著提高設(shè)計水平。