各種降壓穩(wěn)壓器的設(shè)計和工作原理

時間：2024-10-11作者：深圳市華源瑞科電子有限公司瀏覽：658

現(xiàn)階段較多見的電源開關(guān)穩(wěn)壓器拓撲結(jié)構(gòu)之一是降壓型電源開關(guān)穩(wěn)壓器。降壓穩(wěn)壓器IC通常選用內(nèi)嵌控制板和集成化FET開展降壓變換。不僅如此，降壓穩(wěn)壓器IC還可運用到各種設(shè)計中，如正相反開關(guān)電源、雙正負極開關(guān)電源及其單獨一個或好幾個單獨電壓導(dǎo)出的隔離電源。文中詳細介紹了各種各樣降壓穩(wěn)壓器的設(shè)計方案，闡釋他們的原理，并探討完成這種設(shè)計方案必須考量的具體要素。

選用降壓穩(wěn)壓器IC的降壓轉(zhuǎn)換器

瑞薩電子ISL8541x系列降壓穩(wěn)壓器IC具備集成化的上管和埋管FET、內(nèi)部運行二極管和內(nèi)部賠償，可較大限度地降低外界元器件總數(shù)，完成十分小外形尺寸的總體解決方法。除此之外，該系列產(chǎn)品穩(wěn)壓器IC具備3V~40V的寬鍵入電壓范疇，可適用多節(jié)電池和各種各樣穩(wěn)壓管電壓導(dǎo)出。文中將以ISL85410降壓穩(wěn)壓器IC為例子詳盡表述各種各樣運用設(shè)計方案。

電源電路中，當(dāng)所需電壓小于系統(tǒng)軟件中的可以用電壓時，則必須應(yīng)用降壓轉(zhuǎn)換器。例如，選用12V充電電池做為鍵入電壓的系統(tǒng)軟件，必須導(dǎo)出5V、3.3V或1.2V電壓，便于為微處理器、I / O、儲存器和FPGA配電。根據(jù)合理地將高電壓變換為低電壓，降壓轉(zhuǎn)換器能延長系統(tǒng)軟件內(nèi)的電池循環(huán)次數(shù)、降低排熱并提升穩(wěn)定性。圖1為應(yīng)用ISL85410降壓穩(wěn)壓器IC的降壓轉(zhuǎn)換器的簡單化電路原理圖。

圖1. 降壓轉(zhuǎn)換器的簡單化電路原理圖

導(dǎo)出電壓與鍵入電壓具備同樣的正負極，持續(xù)關(guān)斷方式（CCM）中的電壓轉(zhuǎn)化率可表明為：

（1）在其中D是pwm占空比，范疇從0到1，表明導(dǎo)出電壓（VOUT）自始至終小于或等于鍵入電壓（VIN）。

選用降壓穩(wěn)壓器IC的正相反開關(guān)電源

盡管電子控制系統(tǒng)通常應(yīng)用正電壓，但偶爾也必須應(yīng)用負電壓。在這樣的情況下，必須正相反開關(guān)電源用正鍵入轉(zhuǎn)化成負電壓。為達到這種運用要求，較為常用的解決方法之一是應(yīng)用正相反降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。

圖2較為了降壓轉(zhuǎn)換器與正相反降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的輸出級，表明可以根據(jù)轉(zhuǎn)換FET Q2和電感器L1來得到正相反降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。這類拓撲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變會形成差異的電壓變換比和導(dǎo)出電壓的正相反正負極：

（2）在正相反降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中，導(dǎo)出電壓力度可以高過或小于鍵入電壓，而且導(dǎo)出電壓相對性于鍵入電壓源的接地裝置是負的。

圖2. 降壓轉(zhuǎn)換器和正相反降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的輸出級

正相反降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可選用相對高度集成化的降壓穩(wěn)壓器IC完成。如下圖3所顯示，應(yīng)用ISL85410降壓穩(wěn)壓器的簡單化電源電路。將降壓穩(wěn)壓器配備為正相反降壓-升壓轉(zhuǎn)換器時，必須留意2個關(guān)鍵差別。**，鍵入電壓的（VIN）回到（RTN）聯(lián)接。圖1所顯示的降壓轉(zhuǎn)換器，鍵入電壓的RTN與此同時也是接地裝置端（即降壓控制器的AGND/PGND管腳），而在正相反降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中鍵入電壓的RTN和接地裝置端不會再同樣。因而，在完成正相反降壓-升壓轉(zhuǎn)換器時，務(wù)必在VIN管腳和RTN（而不是AGND/PGND管腳）上增加鍵入電壓源。

