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來源：Digi-Key 作者：Kevin Chow 前言 大多數(shù)電子系統(tǒng)能正常工作，往往需要電源電壓和系統(tǒng)之間進行電壓轉(zhuǎn)換。在電壓轉(zhuǎn)換設(shè)計過程中，實在有不少因素——如精準度、電源管理和效率等——需要注意的。本文將重溫電源穩(wěn)壓器的基本原理，并介紹不同拓撲結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)設(shè)計的重要性，借此幫助大家輕松設(shè)計電源。那么，先從一些常見電路拓撲結(jié)構(gòu)說起…… 低壓差穩(wěn)壓器 在現(xiàn)今電源設(shè)計中，低壓差穩(wěn)壓器（LDO）是最簡單的電壓轉(zhuǎn)換的形式之一。 LDO 是線性穩(wěn)壓器，而不是開關(guān)穩(wěn)壓器，其原理是在輸入電壓和輸出電壓之間放置了一個可調(diào)電阻，這意味著輸出電壓是固定的，與輸入電壓如何變化以及通過設(shè)備的負載電流無關(guān)。圖 1 顯示了這種簡單電壓轉(zhuǎn)換器的基本原理。 
圖 1：線性穩(wěn)壓器將一種電壓轉(zhuǎn)換成另一種電壓 (圖片來源: ADI) 以110VAC 輸入電壓為例，利用50Hz / 60Hz變壓器和二極管的橋式整流，將110VAC 轉(zhuǎn)成直流電壓。為使整流后的電壓穩(wěn)定，使用線性穩(wěn)壓器能有效地將該電壓穩(wěn)定。 下圖 2 顯示了這個應(yīng)用的概念，但這個設(shè)計使用笨重且較昂貴的50Hz / 60Hz 變壓器，而且線性穩(wěn)壓器工作中，會散發(fā)會大量熱量，整體系統(tǒng)效率較低。
圖 2：線性穩(wěn)壓器在橋式整流電路的應(yīng)用（圖片來源: ADI） 開關(guān)電源 為了避免圖 2 所示的整流電路的缺點，可以考慮使用開關(guān)電源。開關(guān)電源的輸入不再依賴50Hz或60Hz 交流電壓， 反而是采用直流電壓或經(jīng)過整流的交流電壓，以生成直流輸出電壓。這優(yōu)點可以提供尺寸更小的方案，而且成本相對較低。這種方法產(chǎn)生的交流電壓不需要正弦電壓波形，一個簡單的 PWM 信號形狀加上一個開關(guān)器件就可以正常工作。 在今天的開關(guān)電源中，開關(guān)穩(wěn)壓器是通過控制晶體管開關(guān)，使輸出電壓保持穩(wěn)定。開關(guān)大多采用MOS管代替雙極晶體管，使開關(guān)速度更快，降低了系統(tǒng)中的開關(guān)損耗。雙極型晶體管的功率效率不高，開關(guān)頻率一般限制在50kHz或100kHz 左右。在高頻開關(guān)中，使用 MOS 管允許在功率級中使用非常小的電感器和電容器。 使用開關(guān)穩(wěn)壓器會帶來了很多好處。它們通�？梢杂行У剞D(zhuǎn)換電壓，對輸出電壓升壓和降壓的控制，并提供相對緊湊和低成本的設(shè)計。不過缺點是它們的設(shè)計和優(yōu)化不是那么簡單，并且它們會從開關(guān)轉(zhuǎn)換和開關(guān)頻率產(chǎn)生 EMI。所以業(yè)界也提供了很多資源，例如應(yīng)用電路及一些電源設(shè)計工具，以利于工程師簡化設(shè)計過程。 電源是否需要隔離 在設(shè)計電源時，一個首先要回答的問題是“是否需要電流隔離”？使用電流隔離可以使電路更安全，抗干擾能力更強，更容易實現(xiàn)升降壓轉(zhuǎn)換，并更容易實現(xiàn)多路輸出和很寬的輸入電壓范圍。 兩種最常見的隔離電源的拓撲形式是“反激”和“正向”。但是為了獲得更高的功率輸出，可以使用其他隔離拓撲如“推挽”、“半橋”和“全橋”。實際上，如果不需要電流隔離，工程師會盡量使用非隔離電源，因為隔離的拓撲形式總是需要變壓器或額外的線路，而且這種設(shè)備往往會增加成本和體積，通常很難滿足定制電源的需求。 較常見的非隔離拓撲 · 降壓轉(zhuǎn)換器 (Buck) 最常見非隔離式開關(guān)電源的拓撲結(jié)構(gòu)是降壓轉(zhuǎn)換器。它將正輸入電壓轉(zhuǎn)換為低于輸入電壓的輸出電壓。其結(jié)構(gòu)簡單，只需要兩個開關(guān)、一個電感器和兩個電容器，如圖 3 所示。高側(cè)開關(guān)從輸入端產(chǎn)生脈沖電流并產(chǎn)生一個開關(guān)節(jié)點電壓，該電壓在輸入電壓和地之間來回震蕩。之后，使用LC 濾波器產(chǎn)生直流輸出電壓。根據(jù)控制高端開關(guān)PWM信號的占空比，產(chǎn)生不同電平的直流輸出電壓。這種 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器非常省電，設(shè)計亦相對簡單，并且需要的元器件很少。
