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DC/DC

开关稳压器的基础

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。

图 31

图 31

图 32

图 32

DC/DC转换的工艺简单来说,就是将DC暂时转换成AC使其平滑后再返回DC。举PWM工作的例来说明,以S1=ON/S2=OFF将VIN供电时间设为25%、以S1=OFF/S2=ON将0V(GND)状态设为75%的脉冲周期,当该脉冲平均化时将为25%的DC。如果VIN为10V,则Vo将为25%的2.5V。对此,如果以面积来思考的话,想必就容易想象多了(参考图33)。

图 33

图 33

实际的PWM由于被平均化的输出负载电流会变动,故ON时间会一定程度一直依赖负载电流来上下移动电压。如此一来,稳压器输出下降时会增加ON时间,从输出传送更多的能源而使输出电压上升。输出电压充分恢复的话,接着便会缩短ON时间来停止输出上升。

开关的情况则如所见,可以想成从输入只截取输出所必要的功率。相对的,线性稳压器由于不进行ON/OFF,因此呈现占空比100%,也就是始终保持输入状态。同样的,如果10V变为2.5V时,符合其中间7.5V差数的功率必须被作为热能舍弃。而开关性稳压器效率高的理由就在于此结构的区别。

关键要点:

・了解效率高的原因在于开关(Switching)DC电压并且只将必要的功率传送至输出。

降压型异步(二极管)整流式开关稳压器的电路和工作

图34比图31更加具体。该电路也称为异步整流式或二极管整流式。S1为开关(通常为晶体管),S2虽然被置换成二极管但工作相同。红色为S1于ON时的电流路径,绿色为OFF时的路径。

图 34

图 34

图35是各零件的电压及电流波形。之前曾说明:“DC/DC转换的行程,将DC先转换成AC来平滑波形。”这里要说明“AC(交流:周期的振幅与正负变化)是怎么转换的?”用电感的波形来看就知道AC电怎么产生。

图 35

图 35

这是题外话,电感的电流波形斜率是因为电感电流的变化率与电压成比例,故施加电压时电流会以恒定斜率増加的缘故。可以用V=L×(dI/dt)来表示。

图36:异步整流降压电路和开关ON时的具体电流路径

图36:异步整流降压电路和开关ON时的具体电流路径

图37:开关OFF时的电流路径

图37:开关OFF时的电流路径

图38

图38

图35电路置换成实际电路后为图36和37。开关S1以MOSFET置换,S2则被置换成肖特基二极管。图35也显示被省略的比较电路和控制电路。想必有人早已察觉,该电路是在线性稳压器工作原理中已说明的反馈控制电路输出电压被引入内部的比较电路,与基准电压做比较。在这里虽然以比较电路来表现,不过与线性稳压器的误差放大器相同。线性稳压器中误差放大器的输出会直接控制输出晶体管后连续进行电路控制,而开关稳压器中误差放大器的输出则会被置换成开关(晶体管)ON/OFF时间(占空比)的控制。

关键要点:

・须了解DC/DC转换是借着将DC开关(以时间切分输出所需能源)变成AC(电感电压正负振幅)后整流-平滑,再转换成DC。

・从电流的流动来理解开关和电感的任务。必须了解各节点的波形才能调试。