各種降壓穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)，闡釋它們的工作原理

目前最常見的開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)渲皇墙祲盒烷_關(guān)穩(wěn)壓器。降壓穩(wěn)壓器IC通常采用內(nèi)置控制器和集成FET進(jìn)行降壓轉(zhuǎn)換。不僅如此，降壓穩(wěn)壓器IC還可應(yīng)用到各類設(shè)計(jì)中，如反相電源、雙極性電源以及單個(gè)或多個(gè)獨(dú)立電壓輸出的隔離電源。本文介紹了各種降壓穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)，闡釋它們的工作原理，并討論實(shí)現(xiàn)這些設(shè)計(jì)需要考慮的實(shí)際因素。

采用降壓穩(wěn)壓器IC的降壓轉(zhuǎn)換器

瑞薩電子ISL8541x系列降壓穩(wěn)壓器IC具有集成的上管和下管FET、內(nèi)部啟動(dòng)二極管和內(nèi)部補(bǔ)償，可最大限度地減少外部元件數(shù)量，實(shí)現(xiàn)非常小尺寸的整體解決方案。此外，該系列穩(wěn)壓器IC具有3V~40V的寬輸入電壓范圍，可支持多節(jié)電池和各種穩(wěn)壓電壓輸出。本文將以ISL85410降壓穩(wěn)壓器IC為例詳細(xì)解釋各種應(yīng)用設(shè)計(jì)。

電源設(shè)計(jì)中，當(dāng)所需電壓低于系統(tǒng)中的可用電壓時(shí)，則需要使用降壓轉(zhuǎn)換器。例如，采用12V電池作為輸入電壓的系統(tǒng)，需要輸出5V、3.3V或1.2V電壓，以便為微控制器、I / O、存儲(chǔ)器和FPGA供電。通過有效地將高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓，降壓轉(zhuǎn)換器可延長(zhǎng)系統(tǒng)內(nèi)的電池壽命、減少散熱并提高可靠性。圖1為使用ISL85410降壓穩(wěn)壓器IC的降壓轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化原理圖。

圖1. 降壓轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化原理圖

輸出電壓與輸入電壓具有相同的極性，連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）中的電壓轉(zhuǎn)換率可表示為：

（1）其中D是占空比，范圍從0到1，表示輸出電壓（VOUT）始終小于或等于輸入電壓（VIN）。

采用降壓穩(wěn)壓器IC的反相電源

雖然電子系統(tǒng)通常使用正電壓，但有時(shí)也需要使用負(fù)電壓。在這種情況下，需要反相電源用正輸入生成負(fù)電壓。為滿足這些應(yīng)用需求，比較常見的解決方案之一是使用反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。

圖2比較了降壓轉(zhuǎn)換器與反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)，表明可以通過切換FET Q2和電感L1來獲得反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。這種拓?fù)渥兓瘯?huì)產(chǎn)生不同的電壓轉(zhuǎn)換比和輸出電壓的反相極性：

（2）在反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓幅度可以高于或低于輸入電壓，并且輸出電壓相對(duì)于輸入電壓源的接地是負(fù)的。

圖2. 降壓轉(zhuǎn)換器和反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)

反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可采用高度集成的降壓穩(wěn)壓器IC實(shí)現(xiàn)。如圖3所示，使用ISL85410降壓穩(wěn)壓器的簡(jiǎn)化電路。將降壓穩(wěn)壓器配置為反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，需要注意兩個(gè)重要區(qū)別。第一，輸入電壓的（VIN）返回（RTN）連接。圖1所示的降壓轉(zhuǎn)換器，輸入電壓的RTN同時(shí)也是接地端（即降壓調(diào)節(jié)器的AGND/PGND引腳），而在反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中輸入電壓的RTN和接地端不再相同。因此，在實(shí)現(xiàn)反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，必須在VIN引腳和RTN（而非AGND/PGND引腳）上施加輸入電壓源。

