“基于電阻的分壓器、線性穩(wěn)壓器、降壓轉(zhuǎn)換器以及其他調(diào)節(jié)電壓的方法。”

市場(chǎng)上幾乎每一種消費(fèi)電子產(chǎn)品都會(huì)進(jìn)行某種形式的直流電壓轉(zhuǎn)換。原因很簡(jiǎn)單：從普通電池或插座中獲得的電壓很少能夠直接適用于電路中的每一個(gè)部分——無論是電機(jī)、液晶背光還是最新一代的數(shù)字芯片。

電路可能在你并不察覺的時(shí)候進(jìn)行著電壓轉(zhuǎn)換。例如，典型的微控制器會(huì)有一個(gè)微小的內(nèi)部電荷泵，為 EEPROM 和閃存產(chǎn)生更高的電壓。它還可能有另一個(gè)穩(wěn)壓器，為 CPU 內(nèi)核產(chǎn)生較低電壓。

盡管如此，對(duì)于大多數(shù)愛好者來說，電壓轉(zhuǎn)換仍然是個(gè) “黑魔法”。LM7805 或 LM317 等過時(shí)的線性集成電路出現(xiàn)在超現(xiàn)代的 32 位微控制器旁邊。如果開關(guān)穩(wěn)壓器出現(xiàn)在業(yè)余愛好項(xiàng)目中，其設(shè)計(jì)通常是從其他地方照搬過來的，根本不考慮它是否適合手頭的任務(wù)。

今天，讓我們來仔細(xì)研究一下直流電壓轉(zhuǎn)換任務(wù)。這些電路通常使用復(fù)雜的術(shù)語和令人眼花繚亂的數(shù)學(xué)來解釋，但其操作并不難掌握。

基于電阻的分壓器

讓我們從頭開始。從已知的穩(wěn)定電源導(dǎo)出中間電壓的最簡(jiǎn)單方法是使用電阻分壓器。大多數(shù)業(yè)余愛好者都熟悉的基本電路如下所示：

在中間沒有連接負(fù)載的情況下，通過 R1 和 R2 的電流必然相等；根據(jù)歐姆定律，我們知道 I = Vin / (R1 + R2)。根據(jù)同一定律，我們還知道 R1 和 R2 上會(huì)有一個(gè)與電流有關(guān)的壓降；兩個(gè)壓降之和始終等于 Vin，中點(diǎn)由電阻值之比設(shè)定。如果 R1 = R2，中點(diǎn)的電壓將為 Vin/2。很簡(jiǎn)單。

這個(gè)電路最嚴(yán)重的限制是，只有當(dāng)通過“負(fù)載”的電流與流經(jīng) R1 和 R2 的電流相比，可以忽略不計(jì)時(shí)，它才能正常工作；一旦違反這一條件，中間的電壓將取決于負(fù)載的作用。如果要為高功耗的負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓，就必須采用不切實(shí)際的低電阻，從而導(dǎo)致通過 R1-R2 通路的損耗電流增加。

在實(shí)際應(yīng)用中，最常見的是將電阻分壓器作為偏置網(wǎng)絡(luò)，為運(yùn)算放大器輸入端或場(chǎng)效應(yīng)管柵極提供偏置。在這種應(yīng)用中，負(fù)載的影響幾乎可以忽略，電阻可能在 10 kΩ 至 100 kΩ 之間徘徊，只會(huì)產(chǎn)生微安級(jí)別的損耗。

如果負(fù)載在電路中或多或少地表現(xiàn)為恒定電阻，則可以構(gòu)造出效率更高的傳統(tǒng)分壓器變體。在這種情況下，負(fù)載本身可以代替 R2 成為分壓器的一部分：

這種設(shè)計(jì)的第一個(gè)問題是，它仍然在浪費(fèi)能量，只是浪費(fèi)的程度不如以前。負(fù)載上電壓的降低是通過 R1 阻礙電子的流動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，從而將供應(yīng)的部分能量轉(zhuǎn)化為熱量。焦耳定律給出了浪費(fèi)的熱量：P = IV。如果電流很大，需要降低的電壓超過幾分之一伏特，損耗就會(huì)變得很嚴(yán)重。

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的另一個(gè)問題是，很少有負(fù)載能像恒定電阻一樣，同時(shí)還能做一些有用的事情。特別是，無論是執(zhí)行程序的集成電路，還是負(fù)載下的電機(jī)，都不符合這一要求。它們所需的電流會(huì)隨著時(shí)間的推移而變化，因此它們的表觀電導(dǎo)率/電阻率也會(huì)隨之變化。由于分壓器的工作取決于電阻的比值，因此產(chǎn)生的電壓必然會(huì)出現(xiàn)偏差。

