各種降壓穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)和工作原理

目前較常見的電源開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一是降壓電源開關(guān)穩(wěn)壓器。降壓穩(wěn)壓器IC嵌入式控制板和集成化通常選用FET進(jìn)行降壓變換。不僅如此，降壓穩(wěn)壓器IC也可用于各種設(shè)計(jì)，如正反開關(guān)電源、雙正負(fù)極開關(guān)電源及其單個(gè)或多個(gè)單獨(dú)電壓導(dǎo)出的隔離電源。本文詳細(xì)介紹了各種降壓穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)方案，闡述了其原理，并探討了完成該設(shè)計(jì)方案必須考慮的具體要素。

選用降壓穩(wěn)壓器IC降壓轉(zhuǎn)換器

瑞薩電子ISL8541x系列降壓穩(wěn)壓器IC集成上管和埋管FET、二極管和內(nèi)部補(bǔ)償?shù)膬?nèi)部操作可以較大限度地減少外部部件的總數(shù)，并完成非常小外觀尺寸的整體解決方案。此外，該系列產(chǎn)品穩(wěn)壓器IC具備3V~40V寬鍵進(jìn)入電壓范圍，可適用于多節(jié)電池和各種穩(wěn)壓管的電壓導(dǎo)出。文中將以ISL85410降壓穩(wěn)壓器IC以各種應(yīng)用設(shè)計(jì)方案為例。

在電源電路中，當(dāng)所需電壓小于系統(tǒng)軟件中的可用電壓時(shí)，必須使用降壓轉(zhuǎn)換器。例如，選用12V作為輸入電壓的系統(tǒng)軟件，充電電池必須導(dǎo)出5V、3.3V或1.2V微處理器電壓方便，I / O、儲(chǔ)存器和FPGA配電。將高壓轉(zhuǎn)換為低壓，降壓轉(zhuǎn)換器可以延長(zhǎng)系統(tǒng)軟件中的電池循環(huán)次數(shù)，減少排熱，提高穩(wěn)定性。圖1為應(yīng)用ISL85410降壓穩(wěn)壓器IC降壓轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)化電路原理圖。

圖1. 降壓轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)化電路原理圖

導(dǎo)出電壓與鍵入電壓具有相同的正負(fù)極，連續(xù)關(guān)閉（CCM）中間的電壓轉(zhuǎn)化率可以表示為：

(1)D在其中pwm占空比，范圍從0到1，表示導(dǎo)出電壓（VOUT）自始至終小于或等于輸入電壓（VIN）。

選用降壓穩(wěn)壓器IC正反開關(guān)電源

雖然電子控制系統(tǒng)通常使用正電壓，但也必須偶爾使用負(fù)電壓。在這種情況下，正反開關(guān)電源必須用正鍵入轉(zhuǎn)換為負(fù)電壓。為了滿足這一應(yīng)用要求，較常用的解決方案之一是使用正反降壓升壓轉(zhuǎn)換器。

圖2比較了降壓轉(zhuǎn)換器和正反降壓升壓轉(zhuǎn)換器的輸出水平，表明可以根據(jù)轉(zhuǎn)換情況進(jìn)行比較FET Q2和電感器L1獲得正反降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換會(huì)形成不同的電壓轉(zhuǎn)換比和導(dǎo)出電壓的正負(fù)極：

（2）在正反向降壓升壓轉(zhuǎn)換器中，導(dǎo)出電壓強(qiáng)度可高于或小于輸入電壓，輸出電壓相對(duì)于輸入電壓源的接地裝置為負(fù)。

圖2. 降壓轉(zhuǎn)換器和正反降壓升壓轉(zhuǎn)換器的輸出級(jí)

正反降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可選擇相對(duì)高度集成的降壓穩(wěn)壓器IC完成。如下圖3所示，應(yīng)用程序ISL降壓穩(wěn)壓器簡(jiǎn)化電源電路85410。在配備正反降壓-升壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，必須注意兩個(gè)關(guān)鍵差異。第一，輸入電壓（VIN）回到（RTN）聯(lián)接。圖1顯示的降壓轉(zhuǎn)換器輸入電壓RTN同時(shí)也是接地裝置端(即降壓控制器)AGND/PGND管腳)，在正反降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中輸入電壓RTN與接地裝置端不再相同。因而，在完成正相反降壓-升壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，務(wù)必在VIN管腳和RTN（而不是AGND/PGND將輸入電壓源添加到管腳上。

