开关稳压器

作者：颜荣宏

汽车应用中，随着电子系统逐渐增大的情况下，电源的需求也逐渐的增加（如图1）。例如，以往一般芯片的电流需求大多在100mA以下，但依目前的需求而言，500mA已成为主流，也因此在稳压器的输出电流及整体系统功耗的考虑下，开关式稳压器无疑是最佳的选择。在这次的介绍中，将从最简单的方式开始来介绍一下开关式稳压器的控制原理。

何谓PWM (Pulse width modulation) 脉波宽度调变？

开关式稳压器是借由调整能量的导通时间(duty cycle)来提供输出能量的需求。简单来说就是当要输出功率较大时，则开关导通的时间也会跟着增加，反之则会减少导通时间来降低功率的输出。

本文作者：颜荣宏

DCDC直流电源转换器从字面上来看便可大致得知其主要作用是要作为不同电压源需求转换的, 从某一主要输入电压转换到另一个所需求的电压来提供给不同芯片所使用。

举例来说, 一般汽车上所提供的电压为12V, 但在不同的应用及不同的IC芯片则会有不同的工作电压需求, DCDC转换器是指将直流输入电源转换成另一直流输出的装置名称。在应用上，通常有线性稳压器 (Linear Regulator)，如图1，或开关式稳压器

(Switching Regulator)，如图2。

开关稳压器IC使用的开关频率从数十kHz到数百万Hz，最近有些甚至似乎以高频率工作。设计时须以几项条件为基本来选择频率。

第一点是重视效率或重视尺寸的问题。如果将开关频率调高，则外置的电感和电容器将使用较小的，尺寸必然会变小。因此，包含安装面积和高度在内的外形尺寸也会变小，有助于节省空间。不过，开关损耗会通过高速开关増加，故效率会降低几个百分比。尤其对小型便携设备，2个项目就算不想权衡也必须取得平衡使其优化。

图63表格一般探讨事项和开关频率的关系。从部件尺寸和效率以外的项目来看，可以知道高开关频率较为有利。话虽如此，在应用上或许对某些事物而言是“讨厌的频率”。最常见的例子是AM收音机的的频带，约400kHz～1.8MHz左右。单纯来说，如果使用此范围的开关频率电源，感度和S/N会劣化。有效的回避方法是选择此频带以外的开关频率。

DC/DC转换器除了理所当然向电路供给电源外，确保电路安全也很重要。近年，DC/DC转换器用的IC几乎都搭载了被认为必备的保护功能。有些保护功能可以由用户调整阈值等支持各种条件。此外，电源电路要支持使用CPU或FPGA等的复合电源的装置对电源接入的顺序和时序需求。为此，具备可编程功能的电源IC。虽然外置电路也可以实现IC所搭载的保护功能或可编程功能，但其设计比电源IC要复杂得多，且需要增加许多零件，并不可行。在这里，介绍代表性保护功能和可编程功能的概述。

保护功能：热关断

热关断是IC的结温达最大额定，就是Tj max的前后时关断电路工作的构造。工作的结温因IC而异，大多被设定在Tj max的前后。关断后的工作模式有自动恢复型和闭锁型2种。

自动恢复型当温度上升至所设定的阈值时关断，温度开始下降至设定值时则IC的工作将自动恢复。闭锁型即使温度下降IC的工作也会处于关断。要使IC再次工作必须重新输入IC的电源。

最初已经说明开关稳压器的反馈（feedback）控制方式有电压模式、电流模式、迟滞控制等3种。开关稳压器也与线性稳压器同样通过反馈电路进行稳定化。在这里，加以详细说明。由于各有优点和缺点，因此该选择何种方式必须考虑平衡点。

电压模式

电压模式控制是最基本的方式。透过反馈环路只反馈输出电压。通过以误差放大器和基准电压做比较后所差距的电压再进一步与三角波做比较，决定PWM讯号的脉冲宽度来控制输出电压。此方式的优点在于纯电压的反馈环路可进行较简单的控制、可缩短ON时间、抗噪好。其缺点是，相位补偿电路复杂可能使设计变麻烦。

电流模式

前项已经说明，同步式在轻负载时效率会因反向电流而降低。相信大家都希望难得效率高的同步式在轻负载时也能有高效率。尤其是最近，降低待机功耗已成为一大趋势。最轻负载时也即供电中电路处于关断状态的时。如果电源也能关断的话再好不过，只是必须持续给予微小功率，而此时效率低也是一大问题。

不连续模式的增加

同步整流式轻负载时效率改善的方法之一为轻负载时增加以不连续模式工作的功能。想法非常简单，也就是检测出电感电流下降至零附近后将下侧晶体管设为OFF使其不发生逆流（图43）。

只是，此方法并非完美无缺。此时，电感的晶体管侧的节点由于会呈现与开放相同状态，故输出电容器的放电须依赖负载电流，轻负载时电压下降的时间将变长。其结果，有时将导致开关速度下降，纹波电压増加。

此外，上侧晶体管不会ON到输出电压下降，故开关周期会改变。考虑到噪声的过滤时，噪声频率变动是问题所在，与效率之间也须进行权衡。

DC/DC转换器的非绝缘型降压开关稳压器有前项所说明的异步整流（二极管）式和同步整流式。异步整流式是较早被使用的方式，就开关稳压器而言电路简单但效率却超过80％左右。其后，笔记本电脑等电池驱动且需要较大功率的应用开始要求更高效率，于是可获得高效率的同步整流式开关稳压器用IC被陆续开发，控制或电路极为复杂的同步整流式变得容易设计，逐渐成为主流。同步整流式最大可以获得近95%的效率。

图39和40是两种方式的电路概述和工作。

前项中已经说明开关稳压器可以进行等降压、升堥、升降压、反转等转换，现在接着以最广泛利用的降压型开关稳压器为例说明工作原理。

图31是降压DC/DC转换的概略电路，是借着开关将DC电压VIN做时间分割后以电感和电容器使其平滑化来转换成所希望的DC电压。