掌握開關(guān)穩(wěn)壓器的5大基本知識(shí)（上）

使用開關(guān)穩(wěn)壓器用的IC，對(duì)電路基板進(jìn)行包括開關(guān)穩(wěn)壓器在內(nèi)的板載化已經(jīng)不再罕見。開關(guān)穩(wěn)壓器由于為高速進(jìn)行開關(guān)工作的模擬反饋電路，因此應(yīng)掌握關(guān)鍵要點(diǎn)以便進(jìn)行工作或特性的優(yōu)化。理解這些，應(yīng)該能使開關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)更駕輕就熟。

要理解開關(guān)穩(wěn)壓器的特性并進(jìn)行評(píng)估，掌握開關(guān)穩(wěn)壓器相關(guān)基本知識(shí)非常重要。

在這里，先重溫一下開關(guān)的種類、降壓轉(zhuǎn)換器的工作原理、同步式和異步式兩個(gè)主要控制方式的的區(qū)別、可提高效率的自舉原理、輸出穩(wěn)定化即主宰穩(wěn)壓器工作的反饋控制方式、PWM和PFM這兩種輸出電壓調(diào)整方法以及作為重要特性的IC規(guī)格和電源特性。

開關(guān)穩(wěn)壓器的基礎(chǔ)

• 開關(guān)穩(wěn)壓器的種類
• 降壓工作原理
• 同步式和異步式的區(qū)別
• 自舉
• 輸出反饋控制方式
• PWM和PFM
• 重要特性－IC的規(guī)格
• 重要特性－電源特性

開關(guān)穩(wěn)壓器的基礎(chǔ)：開關(guān)穩(wěn)壓器的種類

開關(guān)穩(wěn)壓器有許多種類，分類方法也視其觀點(diǎn)而各有不同。在這里，根據(jù)輸入電源的區(qū)別、電路方式以及功能和工作的區(qū)別來分類。

根據(jù)開關(guān)穩(wěn)壓器的電路方式來分類

DC/DC轉(zhuǎn)換器 ▼非絕緣型

• 異步整流式
• 同步整流式

▼絕緣型

• 反激式
• 正激式
• 推挽式
• 半橋式/全橋式

AC/DC轉(zhuǎn)換器 ▼非絕緣型 ▼絕緣型

首先，輸入電源可以利用DC（直流）或AC（交流）分成DC/DC轉(zhuǎn)換器和AC/DC轉(zhuǎn)換器，各自再分為非絕緣型和絕緣型。

絕緣型為輸入（一次）和輸出（二次）可絕緣的類型，絕緣主要可利用變壓器。在工業(yè)設(shè)備或醫(yī)療設(shè)備等要求發(fā)生故障時(shí)具有高安全性的設(shè)備中，標(biāo)準(zhǔn)上使用絕緣型。非絕緣型在輸出輸入間有導(dǎo)通，尤其是同一電路基板內(nèi)無須絕緣的電壓轉(zhuǎn)換等幾乎都為非絕緣型。

架構(gòu)非絕緣型及絕緣型的轉(zhuǎn)換器，各自有適合的電路方式。有同步整流式或反激式等稱呼，構(gòu)造零件或電路規(guī)模不同，工作原理當(dāng)然也不同。

其次，根據(jù)功能和工作方式來分類，不過，從這里開始便進(jìn)入DC/DC轉(zhuǎn)換器的話題。AC/DC轉(zhuǎn)換器由于會(huì)在初段將AC整流－平滑后基本上以DC/DC轉(zhuǎn)換器工作，故以后請(qǐng)一視同仁思考。

根據(jù)開關(guān)穩(wěn)壓器的功能和工作分類

DC/DC轉(zhuǎn)換方面，可以對(duì)輸入電壓進(jìn)行降壓或升壓。此外，應(yīng)用上也可進(jìn)行升降壓、反轉(zhuǎn)等轉(zhuǎn)換。根據(jù)所需功能，電路構(gòu)造和所選的IC是不同的，

控制輸出電壓的工作模式有PWM（Pulse Width Modulation：脈沖寬度調(diào)制）和PFM（Pulse Frequency Modulation：脈沖頻率調(diào)制）。PWM的開關(guān)周期（頻率）恒定且為通過調(diào)整ON和OFF時(shí)間比進(jìn)行穩(wěn)定化的模式，而PFM則是ON或OFF時(shí)間恒定的頻率變更方法。詳細(xì)內(nèi)容后述。

