开关稳压器 - 都是DC惹的“祸” 细说DC-DC转换器的抗干扰性

　　去耦可以非常有效地滤除 （频带限制） 线性调节器的噪声功率。线性调节器噪声功率往往规定为几微伏均方根值 （rms），如LM340/78XX系列。这个噪声值可以限定在10Hz至100 KHz窄带宽范围内，但必须注意，如果不采用交流去耦的话 （如上所述），实际噪声带宽会非常高。

　　最后，尽管线性调节器使用简便 （一般为3个端子，即输入、接地和输出），在大部分电路环境下具有出色的DC和AC特性，但在热特性方面存在极大局限性。由于线性调节器内部电路输入电压Vs高于输出电压Vout （Vs-Vout》2V），这种压差（Vs-Vout）乘以输出电流 （Iout） 给出的功率值，最终成为线性调节器和系统的热耗散。必须认真考虑这种热量转换因素。在整个设计中，必须考虑正确散热和系统周围气流问题。例如，如果线性调节器最大结温为150 °C （且系统中没有散热器或气流），系统环境温度可达到125 °C；如果Θja接近 50 °C/W，线性调节器最大功率输出应限制在 0.5W以下，以保持在可接受的结温极限以内。这是为什么线性调节器对于需要大功率和热效率的系统存在显著缺点。下面的文章，我们将讨论解决这两个问题的开关调节器。

　　线性调节器仍是电子器件和系统设计的关键，无论驱动其他器件的独立电路，还是驱动其他片上电路的子单元。为保证整体系统达到最高性能，需要认真设计并遵守技术规格的要求。

　　开关稳压器

　　开关稳压器是所有DC-DC转换器中最高效的一种稳压器。开关稳压器能效显著高于线性稳压器，当然，其不利的一面是开关过程中会产生很高的输出噪声。不过，开关稳压器拓扑结构广泛适用于各种应用场合，包括步升 （升压）、步降 （降压）和转换电压调节（升压/降压）。

　　开关稳压器中内置功率开关管 （通常为垂直金属氧化物半导体，简称VMOS，但也可采用双极器件）。功率开关管开/关工作周期确定储存多少能量，然后为负载供电。与线性稳压器采用电阻间能效低下的压降方式调节电压不同，相对来说，开关稳压器几乎无功耗！ 其秘密就在于其中的功率开关管。开关管打开时，其两端为高电压，而电流为零。开关管闭合时，开关管输出高电流，而两端电压为零！ 由于从电感器过来的电压和电流存在90度相位差 （也没有DC压降），因此开关稳压器可以达到极高的能效水平。

　　

　　图3 步升开关稳压器 （升压转换器）

　　下面，以升压转换器为例，简要介绍步升开关稳压器的功能 （参见图3）。图1所示是一种简单的升压转换器，由电感、功率开关管、整流二极管和电容组成。电感的主要功能是储能并限制进入开关管的电流变化率 （否则只能单独由开关电阻限制高峰值电流）。在稳定状态条件下，开关管打开，电感为电容充电，直到+Vout与+Vin相等 （二极管电流为零）。开关管闭合时，由于二极管防止电容+Vout （仍然等于+Vin）对地放电，输入电压+Vin作用于电感。通过电感的电流以+Vin/L比率线性增长，di/dt （随开关管闭合时间） 。而当开关管再次打开时，电感电流经整流二极管为电容充电，电压以I/C比率按dv/dt比值增长 （随开关管打开时间）。如果功率开关管工作周期 （D=tclosed/（tclosed+topen）） 等于50%，理想条件下+Vout可以达到Vin+Vin，即两倍于施加的输入电压 （因为稳定状态下，平均电感电压肯定等于零） ！ 当然，工作周期DV会相应改变，而调整输出电压可以得到Vout=Vin/（1-D）的结果。这为用户采用升压转换器拓扑结构，在DC输入电压（+Vin） 限定的条件下，以加倍DC输出电压，在给定的整体能效范围内驱动电路负载提供了极大的灵活性。

　　当然，虽然理想的升压转换器在功效方面具有显著优点，但也需要考虑电路的实际限制性。升压转换器最大的功耗因素是整流二极管。简单的功耗计算方法为（热状态下），正向压降乘以穿过整流二极管的电流。为最大限度提高效率，可用另一支功率开关管取代二极管。这支整流开关管可在主开关和闭合时，以先断后通的模式打开，从而防止两支开关管同时导通。采用这种配置，功效可以达到90%以上。

　　以National Semiconductor公司的LM2578A/LM3578A开关稳压器为例，这种开关稳压器采用双极型晶体管作为功率开关器件。它含有一个板载振荡器，可利用一支1Hz至100 kHz以下 （典型值） 外接电容设置开关频率。输出电流最高可达750 mA，带有限流和热关断功能。当LM2578A/LM3578A按升压转换器配置时 （例如，Iout=150 mA时，Vin=+5V，Vout=+15V），器件的负载调节为14 mV （30 mA《 Vin 《 8.5V）。同样，线性调节是在给定输入电压范围内 （Vin），改变输出电压 （Vout）。在DC电源控制的系统中，可以相当轻松地控制线性调节。但在使用开关稳压器时，设计人员需要当心，因为器件Iout电流中固有的常量变化，会造成负载调节输出电压不稳。14 mV 负载调节会使15V系统产生约1%的波动，而且在没有正确去耦的情况下，开关噪声 （来自电路负载） 会向后感应到升压转换器的Vout （我们将在后面详细说明），这样，会使电路负载性能下降变得非常难以管理。

　　总之，当能效成为首要因素 （如电池供电的便携式设备），以及+Vin电源一般为DC电压，而需要较高+Vout输出电压时，开关稳压器是最理想的选择。同时，在大功率情况下 （高于几瓦），开关稳压器更加经济，因为它们产生的热量小，从而消除了复杂的散热设计的成本并节省了空间。注意开关稳压器输出电压纹波，及对其所驱动的电路产生的影响，可以显著提高设计水平。