模擬電路中降壓型開關穩(wěn)壓器的設計與研究

模擬電路中降壓型開關穩(wěn)壓器設計與研究匯報者：何利康導師：任春明匯報日期：2016年5月10日提要一、穩(wěn)壓器的發(fā)展二、核心內(nèi)容三、電路設計四、總結2線性穩(wěn)壓器使用最廣泛的是LDO（低壓差）穩(wěn)壓器，輸入輸出壓差可低于0.5V，具有低成本、噪音小、靜態(tài)電流小等優(yōu)點。1.集成穩(wěn)壓器的分類a.線性穩(wěn)壓器一、穩(wěn)壓器的發(fā)展>傳統(tǒng)的串聯(lián)調(diào)整式穩(wěn)壓器是連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓器(LinearVoltageRegulator)。*穩(wěn)定性好、輸出紋波電壓小、線性調(diào)整率和負載調(diào)整率極好，使用可靠等。>具有如下優(yōu)點：>但由于其調(diào)整管工作在線性放大狀態(tài)，為保證輸出電壓穩(wěn)定，調(diào)整管兩端必須承受一定的壓差，導致功耗增加，效率變低（一般只有40%~50%）。>同時由于散熱影響，不利于集成，以上這些問題限制了線性穩(wěn)壓器的應用范圍。31.集成穩(wěn)壓器的分類

b.開關穩(wěn)壓器一、穩(wěn)壓器的發(fā)展>開關穩(wěn)壓器的調(diào)整管工作在高頻開關狀態(tài)，通過控制其開關狀態(tài)的占空比來調(diào)整輸出電壓。>開關穩(wěn)壓器體積小、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定，因而得到了快速發(fā)展。4>開關穩(wěn)壓器的開關管功耗小，效率高達70%~90%，比傳統(tǒng)穩(wěn)壓器提高了將近一倍。*開關管飽和導通時，集電極和發(fā)射極兩端的飽和壓降很小，接近為零。*開關管截止時，其集電極電流為零。>因為其高效、高功率密度等特征，開關穩(wěn)壓器多數(shù)用于電源供電電壓低、電流大的電子產(chǎn)品中，并且市場需求逐年增加。1.集成穩(wěn)壓器的分類c.線性穩(wěn)壓器和開關穩(wěn)壓器區(qū)別一、穩(wěn)壓器的發(fā)展>線性穩(wěn)壓器：5*調(diào)整管是將輸入電壓源的能量連續(xù)地傳遞給負載。>開關穩(wěn)壓器：*從輸入電壓源不連續(xù)地獲得能量；*利用電感中的磁場或電容中的電場暫時存儲能量，然后將其傳遞給負載。>開關穩(wěn)壓器最大的亮點在于：*開關管截止時，兩端的壓降雖然很大，但流過的電流幾乎為零；*導通時，流過的電流雖然很大，但兩端的壓降很小，功耗很小，大大提高了系統(tǒng)的功率轉換效率。2.開關穩(wěn)壓器緒論a.名詞解析一、穩(wěn)壓器的發(fā)展>目前最廣泛的開關穩(wěn)壓器主要是完成DC-DC變換，PPT中所指的開關穩(wěn)壓器均為直流開關穩(wěn)壓器。6AC-DC整流DC-AC逆變AC-AC交流-交流變換DC-DC直流-直流變換>廣義地說，凡是用半導體功率器件作為開關，將一種電源形態(tài)轉變?yōu)榱硪环N電源形態(tài)的主電路都稱為開關穩(wěn)壓器。2.開關穩(wěn)壓器緒論b.基本原理二、核心內(nèi)容7最簡單方法在電路中串聯(lián)一個電阻；不涉及變頻，簡單，但效率低。開關穩(wěn)壓器對輸出電壓采樣，經(jīng)變換產(chǎn)生脈沖信號，控制功率開關管的導通或截止時間；將脈沖電流轉換為連續(xù)穩(wěn)定的電流，以達到穩(wěn)定輸出電壓。>右圖為開關穩(wěn)壓器的結構框圖。1.穩(wěn)壓器分類

?基本型和隔離型二、開關穩(wěn)壓器的核心內(nèi)容>開關穩(wěn)壓器主要分為兩大類：基本型和隔離型。8*基本型只完成電壓轉換，電路工作時，輸入電壓源與輸出負載有公共的電流通路；*隔離式的除了完成電壓轉換功能外，還使用了變壓器對輸入/輸出電壓進行隔離，通過變壓器來實現(xiàn)能量的傳輸。>基本型開關穩(wěn)壓器根據(jù)功率開關管和儲能元件的不同拓

撲結構，分為右邊四種類型：*降壓型(Buck)、升壓型(Boost)、

升壓-降壓型(Buck-Boost)、

降壓-升壓型(Cuk)。2.穩(wěn)壓器工作方式

a.連續(xù)導通模式二、開關穩(wěn)壓器的核心內(nèi)容>根據(jù)開關周期內(nèi)開關電流的狀態(tài)，開關穩(wěn)壓器的工作方式可分為連續(xù)導通模式和不連續(xù)導通模式。9

>連續(xù)導通模式：

*表示在連續(xù)導通模式下，存儲在電感中的能量在每個開關周期內(nèi)并未全部釋放掉，因此下一個周期開關具有初始能量；*減小了開關電流的有效電流值，降低芯片功耗，但要求的電感量較大，適用于輸出功率較小的開關穩(wěn)壓器。2.穩(wěn)壓器工作方式b.不連續(xù)導通模式二、開關穩(wěn)壓器的核心內(nèi)容>根據(jù)開關周期內(nèi)開關電流的狀態(tài)，開關穩(wěn)壓器的工作方式可分為連續(xù)導通模式和不連續(xù)導通模式。10

>不連續(xù)導通模式：

*意味著存儲在電感的能量必須在每個開關周期內(nèi)完全釋放掉，開關電流的波形呈三角形；*所需的電感量較小，適用于輸出功率較大的開關穩(wěn)壓器。3.穩(wěn)壓器控制方式

a.脈沖寬度調(diào)制

(PWM)二、開關穩(wěn)壓器的核心內(nèi)容>脈沖寬度調(diào)制（如圖a所示）：11*特點是固定開關頻率，通過改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)占空比，并簡化了濾波電路的設計。*缺點是受功率的開關管最小導通時間限制，對輸出電壓不能作寬范圍調(diào)節(jié)，并且輸出端不能懸空，空載時輸出電壓會升高。大多數(shù)開關穩(wěn)壓器都采用PWM控制方式！3.穩(wěn)壓器控制方式

b.脈沖頻率調(diào)制(PFM)二、開關穩(wěn)壓器的核心內(nèi)容>脈沖頻率調(diào)制（如圖b所示）：12*脈沖寬度固定，通過改變開關頻率來調(diào)節(jié)占空比；

*輸出電壓調(diào)節(jié)范圍很寬，輸出端可懸空。3.穩(wěn)壓器控制方式c.混合調(diào)制二、開關穩(wěn)壓器的核心內(nèi)容>混合調(diào)制：

脈沖寬度調(diào)制(PWM)13

脈沖頻率調(diào)制(PFM)

混合調(diào)制*脈沖寬度和開關頻率均不固定，兩者都能改變；

4.穩(wěn)壓器控制模式a.電壓型PWM控制模式二、開關穩(wěn)壓器的核心內(nèi)容

14根據(jù)反饋回路和穩(wěn)壓特性的不同，開關穩(wěn)壓器有電壓型和電流型兩種控制模式。

4.穩(wěn)壓器控制模式b.電流型PWM控制模式二、開關穩(wěn)壓器的核心內(nèi)容>電流型控制模式有兩個控制環(huán)路，電流控制通過內(nèi)部環(huán)路實現(xiàn)，電壓控制通過外部環(huán)路實現(xiàn)（實現(xiàn)電壓電流的雙環(huán)控制）15*不僅對輸出電壓的變化量進行采樣，也對輸出電流變化量進行采樣。