第二，VIN管腳上的電壓內(nèi)應(yīng)力應(yīng)參考AGND管腳。無(wú)論導(dǎo)出電壓如何，降壓轉(zhuǎn)換器中的電壓自始至終相當(dāng)于輸入電壓（VIN）。相比之下，正反降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器中的VIN管腳必須能夠承受鍵入電壓和導(dǎo)出電壓之和（V IN V OUT）。例如，在將24V變換為-5V的制定中，VIN管腳上的電壓內(nèi)應(yīng)力為29V而不是24V。務(wù)必切記VIN管腳上的電壓內(nèi)應(yīng)力不得超過(guò)IC數(shù)據(jù)分析表中要求的額定值電壓必須較大。

圖3. 簡(jiǎn)化正反降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

選用降壓穩(wěn)壓器IC雙正負(fù)開關(guān)電源

許多應(yīng)用，如運(yùn)放電路和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，必須是雙正負(fù)極±5V或±12V開關(guān)電源。一種常用的辦法是應(yīng)用單獨(dú)一個(gè)電源開關(guān)控制器及其藕合電感（通常也稱之為變電器）來(lái)造成負(fù)電壓和正電壓導(dǎo)出。圖4展現(xiàn)了怎么使用降壓轉(zhuǎn)換器和正相反降壓-升壓轉(zhuǎn)換器來(lái)轉(zhuǎn)化成雙正負(fù)極開關(guān)電源。

如下圖4（a）顯示，先將ISL85410降壓穩(wěn)壓器配備調(diào)整正出口VOUT 降壓穩(wěn)壓器，然后根據(jù)增加額外的蓮藕繞阻引起負(fù)導(dǎo)出VOUT-。若對(duì)正輸出VOUT 如果在降壓轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行調(diào)整，則負(fù)導(dǎo)出VOUT-與VOUT 相同的標(biāo)值(簡(jiǎn)單考慮，整流二極管D1方向電壓降被忽略)，但正負(fù)極反過(guò)來(lái)。

圖4. 采用降壓方法（a）或正反降壓-升壓（b）雙極開關(guān)電源簡(jiǎn)化電路原理圖

圖5表明在DT和（1-D）T雙極開關(guān)電源的閉合電路在間隔時(shí)間內(nèi)采用降壓方式。在DT期內(nèi)，上管FET Q1打開，導(dǎo)致整流二極管D1反向電壓偏置，因此次級(jí)繞組中沒有電流流動(dòng)性。在（1-D）T期內(nèi)，Q斷開，電流Ip根據(jù)埋管FET Q二次繞組兩側(cè)的電壓（Vs）相匹配VOUT ，因而D1關(guān)閉，導(dǎo)出電容器COUT電池充電，配電規(guī)范。建議是強(qiáng)制性的CCM配備轉(zhuǎn)換器，完成負(fù)導(dǎo)出電壓（VOUT-）優(yōu)良的電壓調(diào)節(jié)。

圖5. 雙極開關(guān)電源閉合電路采用降壓方式

下面詳細(xì)描述程序的詳細(xì)描述ISL創(chuàng)建并模擬雙正負(fù)極開關(guān)電源的85410SIMPLIS重要主要參數(shù)見表1。

報(bào)表1. 雙正負(fù)開關(guān)電源的主要參數(shù)

如下圖6所示，模擬波型。Q2打開的（1-D）T在此期間，次級(jí)繞組電流（Is）蓮藕電流使總原邊電流（Ip）變成負(fù)數(shù)。根據(jù)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)方案，確保負(fù)電流足夠低，防止降壓穩(wěn)壓器負(fù)電流限制在所有正常工作中打開。

圖6. 雙正負(fù)開關(guān)電源模擬波型采用降壓法

圖4（b）另一種方法是將正反降壓升壓轉(zhuǎn)換為雙正負(fù)開關(guān)電源。與應(yīng)用降壓變換相比，正反降壓升壓變換是降壓控制器IC配備正反降壓-升壓導(dǎo)出負(fù)電壓，用藕合繞阻導(dǎo)出正電壓。與應(yīng)用降壓變換的雙正負(fù)開關(guān)電源不同，當(dāng)鍵入電壓小于導(dǎo)出時(shí)，可以調(diào)整導(dǎo)出(升壓變換)。眾所周知，正反降壓 - 升壓變換中FET電壓內(nèi)應(yīng)力高于降壓變換。表2比較了這兩種變化，并為特殊使用選擇較佳解決方案帶來(lái)了設(shè)計(jì)方案的實(shí)施意見。