基本線性穩(wěn)壓器

解決可變電阻負(fù)載所帶來的挑戰(zhàn)的一種方法是使 R1 也可變。我們可以想象某種基于反饋的電阻電路，它根據(jù)需要導(dǎo)通或多或少的電阻，以保持固定的電阻比，從而使連接負(fù)載上的電壓保持一致。

還記得之前一篇關(guān)于信號(hào)放大的文章的人可能會(huì)記得，這種描述與基于晶體管的電壓跟隨器的行為相吻合。從本質(zhì)上講，n 溝道 MOSFET 只有在其源極和柵極之間存在足夠正的電壓（Vgs > Vth）時(shí)才會(huì)導(dǎo)通。如果我們使用一個(gè)基于電阻的分壓器，為這種晶體管的柵極端提供所需的電壓，然后在源極端放置負(fù)載，就可能如愿以償：

這個(gè)電路可以用 2N7000 等通用 MOSFET 實(shí)現(xiàn)，但在實(shí)際應(yīng)用中性能并不是特別好，因?yàn)樗蛹{的電流不僅取決于柵極電壓 (Vgs)，還與漏極-源極電壓 (Vds) 有一定的相關(guān)性。盡管如此，在一定范圍內(nèi)，它還是說明了線性穩(wěn)壓器的基本工作原理。

我們可以嘗試的第一種改進(jìn)方法是放棄電阻，改用內(nèi)部齊納二極管來提供絕對(duì)電壓基準(zhǔn)。一個(gè)簡(jiǎn)化的例子是

這里的原理是，如果二極管中流過受控電流，由于電子通過 p-n 結(jié)耗盡區(qū)所需的能量，其端子上或多或少會(huì)產(chǎn)生恒定的壓降。換句話說，在一定的合理范圍內(nèi)，即使電源電壓隨時(shí)間波動(dòng)，得出的 Vref 也是穩(wěn)定的。

為了進(jìn)一步改進(jìn)電路，我們可以使用運(yùn)算放大器作為電壓監(jiān)控器。該器件可檢測(cè)到 Vref 和 Vout 之間的任何差值，然后將晶體管柵極的電壓向相反方向移動(dòng)，直到誤差消失。這種反饋機(jī)制有助于消除單晶體管設(shè)計(jì)中柵極-源極電壓、漏極-源極電壓和漏極電流之間的不理想關(guān)系：

反饋電阻是可選的，但它們可以使輸出電壓很容易地與二極管產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓成比例；例如，如果 R1 = R2，輸出電壓應(yīng)為 2 × Vref。在實(shí)際電路中，一些反饋?zhàn)枘峥赡芤彩沁m當(dāng)?shù)模苑乐惯\(yùn)算放大器過于波動(dòng)和放大隨機(jī)高頻噪聲。

盡管一些互聯(lián)網(wǎng)資料可能會(huì)說，除非有特殊癖好，你不應(yīng)該在設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用它們。但無論如何，線性穩(wěn)壓器的工作原理就是這樣的。一個(gè)花哨的可變電阻仍然是一個(gè)電阻：能量仍然按照 I x V 被浪費(fèi)。但涉及微小電流或極小壓降的情況可以例外。例如，精密線性穩(wěn)壓器是為運(yùn)算放大器輸入端提供偏置或?yàn)?ADC 生成基準(zhǔn)電壓的明智選擇。

開關(guān)電容器轉(zhuǎn)換器（電荷泵）

開關(guān)模式的穩(wěn)壓器通常被認(rèn)為很復(fù)雜，但其工作原理卻很容易解釋。讓我們從下面的原理圖開始，它由一個(gè)可自由移動(dòng)的 “飛行” 電容（Cf）和一個(gè)輸出電容（Co）組成：

如上圖所示，如果我們將 Cf 連接到電源，電容器將被充電，并在其兩端產(chǎn)生等于 Vin 的電壓。該電壓是電容器內(nèi)部靜電場(chǎng)存儲(chǔ)電荷的結(jié)果，即使我們將其從電源上斷開，該電壓也會(huì)持續(xù)存在。您可以使用該電容器，以相同的電壓為某個(gè)完全無關(guān)的電路供電一段時(shí)間。

讓我們將帶電的 Cf 跨接在輸出電容 Co 的端子上：

此時(shí)，假設(shè) Co 最初并未充電，Cf 會(huì)將其部分電荷轉(zhuǎn)移到 Co 上，從而在輸出電容的兩端產(chǎn)生正電壓。如果這個(gè)過程重復(fù)多次，Co 將幾乎充滿電，電壓表在 A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)之間的讀數(shù)將接近 Vin。

