各種降壓穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)和工作原理

目前最常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)渲皇墙祲盒烷_(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。降壓穩(wěn)壓器IC通常采用內(nèi)置控制器和集成FET進(jìn)行降壓轉(zhuǎn)換。不僅如此，降壓穩(wěn)壓器IC還可應(yīng)用到各類(lèi)設(shè)計(jì)中，如反相電源、雙極性電源以及單個(gè)或多個(gè)獨(dú)立電壓輸出的隔離電源。本文介紹了各種降壓穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)，闡釋它們的工作原理，并討論實(shí)現(xiàn)這些設(shè)計(jì)需要考慮的實(shí)際因素。

采用降壓穩(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具有集成的上管和下管FET、內(nèi)部啟動(dòng)二極管和內(nèi)部補(bǔ)償，可最大限度地減少外部元件數(shù)量，實(shí)現(xiàn)非常小尺寸的整體解決方案。此外，該系列穩(wěn)壓器IC具有3V~40V的寬輸入電壓范圍，可支持多節(jié)電池和各種穩(wěn)壓電壓輸出。本文將以ISL85410降壓穩(wěn)壓器IC為例詳細(xì)解釋各種應(yīng)用設(shè)計(jì)。

電源設(shè)計(jì)中，當(dāng)所需電壓低于系統(tǒng)中的可用電壓時(shí)，則需要使用降壓轉(zhuǎn)換器。例如，采用12V電池作為輸入電壓的系統(tǒng)，需要輸出5V、3.3V或1.2V電壓，以便為微控制器、I / O、存儲(chǔ)器和FPGA供電。通過(guò)有效地將高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓，降壓轉(zhuǎn)換器可延長(zhǎng)系統(tǒng)內(nèi)的電池壽命、減少散熱并提高可靠性。圖1為使用ISL85410降壓穩(wěn)壓器IC的降壓轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化原理圖。

圖1. 降壓轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化原理圖

輸出電壓與輸入電壓具有相同的極性，連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)中的電壓轉(zhuǎn)換率可表示為：

(1)其中D是占空比，范圍從0到1，表示輸出電壓(VOUT)始終小于或等于輸入電壓(VIN)。

采用降壓穩(wěn)壓器IC的反相電源

雖然電子系統(tǒng)通常使用正電壓，但有時(shí)也需要使用負(fù)電壓。在這種情況下，需要反相電源用正輸入生成負(fù)電壓。為滿足這些應(yīng)用需求，比較常見(jiàn)的解決方案之一是使用反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。

圖2比較了降壓轉(zhuǎn)換器與反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)，表明可以通過(guò)切換FET Q2和電感L1來(lái)獲得反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。這種拓?fù)渥兓瘯?huì)產(chǎn)生不同的電壓轉(zhuǎn)換比和輸出電壓的反相極性：

(2)在反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓幅度可以高于或低于輸入電壓，并且輸出電壓相對(duì)于輸入電壓源的接地是負(fù)的。

圖2. 降壓轉(zhuǎn)換器和反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)

反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可采用高度集成的降壓穩(wěn)壓器IC實(shí)現(xiàn)。如圖3所示，使用ISL85410降壓穩(wěn)壓器的簡(jiǎn)化電路。將降壓穩(wěn)壓器配置為反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，需要注意兩個(gè)重要區(qū)別。第一，輸入電壓的(VIN)返回(RTN)連接。圖1所示的降壓轉(zhuǎn)換器，輸入電壓的RTN同時(shí)也是接地端(即降壓調(diào)節(jié)器的AGND/PGND引腳)，而在反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中輸入電壓的RTN和接地端不再相同。因此，在實(shí)現(xiàn)反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，必須在VIN引腳和RTN(而非AGND/PGND引腳)上施加輸入電壓源。

第二，VIN引腳上的電壓應(yīng)力需參考AGND引腳。無(wú)論輸出電壓如何，降壓轉(zhuǎn)換器中的電壓始終等于輸入電壓(VIN)。相比之下，反相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器中的VIN引腳必須能夠承受輸入電壓和輸出電壓之和(V IN + V OUT)。例如，在將24V轉(zhuǎn)換為-5V的設(shè)計(jì)中，VIN引腳上的電壓應(yīng)力為29V而不是24V。必須謹(jǐn)記VIN引腳上的電壓應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)IC數(shù)據(jù)表中規(guī)定的絕對(duì)最大額定電壓。

圖3. 簡(jiǎn)化的反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

采用降壓穩(wěn)壓器IC的雙極性電源

許多應(yīng)用，如運(yùn)算放大器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，都需要雙極性±5V或±12V電源。一種常見(jiàn)的方法是使用單個(gè)開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器以及耦合電感器(通常也稱(chēng)為變壓器)來(lái)產(chǎn)生負(fù)電壓和正電壓輸出。圖4展示了如何使用降壓轉(zhuǎn)換器和反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器來(lái)生成雙極性電源。

如圖4(a)所示，首先將ISL85410降壓穩(wěn)壓器配置為調(diào)節(jié)正輸出VOUT+的降壓穩(wěn)壓器，然后通過(guò)增加額外的耦合繞組產(chǎn)生負(fù)輸出VOUT-。若對(duì)正輸出VOUT+就像在降壓轉(zhuǎn)換器中那樣進(jìn)行調(diào)節(jié)，則負(fù)輸出VOUT-與VOUT+數(shù)值一樣(簡(jiǎn)單起見(jiàn)，整流二極管D1的正向電壓降被忽略)，但具有相反的極性。

圖4. 使用降壓方法(a)或反相降壓-升壓方法(b)的雙極電源簡(jiǎn)化原理圖