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2019-1-16 17:42 上傳
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2019-1-16 17:42 上傳
開關(guān)電源是一個具有低輸出阻抗的放大器。在大學(xué)控制系統(tǒng)課程所學(xué)的所有理論，都適用于線性和開關(guān)穩(wěn)壓器。在上面的實例中，輸出電壓高于電源電壓，通常，這是做不到的。但是，放大器的輸出級是一個DC/DC 升壓穩(wěn)壓器，所以這是可能的。如果置輸出到 4.5V，此電路稱之為低壓降穩(wěn)壓器，若輸出是 2.5V，可把它稱之為 NPN線性穩(wěn)壓器，如LM317。
本講座將首先綜術(shù)開關(guān)穩(wěn)壓器的基本工作原理，包括開關(guān)波形和元件選擇準則；然后論述開關(guān)穩(wěn)壓器的控制方法；最后綜述開關(guān)電容器變換器和線性穩(wěn)壓器。
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2019-1-16 17:43 上傳
DC/DC 變換器只是一個具有大動率輸出級的放大器。它隨著輸出誤差增加，其占空比也增加。當誤差放大器（EA）輸出與振蕩器斜波電壓相匹配時，RS 觸發(fā)器復(fù)位關(guān)閉鎖存。在穩(wěn)態(tài)時，Driver 的輸出的占空比將通過EA的輸出自我調(diào)節(jié)，從而保持正確的輸出電壓。當 EA輸出太小時，RS 觸發(fā)器有可能復(fù)位保持高態(tài)，從而使輸出導(dǎo)通鎖存。
這種情況通常發(fā)生在輕負載時，因此需要在 EA 輸出端加補償。
所有 PWM變換器工作在這種基本狀態(tài)。
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2019-1-16 17:43 上傳
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2019-1-16 17:44 上傳
降壓穩(wěn)壓器 PWM比較器的輸出到控制開關(guān)，使 SWITCH NODE（開關(guān)節(jié)點）上的電壓波形具有 VOUT平均值。電感器和輸出電容器構(gòu)成一個低通濾波器，這樣 DC電壓以相當小的紋波呈現(xiàn)在輸出端。
占空比 D定義為TON/T。VOUT=VAVE=VIN*D。此方程如同用于計算方波平均值的公式，幅度為 “ VIN”周期 T。寬度 “ TON” 。
若輸出電流為零，則不需要續(xù)流二極管。事實上，對于非常小的輸出電流，我們?nèi)サ舳䴓O管并用電阻器替代電感器。然而，降壓穩(wěn)壓器主要應(yīng)用在大的平均電流或要求效率的場合。在控制開關(guān)斷路時，二極管為電感器電流續(xù)流提供通路。
降壓穩(wěn)壓器只是一種在控制開關(guān)導(dǎo)通時輸入和輸出之間連接的拓撲結(jié)構(gòu)。
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2019-1-16 17:45 上傳
第一個選擇的元件是電感器。這將決定在其他元件中的所有電流。
有很多方法可確定電路最佳電感值。上面所建議的方法是通用的。這是電感大小，輸出電壓和峰值電流之間的好的折衷方案。
自利用上述方程以來，電容器技術(shù)有了巨大進步。具有很低 ESR 的電容器很容易得到。這可使人們減小電感（增加紋波）超過上述指標。
電感值是決定控制系統(tǒng)穩(wěn)定度的主要因素。有時因某種原因要增大或減小電感值。減小電感值可允許用較小尺寸的電感器，增大電感值可允
許用較便宜的輸出電容器。增大電感值會降低峰值電流，并可從較便宜的開關(guān)穩(wěn)壓器實現(xiàn)更大輸出電流。
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2019-1-16 17:45 上傳
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2019-1-16 17:46 上傳
上述忽略柵驅(qū)動損耗，但對滿載是良好的。
一個好的二極管和開關(guān)可改善效率，這通常成本較高。假定粉沫鐵芯（MPP，KOOLMU）的電感器磁芯損耗為 I2R/2，鐵氧體內(nèi) I2R/4。
圖中更亮的劃線示出電流如何隨負載降低而減小。
在前面已劃出開關(guān)節(jié)點電壓波形。
注意：當開關(guān)處于導(dǎo)通時，控制開關(guān)電流與電感器電流一樣。當開關(guān)處于關(guān)閉時，二極管電流與電感器一樣。
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2019-1-16 17:46 上傳
輸出電容器旁路來自電感器的剩余紋波電流，所以輸出是 DC。若電容器是理想的則變換器的輸出紋波將是小幅度 90度相移的正弦波。最低成本的電容器具有相當大的 ESR（ESR控制輸出紋波）。然而，低 ESR的電容器正在迅速地變便宜。用陶瓷電容器能保證有足夠大的電容量，這樣環(huán)路是穩(wěn)定的。
假定所有 AC電流流經(jīng)輸入電容器而不允許通過電路到輸出端。這需要大的輸入電容器。輸入電容器需要處理大的 ACrms
電流而不過熱，并保
持小的輸入紋波電壓。剛好不能接入非常小 ESR的陶瓷電容器，除非開關(guān)頻率非常高或負載非常輕。也應(yīng)注意，RMS 電流不隨頻率變化。所以 150 KHz設(shè)計所用電容器與 260 KHz設(shè)計所需電容是相同的。隨著頻率的增加，對輸入電容的要求降低。
在輸入端用鉭電容要小心，電源和輸入電容器之間沒有電感器時，輸入沖擊電流可能會損壞它們。