但請(qǐng)注意，輸出電容器的負(fù)極（B）與正極電源軌相連。在開路情況下，不允許任何電流流動(dòng)，但這意味著，如果我們將電壓表連接到 A 和 C 兩端，實(shí)際上測(cè)量的是 2 × Vin。這就是電壓倍增器！

當(dāng)然，在真正的電荷泵中，飛行電容器不會(huì)發(fā)生物理移動(dòng)，而是通過四個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管以精心編排的順序在這些點(diǎn)之間進(jìn)行電氣切換。切換頻率通常在 100 kHz 至 2 MHz 之間，由監(jiān)控電路進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而促進(jìn)向連接的負(fù)載進(jìn)行近乎無縫的能量傳輸。雖然這些監(jiān)控功能可以通過多種方式實(shí)現(xiàn)，但越來越常見的架構(gòu)是由一個(gè)運(yùn)行少量代碼的簡(jiǎn)單微控制器來實(shí)現(xiàn)。

不同的輸出電容排列可以實(shí)現(xiàn)不同的倍增比或產(chǎn)生負(fù)電壓（最后一部分是通過將 Co 懸掛在接地軌上并來回翻轉(zhuǎn) Cf 來實(shí)現(xiàn)的）。另外，由于電荷轉(zhuǎn)移過程是對(duì)稱的，因此也可以用同樣的方法來進(jìn)行電壓。

由于電容器能很好地控制其內(nèi)部場(chǎng)，而且現(xiàn)代多層陶瓷（MLCC）在標(biāo)準(zhǔn)電荷泵工作頻率下阻抗很低，因此 LM2776 等轉(zhuǎn)換器 IC 具有出色的效率，在各種負(fù)載下通常都能達(dá)到 85% 以上，而且不會(huì)產(chǎn)生大量射頻干擾。

另一方面，簡(jiǎn)單電荷泵的一個(gè)主要局限是缺乏電壓調(diào)節(jié)：器件可以產(chǎn)生任意倍數(shù)的 Vin，但如果電源波動(dòng)，轉(zhuǎn)換器的輸出也會(huì)波動(dòng)。由于飛行電容通常選得比輸出電容小，Co 的充電是逐步進(jìn)行的，因此可以通過監(jiān)控輸出電壓和改變過程的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)一些粗略的調(diào)節(jié)。另一種更好但效率較低的調(diào)節(jié)方法是通過電阻限制提供給 Cf 的電流，從而對(duì)其充電狀態(tài)進(jìn)行更精細(xì)的控制。LTC3240 就是一個(gè)將電壓調(diào)節(jié)至 +/- 5% 左右的升壓型電荷泵的例子，從數(shù)據(jù)手冊(cè)中可以看出，它的整體效率受到了影響。

除了電壓調(diào)節(jié)程度有限之外，電荷泵的主要缺點(diǎn)在于其固有的不連續(xù)工作特性：從電源到負(fù)載之間從來沒有直接的電流流動(dòng)。再加上電荷轉(zhuǎn)移路徑中的晶體管數(shù)量相對(duì)較多，這意味著電荷泵的設(shè)計(jì)電流通常不會(huì)超過 300 mA。過了這個(gè)點(diǎn)，基于電感的設(shè)計(jì)就占了上風(fēng)。

降壓轉(zhuǎn)換器（Buck converter）

降壓轉(zhuǎn)換器是最簡(jiǎn)單的電感式穩(wěn)壓器。它用于產(chǎn)生嚴(yán)格控制的低于電源的輸出電壓。電路如下：

從本質(zhì)上講，降壓轉(zhuǎn)換器的控制器監(jiān)控輸出電壓，并在輸出電壓低于預(yù)設(shè)水平時(shí)打開開關(guān)，從電源軌為輸出電容器充電。

如果沒有限制浪涌電流的方法，該電路可能會(huì)表現(xiàn)不穩(wěn)定：電容充電過快，導(dǎo)致 Vout 瞬間過沖至 Vin。在充電電流路徑上安裝一個(gè)小電阻可能是一種解決方案，但這有點(diǎn)浪費(fèi)。電感似乎是一個(gè)更好的選擇，它通過將部分能量可逆地轉(zhuǎn)移到內(nèi)部磁場(chǎng)中來抵制電流的變化。

當(dāng)監(jiān)控電路首次閉合開關(guān)時(shí)，通過電感的電流會(huì)緩慢上升，從而使我們能夠很好地控制電容的充電水平。但是，當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，新的問題就出現(xiàn)了：電感的磁場(chǎng)坍塌，繼續(xù)推動(dòng)電子沿著之前的路徑前進(jìn)，從而釋放出存儲(chǔ)的能量。如果沒有新的路徑可循，這種現(xiàn)象就會(huì)在電感兩端產(chǎn)生危險(xiǎn)的尖峰電壓：開關(guān)側(cè)為負(fù)，電容側(cè)為正。更糟糕的是，它還會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)中存儲(chǔ)的能量在非生產(chǎn)性的情況下耗散，使電感終究不如一個(gè)電阻。