*二，VIN管腳上的電壓內(nèi)應(yīng)力需參照AGND管腳。無論導(dǎo)出電壓怎樣，降壓轉(zhuǎn)換器中的電壓自始至終相當(dāng)于鍵入電壓（VIN）。比較之下，正相反降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器中的VIN管腳務(wù)必能承擔(dān)鍵入電壓和導(dǎo)出電壓之和（V IN V OUT）。例如，在將24V變換為-5V的制定中，VIN管腳上的電壓內(nèi)應(yīng)力為29V而不是24V。務(wù)必切記VIN管腳上的電壓內(nèi)應(yīng)力不可**出IC數(shù)據(jù)分析表中要求的肯定較大額定值電壓。

圖3. 簡單化的正相反降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

選用降壓穩(wěn)壓器IC的雙正負極開關(guān)電源

很多運用，如運放電路和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，都必須雙正負極±5V或±12V開關(guān)電源。一種常用的辦法是應(yīng)用單獨一個電源開關(guān)控制器及其藕合電感（通常也稱之為變電器）來造成負電壓和正電壓導(dǎo)出。圖4展現(xiàn)了怎么使用降壓轉(zhuǎn)換器和正相反降壓-升壓轉(zhuǎn)換器來轉(zhuǎn)化成雙正負極開關(guān)電源。

如下圖4（a）所顯示，較先將ISL85410降壓穩(wěn)壓器配備為調(diào)整正導(dǎo)出VOUT 的降壓穩(wěn)壓器，隨后根據(jù)提升附加的藕合繞阻造成負導(dǎo)出VOUT-。若對正輸出VOUT 如同在降壓轉(zhuǎn)換器中那般開展調(diào)整，則負導(dǎo)出VOUT-與VOUT 標值一樣（簡易考慮，整流二極管D1的正方向電壓降被忽視），但具備反過來的正負極。

圖4. 應(yīng)用降壓方式（a）或正相反降壓-升壓方式（b）的雙較開關(guān)電源簡單化電路原理圖

圖5表明在DT和（1-D）T的間隔時間期內(nèi)應(yīng)用降壓方式的雙較開關(guān)電源的閉合電路。在DT期內(nèi)，上管FET Q1打開，造成整流二極管D1反方向電壓偏置，因而在次級繞組中沒有電流量流動性。在（1-D）T期內(nèi)，Q1斷掉，電流量Ip根據(jù)埋管FET Q2續(xù)流，次級繞組兩邊的電壓（Vs）相匹配VOUT ，因而D1關(guān)斷，為導(dǎo)出電容器COUT2電池充電，并為規(guī)范配電。提議以強制性CCM配備轉(zhuǎn)換器，進而完成負導(dǎo)出電壓（VOUT-）的優(yōu)良電壓調(diào)整。

圖5. 應(yīng)用降壓方式的雙較開關(guān)電源閉合電路

下面詳細描述應(yīng)用ISL85410創(chuàng)建并仿真模擬雙正負極開關(guān)電源的SIMPLIS實體模型的原理，重要主要參數(shù)見表1。

報表1. 雙正負極開關(guān)電源重要主要參數(shù)

模擬仿真波型如下圖6所顯示。在Q2打開的（1-D）T期內(nèi)，次級繞組電流量（Is）的藕合電流量使總的原邊電流（Ip）變成負數(shù)。根據(jù)適合的設(shè)計方案，保證該負電流充足低，防止在一切正常工作中情況下開啟降壓穩(wěn)壓器的負電流限定。

圖6. 選用降壓法的雙正負極開關(guān)電源模擬仿真波型

圖4（b）展現(xiàn)另一種方式，應(yīng)用正相反降壓-升壓變換轉(zhuǎn)化成雙正負極開關(guān)電源。與應(yīng)用降壓變換對比，正相反降壓-升壓變換是將降壓控制器IC配備為正相反降壓-升壓來造成負電壓導(dǎo)出，應(yīng)用藕合繞阻來造成正電壓導(dǎo)出。與應(yīng)用降壓變換的雙正負極開關(guān)電源不一樣，當(dāng)鍵入電壓小于導(dǎo)出時，正相反降壓-升壓變換可以調(diào)整導(dǎo)出（升壓變換）。殊不知，在正相反降壓 - 升壓變換中FET電壓內(nèi)應(yīng)力要高過降壓變換。表2比照了這二種變換，并為特殊運用挑選較好解決方法帶來了設(shè)計方案實施意見。

