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细说DC-DC转换器的抗干扰性(2)

作者:时间:2013-05-16来源:网络

第三讲--开关

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/175207.htm

开关是所有中最高效的一种。开关稳压器能效显著高于线性稳压器,当然,其不利的一面是开关过程中会产生很高的输出噪声。不过,开关稳压器拓扑结构广泛适用于各种应用场合,包括步升 (升压)、步降 (降压)和转换电压调节(升压/降压)。

开关稳压器中内置功率开关管 (通常为垂直金属氧化物半导体,简称VMOS,但也可采用双极器件)。功率开关管开/关工作周期确定储存多少能量,然后为负载供电。与线性稳压器采用电阻间能效低下的压降方式调节电压不同,相对来说,开关稳压器几乎无功耗! 其秘密就在于其中的功率开关管。开关管打开时,其两端为高电压,而电流为零。开关管闭合时,开关管输出高电流,而两端电压为零! 由于从电感器过来的电压和电流存在90度相位差 (也没有DC压降),因此开关稳压器可以达到极高的能效水平。

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图1 步升开关稳压器 (升压)

下面,以升压为例,简要介绍步升开关稳压器的功能 (参见图1)。图1所示是一种简单的升压,由电感、功率开关管、整流二极管和电容组成。电感的主要功能是储能并限制进入开关管的电流变化率 (否则只能单独由开关电阻限制高峰值电流)。在稳定状态条件下,开关管打开,电感为电容充电,直到+Vout与+Vin相等 (二极管电流为零)。开关管闭合时,由于二极管防止电容+Vout (仍然等于+Vin)对地放电,输入电压+Vin作用于电感。通过电感的电流以+Vin/L比率线性增长,di/dt (随开关管闭合时间) 。而当开关管再次打开时,电感电流经整流二极管为电容充电,电压以I/C比率按dv/dt比值增长 (随开关管打开时间)。如果功率开关管工作周期 (D=tclosed/(tclosed+topen)) 等于50%,理想条件下+Vout可以达到Vin+Vin,即两倍于施加的输入电压 (因为稳定状态下,平均电感电压肯定等于零) ! 当然,工作周期DV会相应改变,而调整输出电压可以得到Vout=Vin/(1-D)的结果。这为用户采用升压拓扑结构,在DC输入电压(+Vin) 限定的条件下,以加倍DC输出电压,在给定的整体能效范围内驱动电路负载提供了极大的灵活性。

当然,虽然理想的升压在功效方面具有显著优点,但也需要考虑电路的实际限制性。升压最大的功耗因素是整流二极管。简单的功耗计算方法为(热状态下),正向压降乘以穿过整流二极管的电流。为最大限度提高效率,可用另一支功率开关管取代二极管。这支整流开关管可在主开关和闭合时,以先断后通的模式打开,从而防止两支开关管同时导通。采用这种配置,功效可以达到90%以上。

以National Semiconductor公司的LM2578A/LM3578A开关稳压器为例,这种开关稳压器采用双极型晶体管作为功率开关器件。它含有一个板载振荡器,可利用一支1Hz至100 kHz以下 (典型值) 外接电容设置开关频率。输出电流最高可达750 mA,带有限流和热关断功能。当LM2578A/LM3578A按升压配置时 (例如,Iout=150 mA时,Vin=+5V,Vout=+15V),器件的负载调节为14 mV (30 mA Vin 8.5V)。同样,线性调节是在给定输入电压范围内 (Vin),改变输出电压 (Vout)。在DC电源控制的系统中,可以相当轻松地控制线性调节。但在使用开关稳压器时,设计人员需要当心,因为器件Iout电流中固有的常量变化,会造成负载调节输出电压不稳。14 mV 负载调节会使15V系统产生约.1%的波动,而且在没有正确去耦的情况下,开关噪声 (来自电路负载) 会向后感应到升压的Vout (我们将在后面详细说明),这样,会使电路负载性能下降变得非常难以管理。

总之,当能效成为首要因素 (如电池供电的便携式设备),以及+Vin电源一般为DC电压,而需要较高+Vout输出电压时,开关稳压器是最理想的选择。同时,在大功率情况下 (高于几瓦),开关稳压器更加经济,因为它们产生的热量小,从而消除了复杂的散热设计的成本并节省了空间。注意开关稳压器输出电压纹波,及对其所驱动的电路产生的影响,可以显著提高设计水平。



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