為了解決這個(gè)問題，我們的簡(jiǎn)單降壓轉(zhuǎn)換器還必須包含一個(gè)巧妙放置的反向偏置二極管。一旦電感左側(cè)為負(fù)值，二極管就開始導(dǎo)通，而這種情況只有在開關(guān)斷開時(shí)才會(huì)發(fā)生。二極管導(dǎo)通后，電子會(huì)被 0 V 電壓軌的塌縮磁場(chǎng)拉向電容和負(fù)載，最終找到有效的返回路徑：

當(dāng)然，穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)師必須考慮到這一額外的 “開關(guān)斷開” 的電流，以防止電容過充電。不過，由于電場(chǎng)中存儲(chǔ)的能量或多或少與電感的 “導(dǎo)通” 時(shí)間成正比，因此這種現(xiàn)象的大小很容易預(yù)測(cè)和控制。

降壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)效率很高，但通常只能在較窄的負(fù)載范圍內(nèi)達(dá)到最佳性能。損耗的一個(gè)主要來源是電感線圈的電阻；如果選擇的元件成本較低，且在 PCB 上的占板面積盡可能小，那么電阻可能會(huì)很高。另一個(gè)損耗源是電感器的電磁場(chǎng)泄漏，這也會(huì)造成中頻和高頻波段的無線電干擾，使開關(guān)電源在某些應(yīng)用（如無線電接收機(jī)或精密放大器）中出現(xiàn)輕微問題。

另一方面，降壓轉(zhuǎn)換器采用半連續(xù)工作方式，電流從電源直接流向負(fù)載；這意味著它們可以毫不費(fèi)力地提供大電流，即使是 AP63203 這樣的微型器件也能處理數(shù)安培的電流。通過電感器的電流逐漸升高也意味著可以輕松實(shí)現(xiàn)出色的電壓調(diào)節(jié)。

需要注意的是，除了需要外接電感的 IC 外，還可以購買價(jià)格低廉的一體式模塊，這些模塊不需要太多的修改工作，而且簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。CUI VXO7803-500 和 MPS mEZD71202A-F 就是兩個(gè)很好的例子。

升壓轉(zhuǎn)換器（Boost converter）

如上一節(jié)所述，降壓穩(wěn)壓器的局限性在于，該設(shè)備只能輸出低于電源軌的電壓。要產(chǎn)生更高的電壓，就必須采用不同的方法，而最常見的方法就是升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

讓我們來看看開關(guān)閉合時(shí)會(huì)發(fā)生什么。原則上，這會(huì)造成電源軌之間的短路，但在短時(shí)間內(nèi)，電感會(huì)阻擋電流的流動(dòng)，同時(shí)將電源的能量轉(zhuǎn)移到內(nèi)部磁場(chǎng)中。當(dāng)然，這種效應(yīng)很快就會(huì)減弱，因此要避免真正的短路，開關(guān)必須在很短的時(shí)間內(nèi)打開。

一旦開關(guān)斷開，電感的塌縮磁場(chǎng)就會(huì)試圖維持電荷沿原來的方向流動(dòng)。就像降壓轉(zhuǎn)換器一樣，這會(huì)使線圈的左端更負(fù)，而使右端更正。

當(dāng)然，較負(fù)的一端仍連接到正電源軌，因此其電位相對(duì)于電源保持不變；同時(shí)，連接到另一終端的電壓將高于 Vin 的電壓。這個(gè)電壓峰值會(huì)導(dǎo)致二極管開始導(dǎo)通，從而允許能量轉(zhuǎn)移到電容器。

重要的是，由于線圈可產(chǎn)生的峰值電動(dòng)勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 Vin，因此電容也可以充到更高的電壓。事實(shí)上，如果讓這一過程無限期地持續(xù)下去，電容的電壓可能會(huì)達(dá)到數(shù)百伏。由此可見，輸出調(diào)節(jié)至關(guān)重要。這可以通過改變電感器的 “導(dǎo)通” 時(shí)間來實(shí)現(xiàn)，從而改變每一步傳輸?shù)哪芰俊?/p>

升壓轉(zhuǎn)換器（如 MCP1642B/D）通常用于利用單個(gè)堿性電池為更高電壓的器件供電，或?yàn)?LCD 背光等設(shè)備產(chǎn)生 10V 以上的電壓。這些器件具有降壓拓?fù)涞拇蟛糠謨?yōu)缺點(diǎn)：需要電感器，RFI 基底面大，但可以輕松提供相當(dāng)大的電流。

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