報表2. 比照降壓變換與正相反降壓-升壓變換的雙正負極開關(guān)電源

選用降壓穩(wěn)壓器IC的隔離電源

通常必須防護型電壓導(dǎo)出來給予電流量防護，并提高安全系數(shù)和抗噪性。普遍運用包含可編程邏輯控制板（PLC）、智能化輸出功率計量檢定和IGBT驅(qū)動電源。反激和推挽電路轉(zhuǎn)換器是二種普遍而經(jīng)濟發(fā)展的解決方法。殊不知，反激式轉(zhuǎn)換器通常必須光耦合器或協(xié)助繞阻來調(diào)整導(dǎo)出電壓。除此之外，反激式電源開關(guān)會遭受高電壓**峰的危害，因而通常必須RCD油壓緩沖器。推挽電路式直流變壓器以固定不動50％pwm占空比運作，很有可能會直接影響到導(dǎo)出電壓調(diào)整，有時候必須另外的LDO才可以完成精準的導(dǎo)出調(diào)整。

在以上雙正負極開關(guān)電源（圖4）中，根據(jù)在降壓或正相反降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用電感加上磁藕合繞阻來完成更多的導(dǎo)出電壓輸出。根據(jù)簡易地防護這兩個導(dǎo)出控制回路，可以完成防護型電壓導(dǎo)出（參照圖7），這類方 ** 越來越愈來愈常見。

單獨一個防護電壓軌的隔離電源

圖7. 應(yīng)用降壓法（a）或正相反降壓-升壓方式（b）的簡單化單防護電壓軌

應(yīng)用降壓穩(wěn)壓器造成防護電壓導(dǎo)出的這兩種方式如下圖7所顯示。這種配備類似圖4一樣的雙正負極開關(guān)電源，只不過是2個導(dǎo)出控制回路（參照）是單獨的。與變電器線圈匝數(shù)之比1:1的雙正負極開關(guān)電源不一樣，這類方式根據(jù)提升隔離電源的線圈匝數(shù)比，可以在次級線圈側(cè)設(shè)定其所需的導(dǎo)出電壓。除此之外，還能夠根據(jù)調(diào)節(jié)使控制板以較好pwm占空比運作。

帶降壓穩(wěn)壓器的隔離電源具備多種多樣優(yōu)點。如下圖7（a）所顯示，為此降壓方式為例子介紹它的優(yōu)點。較先，它去除了反激式轉(zhuǎn)換器中常需的光耦合器和協(xié)助續(xù)流電源電路。次之，相對性于反激式轉(zhuǎn)換器，降壓配備在初中級側(cè)FET給予低電壓內(nèi)應(yīng)力，低電壓FET代表著較低的關(guān)斷電阻器和較好的高效率。*三，初中級側(cè)導(dǎo)出（VOUT1）調(diào)整優(yōu)良，防護導(dǎo)出（VOUT2）相匹配VOUT1，在寬鍵入電壓范疇內(nèi)可在次級線圈側(cè)給予優(yōu)良的導(dǎo)出電壓調(diào)整。與沒有附加LDO的推挽電路式直流變壓器對比，可以完成較快的電壓調(diào)整。相對高度集成化的降壓穩(wěn)壓器IC，例如帶內(nèi)部賠償?shù)腎SL85410，可以輕輕松松完成以上方式在電源電路中的運用。

表2中，降壓變換和正相反降壓-升壓變換設(shè)計方案雙正負極開關(guān)電源的優(yōu)勢與劣勢一樣適用應(yīng)用降壓穩(wěn)壓器IC的隔離電源，電源電路工作人員應(yīng)對于其特殊運用挑選較好的方式。

好幾個防護電壓導(dǎo)出的隔離電源

如下圖22個實例所顯示，根據(jù)加上大量藕合繞阻可以完成兩個防護電壓導(dǎo)出，其原理類似單獨一個防護電壓導(dǎo)出。

圖8. 應(yīng)用降壓方式（a）或正相反降壓-升壓方式（b）的好幾個防護電壓導(dǎo)出

結(jié)果

高集成化的降壓穩(wěn)壓器IC可以較非常容易地完成不一樣輸出功率變換并達到不一樣的運用規(guī)定。文中簡述了這種降壓穩(wěn)壓器IC怎樣用以轉(zhuǎn)化成正相反開關(guān)電源、雙正負極開關(guān)電源和單獨一個或好幾個隔離電源。相對高度集成化的ISL8541x系列降壓穩(wěn)壓器IC具備廣泛的鍵入電壓范疇、集成化運行二極管和內(nèi)部賠償。選用這種降壓穩(wěn)壓器IC設(shè)計方案的正相反、雙正負極和隔離電源解決方法具備外界元器件總數(shù)少、整體解決方法規(guī)格小及安裝應(yīng)用等多種多樣關(guān)鍵優(yōu)點。


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