圖 3：降壓轉(zhuǎn)換器的概覽圖 (圖片來源: ADI) 設(shè)計低噪聲系統(tǒng)時要留意，降壓轉(zhuǎn)換器在輸入側(cè)產(chǎn)生脈沖電流，而輸出側(cè)有來自電感器的連續(xù)電流。這就是降壓穩(wěn)壓器在輸入端噪聲很大而在輸出端噪聲不大的原因。 · 升壓轉(zhuǎn)換器 (Boost) 除了降壓外，另一種常見拓撲是升壓。它的拓撲結(jié)構(gòu)由五個基本功率元件組成，與降壓轉(zhuǎn)換器的拓撲有點不同，如圖 4所示。
圖 4：升壓轉(zhuǎn)換器的概覽圖 (圖片來源: ADI) 選擇升壓轉(zhuǎn)換器時，需要留意數(shù)據(jù)表上較普遍列出最大額定開關(guān)電流而不是最大輸出電流。在降壓轉(zhuǎn)換器中，最大開關(guān)電流與可實現(xiàn)的最大輸出電流直接相關(guān)，但與輸入電壓和輸出電壓之間的電壓比無關(guān)。而在升壓穩(wěn)壓器中，電壓比是根據(jù)固定的最大開關(guān)電流而直接影響可能的最大輸出電流。所以在選擇合適的升壓穩(wěn)壓器時，工程師不僅需要了解所需的輸出電流，還需要了解系統(tǒng)需要的輸入和輸出電壓。 升壓轉(zhuǎn)換器的輸入端噪聲非常低，因為與輸入端連接的電感可防止電流快速變化。然而，輸出端噪聲較大，因為LC濾波器位于輸入端，我們會看到脈沖電流流向外部開關(guān)，造成輸出紋波。因此與降壓拓撲相比，輸出紋波更受關(guān)注。 · 反相降壓升壓穩(wěn)壓器 (Inverting) 第三種常見拓撲是反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，其由五個元器件組成。該名稱源于該轉(zhuǎn)換器采用正輸入電壓并將其轉(zhuǎn)換為負輸出電壓的事實。除此之外，輸入電壓可能大于或小于反相輸出電壓的絕對值。例如，輸入端的5V或24V可能會產(chǎn)生-12V輸出電壓。這是可行而無需進行任何特殊的電路修改，如下圖 5所示。
圖 5. 反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的概覽圖 (圖片來源: ADI) 在反相降壓-升壓拓撲中，電感從開關(guān)節(jié)點連接到地。轉(zhuǎn)換器的輸入端和輸出端都看到脈沖電流，輸出電流是不連續(xù)的，使反相降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓往往噪聲較大，所以在低噪聲應(yīng)用中，可以通過增加額外的輸入和輸出濾波來補償。 反相降壓-升壓拓撲在電源設(shè)計中有一個好處，就是任何降壓穩(wěn)壓器均可應(yīng)用此拓撲。如ADI的ADP2441或ADP2442，為了將降壓穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為反相降壓-升壓拓撲結(jié)構(gòu)，電感和輸出電容應(yīng)以與降壓拓撲結(jié)構(gòu)相似的方式連接，如圖6所示。
圖 6：ADP2441/ADP2442 實現(xiàn)的反相降壓-升壓拓撲結(jié)構(gòu) (圖片來源: ADI) · 專業(yè)的拓撲結(jié)構(gòu) 除了以上三種常見非隔離開關(guān)電源拓撲之外，還有更多的拓撲如SEPIC、Zeta、Ćuk 和 4 開關(guān)降壓-升壓。相比以上三種開關(guān)電源拓撲而言，這些拓撲結(jié)構(gòu)都需要額外增加一些有源組件，會增加產(chǎn)品成本，功率轉(zhuǎn)換效率也會降低。一般而言，在電路中添加額外元器件會增加損耗。以下簡單介紹一下這四款不同拓撲的一些最重要功能。 SEPIC：單端初級電感轉(zhuǎn)換器（SEPIC）允許輸出電壓大于或小于輸入電壓的電壓轉(zhuǎn)換，輸出電壓由主控開關(guān)（三極管或MOS管）的占空比控制。