圖中綠線表示較小的電流條件。
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2019-1-16 17:47 上傳
在要求高效率的應(yīng)用中，用另一個 MOSFET替代二極管。這稱之為同步整流。同步整流意味著在開關(guān) Q1截止時，不用外部二極管把 SW引腳連接到地來保持續(xù)流，在截止時間期間內(nèi)部 FET Q2有效地被激勵。同步整流的優(yōu)點是在 Q2導(dǎo)通時所產(chǎn)生的電壓降比二極管低。
在給出的實例中，Vin=12V，Vout=1.2V,D=10%。因此，在 90%的時間導(dǎo)通電流流經(jīng)二極管。用 1.2Vout和 0.5V二極管，則電感器必須是1.7V源。這意味著只有功率的 12/17或 70% 供給負載。這種效率比較差。而同步 MOSFET 只有 0.1V，所以效率增加到 92%，這個效率是相當好的。要折衷考慮的是成本和復(fù)雜性。即使不用同步 FET，其效率仍然遠遠優(yōu)于線性穩(wěn)壓器。
驅(qū)動器DH和DL根據(jù)開關(guān)的大小分別控制輸出開關(guān) Q1和 Q2，而不管它是單片還是外部，在此一個開關(guān)開始截止和另一開關(guān)開始導(dǎo)通之間的延遲為 10ns~50 ns。此“ 空載時間” 防止開關(guān)在同一時間導(dǎo)通，因此，避免電流直接從輸入電源突入到地。
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2019-1-16 17:48 上傳
可增加一個肖特基二極管與低端 MOSFET并聯(lián)來進一步改善效率：
（1）避免導(dǎo)通 Q2的體二極管可降低空載時間期間的導(dǎo)通損耗。
（2）消除與截止體二極管有關(guān)的反向恢復(fù)電流，可降低 Q1導(dǎo)通電流尖峰。由于在電流尖峰出現(xiàn)時跨接在 Q1上的電壓仍然為高態(tài)，所以肖特基二極管也可降低 Q1的開關(guān)損耗。
（3）消除 Q2體二極管中的反向恢復(fù)損耗。
對于集成 MOSFET 的 IC，損耗降低也助于降低 IC 的功耗。
對于布線考慮，肖特基二極管需要放置在盡可能靠近 Q2處。肖特基二極管和 Q2環(huán)路中寄生電感將延遲肖特基二極管的導(dǎo)通。也可選用在同一封裝中有肖特基二極管和 MOSFET的器件。
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2019-1-16 17:53 上傳
LM2647是一款雙輸出同步降壓變換器控制器。上圖只示出一個輸出。選擇 FET 的目標是使功耗最小而且是經(jīng)濟的。需要做的第一件事是了解工作電流和電壓。然后，可以折衷考慮電壓額定值，RDS（ON） 和柵電容這樣的參量。
FET功耗有 3 方面：通導(dǎo)（導(dǎo)通電阻），柵充電（能量消耗在柵板和驅(qū)動器中）和開關(guān)（電壓和電流在器件的線性區(qū)）。
通導(dǎo)損耗方程前面已給出，降低導(dǎo)通電阻可降低功耗。
柵充電損耗是由每個周期充電柵板電容，然后放電到地面引起的。其損耗為：
P=f• CG• VGATE
2=f •QG
•VGATE
它不是 1/2，因為損耗能量在驅(qū)動器中。所以，希望小的柵電容。可惜，最小導(dǎo)通電阻的 FET器件都具有較大的柵電容。
應(yīng)折衷考慮 D 和絕對電壓。若 Vin 是 5V 和 Vout是 3.3V，則對于 D=70% 其上端開關(guān)將承載更多平均電流。所有電壓都是低的，所以，選擇具有最小導(dǎo)通電阻的 FET，而不必擔心柵電容。若 Vin 為16.8V（4 節(jié)鋰電池）和 Vout是 1.8V（CPU 芯核電壓），則對于 D=11% 其低端開關(guān)具有比上端開關(guān)更多的平均電流，而且可以用更低的柵電壓進行激勵。結(jié)果，選擇上端 FET 具有更大的導(dǎo)通電阻和更小的柵電荷。注意：因為這種損耗與頻率有關(guān)，所以在特大電流的電源中用非常大的 FET、大柵極電容，通過降低工作頻率可提供更佳的設(shè)計。LM2647頻率設(shè)置在 200KHz~500KHz。柵電容也影響開關(guān)損耗。若柵驅(qū)動器必須對一個大電容充電，則 FET 處于線性區(qū)的時間增大和損耗增加。柵電容越小，上升時間越快，開關(guān)損耗就越低�？上В@會導(dǎo)致高頻噪聲。
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2019-1-16 17:55 上傳
上面的軟啟動實例來自 LM2597數(shù)據(jù)手冊。軟啟動特性使啟動電流從700mA降到 160 mA，并延遲和減慢輸出電壓上升時間。輸入電源限定在其電流額定值情況下，啟動電流降低是有用的，在某些應(yīng)用中，可用軟啟動替代過壓鎖定或延遲起動功能。受開關(guān)器和電流限制而采用非常小飽和電流的電感時，軟啟動也是有用的。軟啟動防止大電流使電感飽和。啟動期間的飽和電感器可導(dǎo)致電流限值，人為地限制占空比和輸出不會發(fā)生。不用軟啟動解決此問題的另一種方法是用粉末鐵芯或 MPP磁芯（它們具有適度的飽和特性）。
若希望非常慢的輸出斜波，則軟啟動電容器可選比較大的。其時間可能達幾秒或幾分鐘。對于 LM2597，可用下式求得所希望的時間：
dt = C x dV/I, 即dt = 0.068μF x (2.8-1.8V)/1.6μA = 42.5ms
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開關(guān)電源基礎(chǔ)講座 30頁 10.9M.pdf
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