DC/DC

开关稳压器连载(5):改善同步整流式的轻负载时效率的功能

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)。

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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。

开关稳压器连载(4):同步整流型和异步整流型的区别

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。

开关稳压器连载(3):降压型开关稳压器的工作原理

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。

开关稳压器连载(2):优点和缺点、与线性稳压器的比较

开始电源设计时,如果大概的规格已定,其次便是进入选择开关稳压器或线性稳压器的作业。为满足要求规格虽然有的情况必须选择其一,不过两者皆可的例子也不少。此时,须以各自的特征和优缺点为主进行探讨。图29为开关稳压器的优点和缺点,而图30则试着与线性稳压器做总比较。

最大的优点,是可以自由转换。虽然降压最常被利用,不过也可从电池等低电压升压、使其从正电压反转来制作负电压、或3.3V般输入跨越输出电压时也可从锂离子二次电池(例:4.2V~2.8V)升压。

其次,是效率高。虽然也视种类而定,不过最大效率可达95%左右。但是,开关稳压器的效率因负载电流的大小而变。基本上,负载电流变小时效率会大幅度下滑。对此,近年待机功耗降低要求日趋严格,成了开关稳压器的课题。

开关稳压器连载(1):种类有哪些?

开关稳压器

近年来,开关稳压器由于其功率转换效率高或转换可调性而被许多设备所利用,成为电源的主流。过去,一说到开关电源便想到购买模块或单元等成品,近年来,则可提供多种多样的开关电源用IC,使设计者得以致力于电路基板上编入开关电源的on-board设计。但同时,与线性稳压器不同的开关电源电路所拥有的各种探讨事项将成为设计者的一大课题也是不争的事实。

本项将以降压型开关稳压器为题材来说明其工作或功能等基础。

开关稳压器的种类

开关稳压器有许多种类,分类方法也视其观点而各有不同。在这里,姑且从输入电源的种类开始,以电路方式进行主要分类。首先,输入电源可以利用DC(直流)或AC(交流)分成DC/DC转换器和AC/DC转换器(参考图27)。这里记载的“DC/DC转换器”表示以输入电源身分将DC电压转换成DC电压后输出,而“AC/DC转换器”则表示以AC输入转换成DC电压。

线性稳压器连载(4):优缺点是什么?效率和热计算?

线性稳压器的最大优点在于使用简单。由于输入和输出各只附1个电容器工作,实质上或许可以说不需要设计。换句话说,散热设计或许比电路设计麻烦(参考热计算1-6)项)。此外,因为没有开关电源般的开关噪声,纹波抑制特性或电压噪声本身也小,所以在例如AV、通讯、医疗、测量等必须排除噪声的应用上较受欢迎。

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图 7:应用例

缺点在于输出输入的电压差大则损耗就大,损耗几乎完全变为热能,某些条件下发热会非常大。如果使用功率达几瓦以上等级,就必须常常面对发热的问题。此外,线性稳压器只能降压。负电压用的情况虽也相同,不过负电压经常被混淆,在此加以说明。负电压用线性稳压器,例如输入功率为-5V时,无法输出更低的-12V。由于电位从-5V降至-12V,电压从-5V朝-12V的负方向増加,故会朝负方向升压。因此,可以做到的是以输入-12V达到输出-5V。

线性稳压器连载(3):重要规格

这里所提的线性稳压器是IC(Integrated Circuit/集成电路),与其他的IC,例如运算放大器等,同样有表示特性或性能的规格。规格的英语为Specification,有方法、标准、基准等含义。线性稳压器的技术规格即规格表,其中有表示输出电压值及其精度等。这些称为参数。技术规格除了参数之外,还记载了最大额定值、工作保证条件、特性图表等非常重要的信息。图-9为基本技术规格、规格确认点及规格表例。

绝对最大额定值定义为连一瞬间都不可超过的值。其中虽然然有时会包含短路时间等时间概念的项目,不过基本上任何时间都不可超过,当然更没有±5%的公差值。有时会出现:“超过的话会如何?”或“有多少余量?”等提问。或许大家有兴趣知道,不过考虑绝对最大额定值的定义后就了解这问题并没有讨论的空间,应该探讨的是如何让使用上的最大值不超过最大额定值,或是使用较充裕的最大额定值。

保证规格值的条件非常重要,例如确认施加电压或温度等。实际使用条件和规格要求条件未必一致。例如,如果条件为Ta=25℃,其保证值则终究为Ta=25℃下的值。然而,实际使用上并非Ta=25℃这样的恒温条件中。因此,查看规格值时务必确认是否为某一点值、某范围,例如工作保证温度的值,然后再确认实际使用条件及接近设计设备工作条件的值。附带的特性图表可有助于判断。

线性稳压器连载(2):可以分为几类呢?电路构成和特征?

系列稳压器、三引脚稳压器、降压器、LDO。这些想必有听过的名称全都是指线性稳压器。除了这些名称,根据其功能或方式可以分成几类。

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图 3:线性稳压器的体系

首先,大致分类的话可以分为正电压用和负电压用。另外,负电压用种类并不多。其下可分为固定输出型和可变输出型。固定型有输入、输出、GND等3引脚,以标准型号78xx(正)、79xx(负)型为代表。IC内置设定用的电阻,反馈引脚无须外露。可变型如图1例所示,如果为GND基准型,反馈引脚会露出变成4引脚。可变型还有无GND引脚的浮动工作317(正)、337(负)等类型,这些为3引脚。

固定和可变的又分为标准型和LDO型。LDO是Low Dropout的简称,相对于标准型3V左右的压差电压(可进行稳定工作的最低输出输入电压差),改良的1V以下的LDO,在3.3V电源IC问世时开始普及。在12V转换至5V规格全盛时期,即使压差电压为标准型3V左右也没有什么问题,但如果需3.3V电源时就无法从5V产生3.3V,于是就诞生了LDO。

线性稳压器连载(1):工作原理是什么?

线性稳压器又称为三引脚稳压器或降压器等,由于电路简单而容易使用,是许多设计者以前早就耳熟能详的电源。过去由分立器件所构成,IC化普及后变得既简便又小型,被使用在各种不同电源的应用中。近年电子设备要求必须具有高效率,需要大输出功率的设备逐渐以开关电源为主流,不过简单又省空间且低噪声的线性稳压器则是哪里都用得到的电源。

本项从线性稳压器的工作原理开始,说明其主要规格与热计算。

线性稳压器的工作原理

线性稳压器基本上由输入、输出、GND引脚所构成,可变输出则在此增加反馈输出电压的反馈(feed back)引脚(参考图1)。

线性稳压器内部电路概述如图2所示。基本上由误差放大器(误差检测用运算放大器)、基准电压源、输出晶体管所构成。输出晶体管虽用Pch MOSFET,但也可使用Nch的MOSFET、双极的PNP、NPN晶体管。

在DAQ应用中使用非隔离DC/DC电源降压模块的优势

作者:德州仪器 Akshay Mehta, Sreenivasa Kallikuppa

本文将介绍与分立电源解决方案相比,电源模块帮助提高DAQ性能的一些方法。

DAQ的电源架构

在DAQ中,跨多个子系统看到并联电源轨和不同的负载电流(和纹波)要求并不罕见。图1展示了DAQ系统的电源架构以及电源模块如何为各种子系统生成所需的电源轨。

“图1:使用电源模块的DAQ电源架构”
图1:使用电源模块的DAQ电源架构

使用电源模块有助于提高整体性能、效率和可靠性。电源模块还具有以下优势: