在本應用筆記中，您將了解開關穩(wěn)壓器技術的基本要素，并了解其相對于線性穩(wěn)壓的優(yōu)勢。查看一些常見非隔離式 DC-DC 轉換器拓撲的基本電路。本文還討論了用于自動調(diào)節(jié)轉換器輸出電壓的脈寬調(diào)制（PWM）概念，最后討論了IC級電路的當前集成度。

介紹

電子設備需要直流電壓作為各種電壓電平的電源輸入。交流電源線（公用電源墻插座）或直流電源（電池、太陽能電池板等）是主要的電源輸入。通過DC-DC電源轉換技術，這些能源可以轉換為合適的端電壓，為IC和其他設備供電。

對于無隔離的DC-DC降壓轉換，我們可以使用線性或開關穩(wěn)壓器技術。線性穩(wěn)壓器（圖 1）只需插入一個與輸入直流串聯(lián)的電子可變電阻（跨電阻 = 晶體管），即可將電壓降至所需值。如果輸入或負載電流發(fā)生變化，電阻通過反饋環(huán)路變化，以保持輸出電壓恒定。線性調(diào)節(jié)的最大缺點是功率損耗，即電阻在傳遞負載電流的同時連續(xù)看到輸入和輸出電壓之間的差異。當功率較低時，這種影響不一定是問題。但是，想象一下 10V 直流電源的 5V 負載在 10A 時。在這種情況下，通過電阻的功率損耗為50W，轉換效率僅為50%。

圖1.線性穩(wěn)壓器。

相比之下，開關穩(wěn)壓器可顯著提高轉換效率，從而節(jié)省能源。這里也使用晶體管，但它們不是用于線性可變電阻模式，而是在開關模式下用作處于ON或OFF狀態(tài)的開關。當ON時，開關在其兩端的電壓下降非常小，當OFF時，它通過的電流很少或沒有電流。因此，在任一條件下，功耗都很低。事實上，這種方法可以實現(xiàn)超過90%的效率。在前面討論的示例中，90%的效率意味著轉換器的功耗僅為5.5W，而功耗為50W。

圖2顯示了將溫升降至僅10度所需的散熱器的尺寸差異。請注意，大多數(shù)現(xiàn)代DC-DC轉換器的效率足以完全消除散熱器，而僅依靠PCB中的銅層來散熱。

圖2.50W 和 5.5W 10°C 上升時散熱器的比較。

降壓型開關穩(wěn)壓器內(nèi)部

圖3所示為降壓轉換器，可將給定的直流輸入電壓轉換為較低的直流輸出電壓。當 SW1 打開時，（V在， w外） 施加在電感器上，同時在磁場中存儲能量并向 V 提供能量外.當SW1關閉時，通過L1的電流不能立即改變，并繼續(xù)將其能量釋放到負載RL和C1。結果，L1中的電流下降，反轉L1兩端電壓的極性。D1 和 L1 之間的開關節(jié)點 VLX “飛”負，直到它低于地電位，正向偏置 D1 并為 L1 中的電流設置“續(xù)流”路徑，以繼續(xù)流向輸出。在調(diào)節(jié)期間，SW1 以固定頻率 F 在 ON 和 OFF 之間切換西 南部，如圖 4 所示。SW1導通時間與總開關周期周期T之比s稱為轉換器“D”的占空比，定義為：

因此，VLX是一個固定頻率，在這種情況下，是一個固定占空比脈沖序列，其幅度在V之間交替在和-VD，適用于由L1和C1形成的低通L-C濾波器，其中VD是二極管D1兩端的壓降。VLX脈沖序列中的分量是開關頻率、FSW和直流分量，其值等于脈沖序列在一個開關周期TS上的平均值。使用基本數(shù)學和占空比D的定義，圖4中VLX脈沖序列的平均值計算如下：

VLX平均= （V在× D） ? VD （1 ? D） = D （V在+ VD） ? VD

如果選擇L-C濾波器的截止頻率遠低于F西 南部，然后 V外是等于VLX的直流電壓平均在開關頻率F處具有小紋波分量西 南部.因此

V外= D（V在+ VD） ? VD

在現(xiàn)代DC-DC轉換器電路中，D1被MOSFET取代，以減少壓降并提高效率，尤其是在所需的輸出電壓較低時。在這種情況下，壓降VD可以忽略不計，并假定為零，這導致熟悉的降壓轉換器轉換公式：