而且，為使輸出穩(wěn)定化的反饋控制方式有電流模式、電壓模式、遲滯等，這幾種詳細(xì)內(nèi)容也將后述。

開關(guān)穩(wěn)壓器由這些組合構(gòu)成，可通過探討用途、輸出輸入條件、要求規(guī)格或性能目標(biāo)、以及成本或尺寸等限制事項(xiàng)來選擇最佳產(chǎn)品，為此，必須事先了解各方式的特征和優(yōu)缺點(diǎn)。

開關(guān)穩(wěn)壓器的基礎(chǔ)：降壓工作原理

現(xiàn)在接著以最廣泛利用的降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器為例說明工作原理。

降壓DC/DC轉(zhuǎn)換是借著開關(guān)將DC電壓VIN做時(shí)間分割后以電感和電容器使其平滑化來轉(zhuǎn)換成所希望的DC電壓。降壓DC/DC轉(zhuǎn)換的概念電路和工作如右所示。

以PWM工作來說明，以S1=ON/S2=OFF將VIN供電時(shí)間設(shè)為25%、以S1=OFF/S2=ON將0V（GND）狀態(tài)設(shè)為75%的脈沖周期，當(dāng)該脈沖平均化時(shí)將為25%的DC。如果VIN為10V，則Vo將為25%的2.5V。

實(shí)際的PWM由于被平均化的輸出負(fù)載電流會(huì)變動(dòng)，故ON時(shí)間會(huì)一定程度一直依賴負(fù)載電流來上下移動(dòng)電壓。如此一來，穩(wěn)壓器輸出下降時(shí)會(huì)增加ON時(shí)間，從輸出傳送更多的能源而使輸出電壓上升。輸出電壓充分恢復(fù)的話，接著便會(huì)縮短ON時(shí)間來停止輸出上升。

下面的電路為取代概念圖的實(shí)際的電路。開關(guān)S1以MOSFET置換，S2則被置換成肖特基二極管，也顯示被省略的比較電路和控制電路。對(duì)此，代表性開關(guān)式降壓電路，也稱為異步或二極管整流式。

降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的工作

1. 與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，檢查輸出電壓是否為設(shè)定電壓
2. 低于設(shè)定電壓時(shí)，開關(guān)變?yōu)镺N，從輸入向輸出供電
3. 此時(shí)，電感會(huì)蓄積磁能
4. 如果輸出電壓高于設(shè)定電壓，則開關(guān)OFF
5. 電感所蓄積的磁能變?yōu)殡娏鞅还┩敵鲐?fù)載，再返回電感
6. 電感的磁能消失，輸出電壓開始下降時(shí)，開關(guān)會(huì)再度為ON

實(shí)際電流及電壓的開關(guān)波形也有記載。S1為MOSFET的開關(guān)晶體管、D1為肖特基二極管、L1為電感、C1為輸出電壓、VIN為輸入電壓。

在這里，重溫說明開關(guān)穩(wěn)壓器的基本工作。在進(jìn)行實(shí)際評(píng)估時(shí)，檢查各節(jié)點(diǎn)的電流或電壓波形等，此際，也有必要理解此種基本工作。

同步式和異步式的區(qū)別

繼開關(guān)穩(wěn)壓器的種類和工作原理之后，接著要說明所謂同步整流式和異步整流式DC/DC轉(zhuǎn)換器變壓器方式的區(qū)別。由于各自有優(yōu)缺點(diǎn)，故根據(jù)電源的要求規(guī)格區(qū)分使用是一大要點(diǎn)。

電路構(gòu)造上的區(qū)別如下的圖的通，不同點(diǎn)在于開關(guān)2是二極管或是晶體管。

異步整流式，也稱為二極管整流式，通過上側(cè)晶體管的ON/OFF，二極管進(jìn)行導(dǎo)通/關(guān)斷，使電流流向或不流向二極管。這在工作原理部分已經(jīng)說明。異步式是簡單且牢固的方式，在工業(yè)設(shè)備等中有極高的實(shí)績。