第二，VIN引腳上的電壓應(yīng)力需參考AGND引腳。無論輸出電壓如何，降壓轉(zhuǎn)換器中的電壓始終等于輸入電壓（VIN）。相比之下，反相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器中的VIN引腳必須能夠承受輸入電壓和輸出電壓之和（V IN + V OUT）。例如，在將24V轉(zhuǎn)換為-5V的設(shè)計(jì)中，VIN引腳上的電壓應(yīng)力為29V而不是24V。必須謹(jǐn)記VIN引腳上的電壓應(yīng)力不應(yīng)超過IC數(shù)據(jù)表中規(guī)定的絕對(duì)最大額定電壓。

圖3. 簡(jiǎn)化的反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

采用降壓穩(wěn)壓器IC的雙極性電源

許多應(yīng)用，如運(yùn)算放大器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，都需要雙極性±5V或±12V電源。一種常見的方法是使用單個(gè)開關(guān)調(diào)節(jié)器以及耦合電感器（通常也稱為變壓器）來產(chǎn)生負(fù)電壓和正電壓輸出。圖4展示了如何使用降壓轉(zhuǎn)換器和反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器來生成雙極性電源。

如圖4（a）所示，首先將ISL85410降壓穩(wěn)壓器配置為調(diào)節(jié)正輸出VOUT+的降壓穩(wěn)壓器，然后通過增加額外的耦合繞組產(chǎn)生負(fù)輸出VOUT-。若對(duì)正輸出VOUT+就像在降壓轉(zhuǎn)換器中那樣進(jìn)行調(diào)節(jié)，則負(fù)輸出VOUT-與VOUT+數(shù)值一樣（簡(jiǎn)單起見，整流二極管D1的正向電壓降被忽略），但具有相反的極性。

圖4. 使用降壓方法（a）或反相降壓-升壓方法（b）的雙極電源簡(jiǎn)化原理圖

圖5表示在DT和（1-D）T的時(shí)間間隔期間使用降壓方法的雙極電源的等效電路。在DT期間，上管FET Q1開啟，導(dǎo)致整流二極管D1反向電壓偏置，因此在次級(jí)繞組中沒有電流流動(dòng)。在（1-D）T期間，Q1斷開，電流Ip通過下管FET Q2續(xù)流，次級(jí)繞組兩端的電壓（Vs）對(duì)應(yīng)VOUT+，因此D1導(dǎo)通，為輸出電容COUT2充電，并為負(fù)載供電。建議以強(qiáng)制CCM配置轉(zhuǎn)換器，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)輸出電壓（VOUT-）的良好電壓調(diào)節(jié)。

圖5. 使用降壓方法的雙極電源等效電路

下文詳細(xì)說明使用ISL85410建立并模擬雙極性電源的SIMPLIS模型的工作原理，關(guān)鍵參數(shù)見表1。

表格1. 雙極性電源關(guān)鍵參數(shù)

仿真波形如圖6所示。在Q2開啟的（1-D）T期間，次級(jí)繞組電流（Is）的耦合電流使總的原邊電流（Ip）變?yōu)樨?fù)值。通過合適的設(shè)計(jì)，確保該負(fù)電流足夠低，避免在正常工作條件下觸發(fā)降壓穩(wěn)壓器的負(fù)電流限制。

圖6. 采用降壓法的雙極性電源仿真波形

圖4（b）展示另一種方法，使用反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換生成雙極性電源。與使用降壓轉(zhuǎn)換相比，反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換是將降壓調(diào)節(jié)器IC配置為反相降壓-升壓來產(chǎn)生負(fù)電壓輸出，使用耦合繞組來產(chǎn)生正電壓輸出。與使用降壓轉(zhuǎn)換的雙極性電源不同，當(dāng)輸入電壓低于輸出時(shí)，反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換可以調(diào)節(jié)輸出（升壓轉(zhuǎn)換）。然而，在反相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換中FET電壓應(yīng)力要高于降壓轉(zhuǎn)換。表2對(duì)比了這兩種轉(zhuǎn)換，并為特定應(yīng)用選擇最佳解決方案提供了設(shè)計(jì)指導(dǎo)意見。

表格2. 對(duì)比降壓轉(zhuǎn)換與反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換的雙極性電源