V外= V在×·

圖3.降壓或降壓轉換器。

圖4.降壓或降壓轉換器VLX節(jié)點波形。

保持輸出恒定

為了在給定的輸入電壓和負載電流范圍內(nèi)保持恒定的輸出，我們需要能夠監(jiān)控輸出電壓并控制開關導通時間。對于SW1或脈寬調(diào)制（PWM）的開關占空比變化，我們首先使用誤差放大器產(chǎn)生直流信號，該信號與輸出電壓反饋與固定基準電壓之間的差值成正比。然后，我們可以將該信號與所需開關頻率下的鋸齒形電壓進行比較。

圖5概述了比較器和輸出級依次在誤差信號高于鋸齒波時提供正電壓，在誤差信號較低時提供低電壓。作為誤差電壓V控制在鋸齒波上上下移動，PWM輸出脈沖寬度按比例從窄到寬或從0%到100%占空比變化。如果輸出電壓低，因為V在減少或負載增加，誤差信號變高，產(chǎn)生更寬的脈沖，允許更多的能量通過SW1，并將輸出電壓提高回其適當?shù)闹怠Ｈ绻敵鲭妷焊撸瑒t會發(fā)生相反的情況。輸出與輸入電壓比只是占空比值的值。

圖5.脈寬調(diào)制方案。

升壓電壓

如果輸出電壓需要高于輸入，可以將相同的元件重新排列到升壓配置中，如圖6所示。

在降壓轉換器中，電流在開關導通周期內(nèi)直接從輸入流向輸出，當開關關斷時，電感存儲的能量填充。

在升壓轉換器中，能量流完全不同。每個周期所需的總能量在SW1的導通時間內(nèi)存儲在電感中，然后在其關斷時間內(nèi)釋放。電感電流不能突然停止，因此當SW1關閉且電感電流趨于下降時，D1和SW1的開關節(jié)點呈正向飛行以強制該電流，正向偏置D1并將能量傳遞到輸出。理論上，正電壓可以高于輸入值，并且使用類似于降壓轉換器的占空比控制來保持電壓處于調(diào)節(jié)狀態(tài)。升壓轉換器的轉換比公式是使用與降壓轉換器類似的原理計算的，如下所示：

圖6.降壓或降壓轉換器。

反相降壓-升壓轉換器簡介

對輸入和輸出電壓端子的相同組件進行另一次重新排列，得到圖7所示的降壓-升壓轉換器。這里，輸出電壓極性相對于輸入反轉或“負”，V的幅度外可通過占空比控制變化，從零到任何高負值。在這種情況下，升壓轉換器的轉換比是通過使用與降壓轉換器類似的原理計算得出的，如下所示：

圖7.反相降壓-升壓轉換器。

最先進的轉換器集成了多種功能

所討論的拓撲可以定期產(chǎn)生高效率。甚至開關噪聲的歷史問題也隨著更好的控制和更好的電源開關方案而減少。對于所有三個轉換器，誤差放大器、振蕩器、鋸齒波發(fā)生器和比較器的控制電子元件都集成在一個芯片中。許多此類功能集風格可從Maxim等供應商處獲得。功能多種多樣，包括過載檢測、過熱關斷、輸入欠壓檢測等。Maxim的功率轉換技術演變?nèi)鐖D8所示。

圖8.Maxim高密度電源轉換集成的演變。

隨著功率轉換技術的發(fā)展，將驅動器級集成到芯片上標志著第二個集成度，其次是功率MOSFET本身。接下來是編程和環(huán)路補償元件，這確實有助于整體元件數(shù)量，并減輕設計人員經(jīng)常迭代的環(huán)路穩(wěn)定任務。

集成L-C濾波器一直是該行業(yè)最嚴峻的挑戰(zhàn)之一，因為基本物理特性阻礙了我們。電感器和電容器都是具有物理體積的儲能元件。然而，隨著MOSFET技術效率的提高，Maxim已經(jīng)能夠成功地提高開關頻率，減小電容和電感值以及物理尺寸，從而可以使用先進的封裝技術將這些元件共同封裝到一個高效、易于使用的電源模塊中，為系統(tǒng)開發(fā)人員提供“盒中電源”即插即用解決方案。

審核編輯：郭婷