升壓穩(wěn)壓器升壓穩(wěn)壓器 IC 可用于設(shè)計 SEPIC 電源電路。要留意，這種拓撲在電路中需要添多額外元件（電感和電容），如圖 7所示. Zeta：Zeta轉(zhuǎn)換器與SEPIC轉(zhuǎn)換器類似，如LT8461 Zeta和SEPIC拓撲的簡化原理圖（圖7）所示，都需要兩個電感（L1A和L1B）、兩個開關(guān)（Q1 和 D1 ）和一個電容器（CF）。 Zeta轉(zhuǎn)換器能夠產(chǎn)生正或負輸出電壓，此外，它沒有右半平面零（RHPZ）問題存在，從而簡化了調(diào)節(jié)回路。 小知識：右半平面零（RHPZ） 含有右半平面零點（RHPZ）的開關(guān)DC-DC變換器發(fā)生占空比突變時，暫態(tài)過程會出現(xiàn)負調(diào)現(xiàn)象，該現(xiàn)象會導致系統(tǒng)暫態(tài)性能變差，負調(diào)持續(xù)時間段系統(tǒng)易形成正反饋而出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，傳統(tǒng)的頻域法無法直接進行控制器設(shè)計，因此對其進行控制較最小相位系統(tǒng)困難的多。
圖7：Zeta 和 SEPIC 拓撲結(jié)構(gòu) (圖片來源: ADI) Ćuk：Ćuk轉(zhuǎn)換器可將正輸入電壓轉(zhuǎn)換為負輸出電壓。它使用兩個電感器，一個在輸入側(cè)，一個在輸出側(cè)，因此輸入和輸出側(cè)的噪聲非常低�？墒�，支持這種拓撲結(jié)構(gòu)的開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的器件并不多，因為調(diào)節(jié)環(huán)路需要一個負電壓反饋引腳。如ADI的LT8331，它需要在輸入和輸出之間使用兩個電感器和一個耦合電容器（C5）。 耦合或阻塞電容器從電路的輸入側(cè)接收能量并將其傳輸?shù)诫娐返妮敵鰝?cè)。 在穩(wěn)態(tài)條件下（即上電后），該電容器兩端的電壓是恒定的，大約等于 VIN（如圖8所示）。
圖8：LT8331實現(xiàn)的Ćuk 拓撲結(jié)構(gòu) (圖片來源: ADI) 四開關(guān)降壓-升壓：這種類型的轉(zhuǎn)換器近年來變得非常流行。四開關(guān)降壓-升壓從正輸入電壓中提供正輸出電壓，該輸入電壓可能高于或低于調(diào)整后的輸出電壓。這類型的轉(zhuǎn)換器能夠提供更高的電源轉(zhuǎn)換效率并且只需要一個電感器，所以該轉(zhuǎn)換器可以取代了 SEPIC的設(shè)計。如ADI的LT8705，它是一款同步四開關(guān)降壓-升壓控制器，運用輸入和輸出側(cè)各兩個開關(guān)，使用穩(wěn)健的同步開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)，以高效率為恒壓或恒流應(yīng)用提供高功率輸出（如圖9所示）。
圖9：LT8705實現(xiàn)的四開關(guān)降壓-升壓拓撲結(jié)構(gòu) (圖片來源: ADI) 開關(guān)穩(wěn)壓器選料上的考慮 要選擇一款開關(guān)穩(wěn)壓器，要了解系統(tǒng)上需要升壓或降壓，接下來要如上文所述決定選擇哪種拓撲類型，對于其他基本參數(shù)，例如“輸出類型”、“電流 - 輸出”及“電壓 - 輸入（最大/小值）”的要求也十分重要。 想要快速鎖定合適的開關(guān)穩(wěn)壓器，工程師只需在Digi-Key官網(wǎng)的搜尋引擎中輸入關(guān)鍵字「DC DC 穩(wěn)壓器」或「穩(wěn)壓器」，進入「PMIC - 穩(wěn)壓器 - DC DC 開關(guān)穩(wěn)壓器」后，產(chǎn)品的詳細參數(shù)便一目了然了。
圖10：Digi-Key官網(wǎng)的 開關(guān)穩(wěn)壓器篩選選項 總結(jié) 本篇文章重溫了電源穩(wěn)壓器的基本知識點，包括： · 了解開關(guān)電源的特點，以及常見電路拓撲的特性以及可以為系統(tǒng)帶來的不同優(yōu)點 · 低壓差穩(wěn)壓器與開關(guān)電源的基礎(chǔ)知識 · 電流隔離的概念，其可使電路更安全，抗干擾能力較強，更容易實現(xiàn)升降壓轉(zhuǎn)換 · 如何更便捷地實現(xiàn)多路輸出和很寬的輸入電壓范圍，以及如何利用不同拓撲讓電路設(shè)計更加多樣化。 |
