开关稳压器相对于线性稳压的优势

在本应用笔记中，您将了解开关稳压器技术的基本要素，并了解其相对于线性稳压的优势。查看一些常见非隔离式 DC-DC 转换器拓扑的基本电路。本文还讨论了用于自动调节转换器输出电压的脉宽调制（PWM）概念，最后讨论了IC级电路的当前集成度。

介绍

电子设备需要直流电压作为各种电压电平的电源输入。交流电源线（公用电源墙插座）或直流电源（电池、太阳能电池板等）是主要的电源输入。通过DC-DC电源转换技术，这些能源可以转换为合适的端电压，为IC和其他设备供电。

对于无隔离的DC-DC降压转换，我们可以使用线性或开关稳压器技术。线性稳压器（图 1）只需插入一个与输入直流串联的电子可变电阻（跨电阻 = 晶体管），即可将电压降至所需值。如果输入或负载电流发生变化，电阻通过反馈环路变化，以保持输出电压恒定。线性调节的最大缺点是功率损耗，即电阻在传递负载电流的同时连续看到输入和输出电压之间的差异。当功率较低时，这种影响不一定是问题。但是，想象一下 10V 直流电源的 5V 负载在 10A 时。在这种情况下，通过电阻的功率损耗为50W，转换效率仅为50%。

图1.线性稳压器。

相比之下，开关稳压器可显著提高转换效率，从而节省能源。这里也使用晶体管，但它们不是用于线性可变电阻模式，而是在开关模式下用作处于ON或OFF状态的开关。当ON时，开关在其两端的电压下降非常小，当OFF时，它通过的电流很少或没有电流。因此，在任一条件下，功耗都很低。事实上，这种方法可以实现超过90%的效率。在前面讨论的示例中，90%的效率意味着转换器的功耗仅为5.5W，而功耗为50W。

图2显示了将温升降至仅10度所需的散热器的尺寸差异。请注意，大多数现代DC-DC转换器的效率足以完全消除散热器，而仅依靠PCB中的铜层来散热。

图2.50W 和 5.5W 10°C 上升时散热器的比较。

降压型开关稳压器内部

图3所示为降压转换器，可将给定的直流输入电压转换为较低的直流输出电压。当 SW1 打开时，（V在， w外） 施加在电感器上，同时在磁场中存储能量并向 V 提供能量外.当SW1关闭时，通过L1的电流不能立即改变，并继续将其能量释放到负载RL和C1。结果，L1中的电流下降，反转L1两端电压的极性。D1 和 L1 之间的开关节点 VLX “飞”负，直到它低于地电位，正向偏置 D1 并为 L1 中的电流设置“续流”路径，以继续流向输出。在调节期间，SW1 以固定频率 F 在 ON 和 OFF 之间切换西 南部，如图 4 所示。SW1导通时间与总开关周期周期T之比s称为转换器“D”的占空比，定义为：

因此，VLX是一个固定频率，在这种情况下，是一个固定占空比脉冲序列，其幅度在V之间交替在和-VD，适用于由L1和C1形成的低通L-C滤波器，其中VD是二极管D1两端的压降。VLX脉冲序列中的分量是开关频率、FSW和直流分量，其值等于脉冲序列在一个开关周期TS上的平均值。使用基本数学和占空比D的定义，图4中VLX脉冲序列的平均值计算如下：

VLX平均= （V在× D） − VD （1 − D） = D （V在+ VD） − VD

如果选择L-C滤波器的截止频率远低于F西 南部，然后 V外是等于VLX的直流电压平均在开关频率F处具有小纹波分量西 南部.因此

V外= D（V在+ VD） − VD

在现代DC-DC转换器电路中，D1被MOSFET取代，以减少压降并提高效率，尤其是在所需的输出电压较低时。在这种情况下，压降VD可以忽略不计，并假定为零，这导致熟悉的降压转换器转换公式：

V外= V在×·

图3.降压或降压转换器。

图4.降压或降压转换器VLX节点波形。

保持输出恒定

为了在给定的输入电压和负载电流范围内保持恒定的输出，我们需要能够监控输出电压并控制开关导通时间。对于SW1或脉宽调制（PWM）的开关占空比变化，我们首先使用误差放大器产生直流信号，该信号与输出电压反馈与固定基准电压之间的差值成正比。然后，我们可以将该信号与所需开关频率下的锯齿形电压进行比较。

图5概述了比较器和输出级依次在误差信号高于锯齿波时提供正电压，在误差信号较低时提供低电压。作为误差电压V控制在锯齿波上上下移动，PWM输出脉冲宽度按比例从窄到宽或从0%到100%占空比变化。如果输出电压低，因为V在减少或负载增加，误差信号变高，产生更宽的脉冲，允许更多的能量通过SW1，并将输出电压提高回其适当的值。如果输出电压高，则会发生相反的情况。输出与输入电压比只是占空比值的值。

图5.脉宽调制方案。

升压电压

如果输出电压需要高于输入，可以将相同的元件重新排列到升压配置中，如图6所示。

在降压转换器中，电流在开关导通周期内直接从输入流向输出，当开关关断时，电感存储的能量填充。

在升压转换器中，能量流完全不同。每个周期所需的总能量在SW1的导通时间内存储在电感中，然后在其关断时间内释放。电感电流不能突然停止，因此当SW1关闭且电感电流趋于下降时，D1和SW1的开关节点呈正向飞行以强制该电流，正向偏置D1并将能量传递到输出。理论上，正电压可以高于输入值，并且使用类似于降压转换器的占空比控制来保持电压处于调节状态。升压转换器的转换比公式是使用与降压转换器类似的原理计算的，如下所示：

图6.降压或降压转换器。

反相降压-升压转换器简介

对输入和输出电压端子的相同组件进行另一次重新排列，得到图7所示的降压-升压转换器。这里，输出电压极性相对于输入反转或“负”，V的幅度外可通过占空比控制变化，从零到任何高负值。在这种情况下，升压转换器的转换比是通过使用与降压转换器类似的原理计算得出的，如下所示：

图7.反相降压-升压转换器。

最先进的转换器集成了多种功能

所讨论的拓扑可以定期产生高效率。甚至开关噪声的历史问题也随着更好的控制和更好的电源开关方案而减少。对于所有三个转换器，误差放大器、振荡器、锯齿波发生器和比较器的控制电子元件都集成在一个芯片中。许多此类功能集风格可从Maxim等供应商处获得。功能多种多样，包括过载检测、过热关断、输入欠压检测等。Maxim的功率转换技术演变如图8所示。

图8.Maxim高密度电源转换集成的演变。

随着功率转换技术的发展，将驱动器级集成到芯片上标志着第二个集成度，其次是功率MOSFET本身。接下来是编程和环路补偿元件，这确实有助于整体元件数量，并减轻设计人员经常迭代的环路稳定任务。

集成L-C滤波器一直是该行业最严峻的挑战之一，因为基本物理特性阻碍了我们。电感器和电容器都是具有物理体积的储能元件。然而，随着MOSFET技术效率的提高，Maxim已经能够成功地提高开关频率，减小电容和电感值以及物理尺寸，从而可以使用先进的封装技术将这些元件共同封装到一个高效、易于使用的电源模块中，为系统开发人员提供“盒中电源”即插即用解决方案。

审核编辑：郭婷