另一方面，同步整流的方式雖然基本工作相同，但是下側(cè)開關(guān)的ON/OFF也由控制電路進(jìn)行。如果雙方同時(shí)為ON，則電流將從VIN直接流向GND，使晶體管有破壞的可能性，故雙方必須制造OFF，停滯時(shí)間的時(shí)序等進(jìn)行復(fù)雜的控制。不過，同步整流式的效率比異步式高，對(duì)于延長電池驅(qū)動(dòng)設(shè)備的工作時(shí)間有極大貢獻(xiàn)。

1. S1為ON的時(shí)S2設(shè)為OFF
2. S1為OFF的時(shí)S2設(shè)為ON
3. 電流路徑與異步型相同，但S2的ON/OFF 由控制電路進(jìn)行
4. 下段的電路是實(shí)際電路S1、S2使用晶體管

• 高效率
• 電路比異步式復(fù)雜

1. S1為ON時(shí)電流不流向D1（關(guān)斷）
2. S1為OFF時(shí)電流正向流向D1（導(dǎo)通）
3. 下段的電路是實(shí)際電路，S1可使用晶體管，D1可使用肖特基二極管

• 效率比同步式差
• 電路比較簡單

同步整流式的所以效率高，原因在于將異步整流式的二極管置換成晶體管，故可以將輸出段開關(guān)的損耗壓低。眾所周知，二極管的VF會(huì)因電流而改變，不過即使VF為低肖特基也有0.3～0.5V。與之相對(duì)，例如Nch-MOSFET的ON電阻極低至50mΩ，如果計(jì)算電壓下降的話則將遠(yuǎn)比二極管的VF來得低。

有關(guān)“開關(guān)穩(wěn)壓器的特性和評(píng)估方法”這個(gè)主題，了解DC/DC轉(zhuǎn)換工作因方式的區(qū)別或特征非常重要。

自舉

自舉電路是在輸出開關(guān)上側(cè)晶體管使用Nch MOSFET時(shí)所必要的電路。最近許多電源IC都搭載該電路，因此在評(píng)估電源電路時(shí)最好事先理解其工作。

Nch MOSFET的導(dǎo)通電阻低，作為開關(guān)使用的話可提升效率。此外，如果導(dǎo)通電阻相同的話，價(jià)格應(yīng)該比PchMOSFET便宜。不過，如果要使用Nch MOSFET作為上側(cè)開關(guān)并使其完全為ON，則必須有充分的VGS，也就是電壓必須高于漏極電壓。通常，漏極電壓是VIN（輸入電壓），在電路內(nèi)會(huì)變成最高的電壓，因此在外部只能準(zhǔn)備比漏極電壓還高的電壓。而產(chǎn)生該電壓的便是自舉式電路。

構(gòu)造簡單。以開關(guān)、電容器、二極管所構(gòu)成的升壓電荷泵并利用加入開關(guān)電壓（VIN）和內(nèi)部電壓的電壓作為上側(cè)Nch MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)。

無須自舉式電路的Pch＋Nch構(gòu)造

利用自舉式電路的Nch＋Nch構(gòu)造

1. Nch MOSFET的導(dǎo)通電阻低，有助于提升效率，價(jià)錢也便宜

2. 如果要使上側(cè)晶體管為Nch MOSFET的話，VGS必須比漏極電壓高

3. 內(nèi)部電路用的內(nèi)部電源的電壓并不充分

4. 以開關(guān)、電容器、二極管構(gòu)成升壓電荷泵，產(chǎn)生上側(cè)的Nch MOSFET用驅(qū)動(dòng)的高電壓

   上側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)電源電壓＝VIN＋內(nèi)部電源電壓－二極管的VF

近來，中功率以上的電路，輸出的開關(guān)晶體管以Nch MOSFET為主流。盡管零件數(shù)稍微增加，然而卻有重視效率的傾向。最近，為了減少零件數(shù)，也有將外置二極管納入IC的類型

另外，自舉電路也以相同理由被利用于異步整流型不僅Nch MOSFET，也被利用來降低使用雙極性NPN晶體管類型的飽和電壓。

輸出反饋控制方式

開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓基本上呈現(xiàn)穩(wěn)定化，也就是說，具備讓已設(shè)定電壓值維持恒定的功能。為了維持電壓穩(wěn)定，開關(guān)穩(wěn)壓器會(huì)將輸出反饋（feedback）至控制電路。

大致可分為電壓模式控制、電流模式控制、遲滯控制等3種方式。

?電壓模式控制（PWM例）

電壓模式控制是最基本的方式。反饋環(huán)路只反饋輸出電壓。通過以誤差放大器和基準(zhǔn)電壓做比較后所差距的電壓再進(jìn)一步與三角波做比較，決定PWM訊號(hào)的脈沖寬度來控制輸出電壓。

