| 目前最常見的開關穩(wěn)壓器拓撲之一是降壓型開關穩(wěn)壓器。降壓穩(wěn)壓器IC通常采用內置控制器和集成FET進行降壓轉換。不僅如此，降壓穩(wěn)壓器IC還可應用到各類設計中，如反相電源、雙極性電源以及單個或多個獨立電壓輸出的隔離電源。本文介紹了各種降壓穩(wěn)壓器的設計，闡釋它們的工作原理，并討論實現(xiàn)這些設計需要考慮的實際因素。
采用降壓穩(wěn)壓器IC的降壓轉換器
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、內部啟動二極管和內部補償，可最大限度地減少外部元件數(shù)量，實現(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為例詳細解釋各種應用設計。
電源設計中，當所需電壓低于系統(tǒng)中的可用電壓時，則需要使用降壓轉換器。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、存儲器和FPGA供電。通過有效地將高電壓轉換為低電壓，降壓轉換器可延長系統(tǒng)內的電池壽命、減少散熱并提高可靠性。圖1為使用ISL85410降壓穩(wěn)壓器IC的降壓轉換器的簡化原理圖。
圖1. 降壓轉換器的簡化原理圖
輸出電壓與輸入電壓具有相同的極性，連續(xù)導通模式（CCM）中的電壓轉換率可表示為：
（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，但有時也需要使用負電壓。在這種情況下，需要反相電源用正輸入生成負電壓。為滿足這些應用需求，比較常見的解決方案之一是使用反相降壓-升壓轉換器。
圖2比較了降壓轉換器與反相降壓-升壓轉換器的功率級，表明可以通過切換FET Q2和電感L1來獲得反相降壓-升壓轉換器。這種拓撲變化會產生不同的電壓轉換比和輸出電壓的反相極性：
（2）在反相降壓-升壓轉換器中，輸出電壓幅度可以高于或低于輸入電壓，并且輸出電壓相對于輸入電壓源的接地是負的。
圖2. 降壓轉換器和反相降壓-升壓轉換器的功率級
反相降壓-升壓轉換器可采用高度集成的降壓穩(wěn)壓器IC實現(xiàn)。如圖3所示，使用ISL85410降壓穩(wěn)壓器的簡化電路。將降壓穩(wěn)壓器配置為反相降壓-升壓轉換器時，需要注意兩個重要區(qū)別。第一，輸入電壓的（VIN）返回（RTN）連接。圖1所示的降壓轉換器，輸入電壓的RTN同時也是接地端（即降壓調節(jié)器的AGND/PGND引腳），而在反相降壓-升壓轉換器中輸入電壓的RTN和接地端不再相同。因此，在實現(xiàn)反相降壓-升壓轉換器時，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引腳上的電壓應力需參考AGND引腳。無論輸出電壓如何，降壓轉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轉換為-5V的設計中，VIN引腳上的電壓應力為29V而不是24V。必須謹記VIN引腳上的電壓應力不應超過IC數(shù)據(jù)表中規(guī)定的絕對最大額定電壓。
圖3. 簡化的反相降壓-升壓轉換器
采用降壓穩(wěn)壓器IC的雙極性電源
許多應用，如運算放大器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，都需要雙極性±5V或±12V電源。一種常見的方法是使用單個開關調節(jié)器以及耦合電感器（通常也稱為變壓器）來產生負電壓和正電壓輸出。圖4展示了如何使用降壓轉換器和反相降壓-升壓轉換器來生成雙極性電源。
如圖4（a）所示，首先將ISL85410降壓穩(wěn)壓器配置為調節(jié)正輸出VOUT+的降壓穩(wěn)壓器，然后通過增加額外的耦合繞組產生負輸出VOUT-。若對正輸出VOUT+就像在降壓轉換器中那樣進行調節(jié)，則負輸出VOUT-與VOUT+數(shù)值一樣（簡單起見，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）的雙極電源簡化原理圖
圖5表示在DT和（1-D）T的時間間隔期間使用降壓方法的雙極電源的等效電路。在DT期間，上管FET Q1開啟，導致整流二極管D1反向電壓偏置，因此在次級繞組中沒有電流流動。在（1-D）T期間，Q1斷開，電流Ip通過下管FET Q2續(xù)流，次級繞組兩端的電壓（Vs）對應VOUT+，因此D1導通，為輸出電容COUT2充電，并為負載供電。建議以強制CCM配置轉換器，從而實現(xiàn)負輸出電壓（VOUT-）的良好電壓調節(jié)。