5.開關穩(wěn)壓器的技術指標

?開關穩(wěn)壓器的技術指標二、開關穩(wěn)壓器的核心內(nèi)容>開關穩(wěn)壓的技術指標有以下多種：16技術指標穩(wěn)壓系數(shù)（絕對穩(wěn)壓系數(shù)和相對穩(wěn)壓系數(shù)）輸出電阻紋波電壓（最大紋波電壓、紋波系數(shù)、紋波電壓抑制比）溫度漂移和溫度系數(shù)（絕對溫度系數(shù)、相對溫度系數(shù)）漂移和噪聲響應時間高頻開關動作6.基本工作原理

a.功率管閉合時二、開關穩(wěn)壓器的核心內(nèi)容

17

6.基本工作原理

b.功率管斷開時二、開關穩(wěn)壓器的核心內(nèi)容18

6.基本工作原理c.穩(wěn)態(tài)特性分析二、開關穩(wěn)壓器的核心內(nèi)容19>以下計算在理想情況下進行（導通壓降、截止電流、寄生電阻等）?！胺€(wěn)態(tài)”指的是輸入電壓、輸出電壓、輸出負載電流以及占空比都是不變的。

>同理可以求出關斷狀態(tài)時電感電流減小量為：

?開關穩(wěn)壓器實際應用電路

?一款開關穩(wěn)壓芯片內(nèi)部電路框圖三、電路設計20>下圖為實際應用中的穩(wěn)壓比較器電路。?開關穩(wěn)壓器實際應用電路三、電路設計21

?電路組成ON/OFF電路通過外加引腳控制芯片的工作狀態(tài)基準電路產(chǎn)生穩(wěn)定的2.5V電壓，作為電路內(nèi)部電源；同時產(chǎn)生1.235V高精度基準電壓。誤差放大器將輸出反饋電壓與基準電壓比較，輸出誤差放大信號，以控制功率管開關的占空比。PWM比較器將誤差放大器的輸出信號與鋸齒波比較，產(chǎn)生脈沖信號。150KHz振蕩器產(chǎn)生150KHz固定頻率的脈沖和鋸齒波。限流比較器當輸出電流超過4.5A時，使功率管關斷，并使振蕩器頻率下降?開關穩(wěn)壓器實際應用電路三、電路設計22

?ON/OFF電路>COMP1正向輸入端為ON信號；>當ON<1.3V時，Q1截止，COM2正向輸入端電壓大于1.3V，Q2導通；>R2兩端產(chǎn)生壓差，Q3導通，CTRL5

變?yōu)榈碗娖剑?gt;Q4管截止，CTRL8電壓拉高。*CTRL8送到基準模塊，CTRL5送到邏輯模塊。QE19與QE23類似帶隙的結構，可保證其產(chǎn)生的電流具有較低的溫度系數(shù)。?開關穩(wěn)壓器實際應用電路三、電路設計23

?150KHz振蕩器>三級運放構成環(huán)形振蕩器；>最后一級單端輸出，產(chǎn)生周期性脈沖，

用于控制電容充放電的時間以產(chǎn)生同

頻率的鋸齒波，同時送至邏輯電路；>QE19集電極反饋至第一級運放的同相輸入端，同時構成電容的充放電回路；>QE23的集電極反饋到第一級運放的反相輸入端。?開關穩(wěn)壓器總結四、總結24>從三個方面了解開關穩(wěn)壓器：導通模式連續(xù)導通不連續(xù)導通控制方式PWMPFM混合控制模式電壓控制電流控制>基本原理是調(diào)節(jié)開關脈沖的寬度和頻率實現(xiàn)輸出電壓的控制。>開關管處于導通狀態(tài)是，Vce(sat)<=1V，也就是說Vce很小，即使有集電極電流，產(chǎn)生的功率損耗也不會很大，此外，截止狀態(tài)時，沒有集電極電流，不存在損耗。>開關電路輸出的電流不是直流，后面需要連接整流電路將脈沖電流轉為直流電流。參考文獻[1]唱娟.模擬電路中降壓型開關穩(wěn)壓器的設計與研究[D].西安電子科技大學,2006.[2]景欣.降壓型開關穩(wěn)壓電源芯片電路的研究與設計[D].沈陽工業(yè)大學,2009.[3]王輝,王松林,來新泉,等.一種BUCK