此方式的優(yōu)點(diǎn)在于純電壓的反饋環(huán)路可進(jìn)行較簡單的控制、可縮短ON時(shí)間、抗噪好、抗干擾好。其缺點(diǎn)是，相位補(bǔ)償電路復(fù)雜。外置相位補(bǔ)償電路，故設(shè)計(jì)可能較花時(shí)間。

電壓模式控制

• 純電壓反饋環(huán)路控制簡單
• ON時(shí)間縮短
• 抗噪好
• 相位補(bǔ)償電路復(fù)雜

?電流模式控制

電流模式控制是對(duì)電壓模式控制的改良，是以檢測(cè)電路電感電流的方式取代電壓模式控制環(huán)路使用的三角波?；驒z測(cè)晶體管的電流取代電感電流、通過插入電流檢測(cè)電阻進(jìn)行檢測(cè)。

反饋環(huán)路分電壓環(huán)路和電流環(huán)路兩者，控制雖變得比較復(fù)雜，不過有相位補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)大幅簡單化的優(yōu)點(diǎn)。

其他優(yōu)點(diǎn)還有反饋環(huán)路的穩(wěn)定性高，負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)比電壓模式快速。其缺點(diǎn)是，電流檢測(cè)敏感，噪聲多，會(huì)影響PWM控制。

電流模式控制

• 是對(duì)電壓模式控制的改良，
• 是以檢測(cè)電路電感電流的方式取代三角波。
• 反饋環(huán)路的穩(wěn)定性高
• 大幅度簡化相位補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)
• 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)比電壓模式高速
• 要注意電流檢測(cè)反饋環(huán)路的噪聲

?遲滯控制（紋波控制）

遲滯控制方式是引腳對(duì)需要更高速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的負(fù)載，例如CPU、FPGA等電源要求而開發(fā)的方式。因其檢測(cè)并控制輸出的紋波，故也稱為紋波控制方式。

該方式，不通過誤差放大器而以比較器監(jiān)控輸出電壓。檢測(cè)超過或未超過已設(shè)定的閾值后，由比較器直接控制開關(guān)ON/OFF。方法有兩種，一為在ON時(shí)間固定下檢測(cè)不超過的閾值，一為在OFF時(shí)間固定下檢測(cè)超過的閾值，利用上下雙方閾值窗口的方式。

其優(yōu)點(diǎn)，在于由比較器進(jìn)行直接控制，故瞬態(tài)響應(yīng)極為高速、無須相位補(bǔ)償。其缺點(diǎn)是，雖然有開關(guān)頻率會(huì)變動(dòng)、抖動(dòng)大、檢測(cè)輸出紋波需要ESR（等價(jià)串聯(lián)電阻）較大的輸出電容器，隨著技術(shù)革新，采用此方式的IC逐漸増加。

遲滯（紋波）控制

• 以比較器直接監(jiān)控輸出
• 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)速度非常快
• 反饋環(huán)路的穩(wěn)定性高
• 無需相位補(bǔ)償
• 開關(guān)頻率會(huì)變動(dòng)
• 抖動(dòng)大
• 檢測(cè)紋波需要ESR較大的電容器

PWM和PFM

針對(duì)開關(guān)穩(wěn)壓器的基礎(chǔ)，介紹電壓控制方法。不論開關(guān)穩(wěn)壓器與否，電壓穩(wěn)壓器的功能為產(chǎn)生穩(wěn)定化的輸出電壓。為此，已在“反饋控制方式”一項(xiàng)中說明，必須將輸出電壓反饋至控制電路來進(jìn)行環(huán)路控制。在這里，要說明的是、有關(guān)電壓控制的方式，例如該進(jìn)行何種控制才能將輸入電壓調(diào)整為5V等。

開關(guān)穩(wěn)壓器如名稱所示，是借著開關(guān)輸入電壓，也就是ON/OFF來轉(zhuǎn)換成所希望的輸出電壓。此結(jié)構(gòu)已在“工作原理”一項(xiàng)中說明，簡單來說就是開關(guān)后平均化以均衡已設(shè)定輸入電壓的輸出電壓。此輸入電壓的開關(guān)法主要有2個(gè)方法。