報(bào)表2. 雙正負(fù)極開關(guān)電源比較降壓變換和正反降壓升壓變換

選用降壓穩(wěn)壓器IC的隔離電源

電流保護(hù)通常必須導(dǎo)出保護(hù)電壓，提高安全系數(shù)和抗噪性。一般應(yīng)用包括可編程邏輯控制板（PLC）、智能輸出功率計(jì)量檢定IG驅(qū)動(dòng)電源。反激和推挽電路轉(zhuǎn)換器是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的兩種常見解決方案。眾所周知，反激轉(zhuǎn)換器通常需要光耦合器或協(xié)助繞阻來(lái)調(diào)節(jié)導(dǎo)出電壓。此外，反激電源開關(guān)還會(huì)受到高壓峰值的傷害，因此通常必須RCD油壓緩沖器。推挽電路直流變壓器固定50%pwm空比操作可能直接影響導(dǎo)出電壓調(diào)整，有時(shí)必須是另一個(gè)LDO準(zhǔn)確的導(dǎo)出調(diào)整可以完成。

根據(jù)上述雙正負(fù)極開關(guān)電源(圖4)， - 在升壓轉(zhuǎn)換器中，應(yīng)用電感和磁耦合繞阻來(lái)完成更多的導(dǎo)出電壓輸出。根據(jù)這兩個(gè)導(dǎo)出控制電路的簡(jiǎn)單保護(hù)，可以完成保護(hù)電壓導(dǎo)出（參考圖7） 越來(lái)越普遍。

單獨(dú)保護(hù)電壓軌的隔離電源

圖7. 應(yīng)用降壓法（a）或正反降壓-升壓（b）簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單地保護(hù)電壓軌

如下圖7所示，采用降壓穩(wěn)壓器引起保護(hù)電壓導(dǎo)出的兩種方法。雙正負(fù)極開關(guān)電源與圖4相同，只有兩個(gè)導(dǎo)出控制電路(參考)是單獨(dú)的。與變電器線圈匝數(shù)比1:1的雙正負(fù)開關(guān)電源不同，根據(jù)提高隔離電源線圈匝數(shù)比，可在次線圈側(cè)設(shè)置所需的導(dǎo)出電壓。此外，控制板可以根據(jù)調(diào)整進(jìn)行較佳控制pwm空比操作。

帶降壓穩(wěn)壓器的隔離電源具有多種優(yōu)點(diǎn)。如下圖7（a）為此，以降壓方法為例介紹其優(yōu)點(diǎn)。首先，它去除了反激轉(zhuǎn)換器中常見的光耦合器和輔助續(xù)流電源電路。次之，相對(duì)性于反激式轉(zhuǎn)換器，降壓配備在初中級(jí)側(cè)FET低壓內(nèi)應(yīng)力，低壓FET它代表了更低的關(guān)閉電阻和更好的效率。三是初中側(cè)導(dǎo)出（VOUT1)調(diào)整良好，導(dǎo)出保護(hù)（VOUT2）相匹配VOUT1.在寬鍵入電壓范圍內(nèi)，可在次線圈側(cè)進(jìn)行優(yōu)異的導(dǎo)出電壓調(diào)整。與沒有附加LDO與推挽電路直流變壓器相比，可以更快地調(diào)節(jié)電壓。相對(duì)高度集成的降壓穩(wěn)壓器IC，比如內(nèi)部賠償ISL85410在電源電路中的應(yīng)用可以輕松完成。

在表2中，雙正負(fù)開關(guān)電源的優(yōu)缺點(diǎn)與降壓穩(wěn)壓器相同IC對(duì)于隔離電源，電源電路工作人員應(yīng)選擇特殊使用的較佳方式。

幾個(gè)保護(hù)電壓導(dǎo)出的隔離電源

如下圖22個(gè)例子所示，兩個(gè)保護(hù)電壓的導(dǎo)出可以通過(guò)添加大量藕合繞阻來(lái)完成，其原理類似于單個(gè)保護(hù)電壓的導(dǎo)出。

圖8. 采用降壓方法（a）或正反降壓-升壓（b）幾個(gè)保護(hù)電壓導(dǎo)出

結(jié)果

高集成降壓穩(wěn)壓器IC不同的輸出功率變換可以更容易地完成，并達(dá)到不同的應(yīng)用規(guī)定。本文簡(jiǎn)要介紹了這種降壓穩(wěn)壓器IC怎樣用以轉(zhuǎn)化成正相反開關(guān)電源、雙正負(fù)極開關(guān)電源和單獨(dú)一個(gè)或好幾個(gè)隔離電源。相對(duì)高度集成ISL8541x系列降壓穩(wěn)壓器IC鍵入電壓范圍廣，二極管集成運(yùn)行及內(nèi)部賠償。選用這種降壓穩(wěn)壓器IC設(shè)計(jì)方案的正極和隔離電源解決方案具有外部部件總數(shù)少、整體解決方案規(guī)格小、安裝應(yīng)用等關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)。