圖5. 使用降壓方法的雙極電源等效電路
下文詳細說明使用ISL85410建立并模擬雙極性電源的SIMPLIS模型的工作原理，關鍵參數(shù)見表1。
表格1. 雙極性電源關鍵參數(shù)
仿真波形如圖6所示。在Q2開啟的（1-D）T期間，次級繞組電流（Is）的耦合電流使總的原邊電流（Ip）變?yōu)樨撝怠Ｍㄟ^合適的設計，確保該負電流足夠低，避免在正常工作條件下觸發(fā)降壓穩(wěn)壓器的負電流限制。
圖6. 采用降壓法的雙極性電源仿真波形
圖4（b）展示另一種方法，使用反相降壓-升壓轉換生成雙極性電源。與使用降壓轉換相比，反相降壓-升壓轉換是將降壓調節(jié)器IC配置為反相降壓-升壓來產生負電壓輸出，使用耦合繞組來產生正電壓輸出。與使用降壓轉換的雙極性電源不同，當輸入電壓低于輸出時，反相降壓-升壓轉換可以調節(jié)輸出（升壓轉換）。然而，在反相降壓 - 升壓轉換中FET電壓應力要高于降壓轉換。表2對比了這兩種轉換，并為特定應用選擇最佳解決方案提供了設計指導意見。
表格2. 對比降壓轉換與反相降壓-升壓轉換的雙極性電源
采用降壓穩(wěn)壓器IC的隔離電源
通常需要隔離型電壓輸出來提供電流隔離，并增強安全性和抗噪性。常見應用包括可編程邏輯控制器（PLC）、智能功率計量和IGBT驅動電源。反激和推挽轉換器是兩種常見而經濟的解決方案。然而，反激式轉換器通常需要光耦合器或輔助繞組來調節(jié)輸出電壓。此外，反激式開關會受到高電壓尖峰的影響，因此通常需要RCD緩沖器。推挽式直流變壓器以固定50％占空比運行，可能會影響到輸出電壓調節(jié)，有時需要額外的LDO才能實現(xiàn)精確的輸出調節(jié)。
在上述雙極性電源（圖4）中，通過在降壓或反相降壓 - 升壓轉換器中使用電感器添加磁耦合繞組來實現(xiàn)額外的輸出電壓輸出。通過簡單地隔離這兩個輸出回路，可以實現(xiàn)隔離型電壓輸出（參見圖7），這種方法正變得越來越常用。
單個隔離電壓軌的隔離電源
圖7. 使用降壓法（a）或反相降壓-升壓方法（b）的簡化單隔離電壓軌
使用降壓穩(wěn)壓器產生隔離電壓輸出的兩種方法如圖7所示。這些配置類似于圖4所示的雙極性電源，只不過兩個輸出回路（參考）是分開的。與變壓器匝數(shù)比為1:1的雙極性電源不同，這種方法通過優(yōu)化隔離電源的匝數(shù)比，能夠在次級側設置其所需的輸出電壓。此外，還可以通過調整使控制器以最佳占空比運行。
帶降壓穩(wěn)壓器的隔離電源具有多種優(yōu)勢。如圖7（a）所示，以此降壓方法為例說明它的優(yōu)勢。首先，它去掉了反激式轉換器中所需的光耦合器和輔助續(xù)流電路。其次，相對于反激式轉換器，降壓配置在初級側FET提供低電壓應力，低壓FET意味著更低的導通電阻和更高的效率。第三，初級側輸出（VOUT1）調節(jié)良好，隔離輸出（VOUT2）對應VOUT1，在寬輸入電壓范圍內可在次級側提供良好的輸出電壓調節(jié)。與沒有額外LDO的推挽式直流變壓器相比，可以實現(xiàn)更好的電壓調節(jié)。高度集成的降壓穩(wěn)壓器IC，例如帶內部補償?shù)腎SL85410，可以輕松實現(xiàn)上述方法在電源設計中的應用。
表2中，降壓轉換和反相降壓-升壓轉換設計雙極性電源的優(yōu)點和缺點同樣適用于使用降壓穩(wěn)壓器IC的隔離電源，電源設計人員應針對其特定應用選擇最合適的方法。
多個隔離電壓輸出的隔離電源
如圖2兩個案例所示，通過添加更多耦合繞組可以實現(xiàn)多個隔離電壓輸出，其工作原理類似于單個隔離電壓輸出。
圖8. 使用降壓方法（a）或反相降壓-升壓方法（b）的多個隔離電壓輸出
結論
高集成的降壓穩(wěn)壓器IC可以更容易地實現(xiàn)不同功率轉換并滿足不同的應用要求。本文闡述了這些降壓穩(wěn)壓器IC如何用于生成反相電源、雙極性電源和單個或多個隔離電源。高度集成的ISL8541x系列降壓穩(wěn)壓器IC具有寬泛的輸入電壓范圍、集成啟動二極管和內部補償。采用這些降壓穩(wěn)壓器IC設計的反相、雙極性和隔離電源解決方案具有外部元件數(shù)量少、總體解決方案尺寸小及易于使用等多種重要優(yōu)勢。 |