采用降壓穩(wěn)壓器IC的隔離電源

通常需要隔離型電壓輸出來提供電流隔離，并增強(qiáng)安全性和抗噪性。常見應(yīng)用包括可編程邏輯控制器（PLC）、智能功率計(jì)量和IGBT驅(qū)動(dòng)電源。反激和推挽轉(zhuǎn)換器是兩種常見而經(jīng)濟(jì)的解決方案。然而，反激式轉(zhuǎn)換器通常需要光耦合器或輔助繞組來調(diào)節(jié)輸出電壓。此外，反激式開關(guān)會(huì)受到高電壓尖峰的影響，因此通常需要RCD緩沖器。推挽式直流變壓器以固定50%占空比運(yùn)行，可能會(huì)影響到輸出電壓調(diào)節(jié)，有時(shí)需要額外的LDO才能實(shí)現(xiàn)精確的輸出調(diào)節(jié)。

在上述雙極性電源（圖4）中，通過在降壓或反相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器中使用電感器添加磁耦合繞組來實(shí)現(xiàn)額外的輸出電壓輸出。通過簡(jiǎn)單地隔離這兩個(gè)輸出回路，可以實(shí)現(xiàn)隔離型電壓輸出（參見圖7），這種方法正變得越來越常用。

單個(gè)隔離電壓軌的隔離電源

圖7. 使用降壓法（a）或反相降壓-升壓方法（b）的簡(jiǎn)化單隔離電壓軌

使用降壓穩(wěn)壓器產(chǎn)生隔離電壓輸出的兩種方法如圖7所示。這些配置類似于圖4所示的雙極性電源，只不過兩個(gè)輸出回路（參考）是分開的。與變壓器匝數(shù)比為1:1的雙極性電源不同，這種方法通過優(yōu)化隔離電源的匝數(shù)比，能夠在次級(jí)側(cè)設(shè)置其所需的輸出電壓。此外，還可以通過調(diào)整使控制器以最佳占空比運(yùn)行。

帶降壓穩(wěn)壓器的隔離電源具有多種優(yōu)勢(shì)。如圖7（a）所示，以此降壓方法為例說明它的優(yōu)勢(shì)。首先，它去掉了反激式轉(zhuǎn)換器中所需的光耦合器和輔助續(xù)流電路。其次，相對(duì)于反激式轉(zhuǎn)換器，降壓配置在初級(jí)側(cè)FET提供低電壓應(yīng)力，低壓FET意味著更低的導(dǎo)通電阻和更高的效率。第三，初級(jí)側(cè)輸出（VOUT1）調(diào)節(jié)良好，隔離輸出（VOUT2）對(duì)應(yīng)VOUT1，在寬輸入電壓范圍內(nèi)可在次級(jí)側(cè)提供良好的輸出電壓調(diào)節(jié)。與沒有額外LDO的推挽式直流變壓器相比，可以實(shí)現(xiàn)更好的電壓調(diào)節(jié)。高度集成的降壓穩(wěn)壓器IC，例如帶內(nèi)部補(bǔ)償?shù)腎SL85410，可以輕松實(shí)現(xiàn)上述方法在電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

表2中，降壓轉(zhuǎn)換和反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)雙極性電源的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)同樣適用于使用降壓穩(wěn)壓器IC的隔離電源，電源設(shè)計(jì)人員應(yīng)針對(duì)其特定應(yīng)用選擇最合適的方法。

多個(gè)隔離電壓輸出的隔離電源

如圖2兩個(gè)案例所示，通過添加更多耦合繞組可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)隔離電壓輸出，其工作原理類似于單個(gè)隔離電壓輸出。

圖8. 使用降壓方法（a）或反相降壓-升壓方法（b）的多個(gè)隔離電壓輸出

結(jié)論

高集成的降壓穩(wěn)壓器IC可以更容易地實(shí)現(xiàn)不同功率轉(zhuǎn)換并滿足不同的應(yīng)用要求。本文闡述了這些降壓穩(wěn)壓器IC如何用于生成反相電源、雙極性電源和單個(gè)或多個(gè)隔離電源。高度集成的ISL8541x系列降壓穩(wěn)壓器IC具有寬泛的輸入電壓范圍、集成啟動(dòng)二極管和內(nèi)部補(bǔ)償。采用這些降壓穩(wěn)壓器IC設(shè)計(jì)的反相、雙極性和隔離電源解決方案具有外部元件數(shù)量少、總體解決方案尺寸小及易于使用等多種重要優(yōu)勢(shì)。