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探索降壓穩(wěn)壓器IC

發(fā)布時(shí)間:2018-10-19 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】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。
 
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。
 
 探索降壓穩(wěn)壓器IC
 
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)                                                      探索降壓穩(wěn)壓器IC
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(mǎn)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)                                                   探索降壓穩(wěn)壓器IC
 
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。
 
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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。
 
探索降壓穩(wěn)壓器IC
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。
 
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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
 
圖5表示在DT和(1-D)T的時(shí)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(kāi)啟,導(dǎo)致整流二極管D1反向電壓偏置,因此在次級(jí)繞組中沒(méi)有電流流動(dòng)。在(1-D)T期間,Q1斷開(kāi),電流Ip通過(guò)下管FET Q2續(xù)流,次級(jí)繞組兩端的電壓(Vs)對(duì)應(yīng)VOUT+,因此D1導(dǎo)通,為輸出電容COUT2充電,并為負(fù)載供電。建議以強(qiáng)制CCM配置轉(zhuǎn)換器,從而實(shí)現(xiàn)負(fù)輸出電壓(VOUT-)的良好電壓調(diào)節(jié)。
 
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圖5. 使用降壓方法的雙極電源等效電路
 
下文詳細(xì)說(shuō)明使用ISL85410建立并模擬雙極性電源的SIMPLIS模型的工作原理,關(guān)鍵參數(shù)見(jiàn)表1。
 
表格1. 雙極性電源關(guān)鍵參數(shù)
 
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仿真波形如圖6所示。在Q2開(kāi)啟的(1-D)T期間,次級(jí)繞組電流(Is)的耦合電流使總的原邊電流(Ip)變?yōu)樨?fù)值。通過(guò)合適的設(shè)計(jì),確保該負(fù)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(fù)電流限制。
 
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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(zhuǎn)換生成雙極性電源。與使用降壓轉(zhuǎn)換相比,反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換是將降壓調(diào)節(jié)器IC配置為反相降壓-升壓來(lái)產(chǎn)生負(fù)電壓輸出,使用耦合繞組來(lái)產(chǎn)生正電壓輸出。與使用降壓轉(zhuǎn)換的雙極性電源不同,當(dāng)輸入電壓低于輸出時(shí),反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換可以調(diào)節(jié)輸出(升壓轉(zhuǎn)換)。然而,在反相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換中FET電壓應(yīng)力要高于降壓轉(zhuǎn)換。表2對(duì)比了這兩種轉(zhuǎn)換,并為特定應(yīng)用選擇最佳解決方案提供了設(shè)計(jì)指導(dǎo)意見(jiàn)。
 
表格2. 對(duì)比降壓轉(zhuǎn)換與反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換的雙極性電源
 
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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(lái)提供電流隔離,并增強(qiáng)安全性和抗噪性。常見(jiàn)應(yīng)用包括可編程邏輯控制器(PLC)、智能功率計(jì)量和IGBT驅(qū)動(dòng)電源。反激和推挽轉(zhuǎn)換器是兩種常見(jiàn)而經(jīng)濟(jì)的解決方案。然而,反激式轉(zhuǎn)換器通常需要光耦合器或輔助繞組來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。此外,反激式開(kāi)關(guān)會(huì)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(yùn)行,可能會(huì)影響到輸出電壓調(diào)節(jié),有時(shí)需要額外的LDO才能實(shí)現(xiàn)精確的輸出調(diào)節(jié)。
 
在上述雙極性電源(圖4)中,通過(guò)在降壓或反相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器中使用電感器添加磁耦合繞組來(lái)實(shí)現(xiàn)額外的輸出電壓輸出。通過(guò)簡(jiǎn)單地隔離這兩個(gè)輸出回路,可以實(shí)現(xiàn)隔離型電壓輸出(參見(jiàn)圖7),這種方法正變得越來(lái)越常用。
 
單個(gè)隔離電壓軌的隔離電源
 
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圖7. 使用降壓法(a)或反相降壓-升壓方法(b)的簡(jiǎn)化單隔離電壓軌
 
使用降壓穩(wěn)壓器產(chǎn)生隔離電壓輸出的兩種方法如圖7所示。這些配置類(lèi)似于圖4所示的雙極性電源,只不過(guò)兩個(gè)輸出回路(參考)是分開(kāi)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(guò)優(yōu)化隔離電源的匝數(shù)比,能夠在次級(jí)側(cè)設(shè)置其所需的輸出電壓。此外,還可以通過(guò)調(diào)整使控制器以最佳占空比運(yùn)行。
 
帶降壓穩(wěn)壓器的隔離電源具有多種優(yōu)勢(shì)。如圖7(a)所示,以此降壓方法為例說(shuō)明它的優(yōu)勢(shì)。首先,它去掉了反激式轉(zhuǎn)換器中所需的光耦合器和輔助續(xù)流電路。其次,相對(duì)于反激式轉(zhuǎn)換器,降壓配置在初級(jí)側(cè)FET提供低電壓應(yīng)力,低壓FET意味著更低的導(dǎo)通電阻和更高的效率。第三,初級(jí)側(cè)輸出(VOUT1)調(diào)節(jié)良好,隔離輸出(VOUT2)對(duì)應(yīng)VOUT1,在寬輸入電壓范圍內(nèi)可在次級(jí)側(cè)提供良好的輸出電壓調(diào)節(jié)。與沒(méi)有額外LDO的推挽式直流變壓器相比,可以實(shí)現(xiàn)更好的電壓調(diào)節(jié)。高度集成的降壓穩(wěn)壓器IC,例如帶內(nèi)部補(bǔ)償?shù)腎SL85410,可以輕松實(shí)現(xiàn)上述方法在電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。
 
表2中,降壓轉(zhuǎn)換和反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)雙極性電源的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)同樣適用于使用降壓穩(wěn)壓器IC的隔離電源,電源設(shè)計(jì)人員應(yīng)針對(duì)其特定應(yīng)用選擇最合適的方法。
 
多個(gè)隔離電壓輸出的隔離電源
 
如圖2兩個(gè)案例所示,通過(guò)添加更多耦合繞組可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)隔離電壓輸出,其工作原理類(lèi)似于單個(gè)隔離電壓輸出。
 
 
探索降壓穩(wěn)壓器IC
 
 
圖8. 使用降壓方法(a)或反相降壓-升壓方法(b)的多個(gè)隔離電壓輸出
 
結(jié)論
高集成的降壓穩(wěn)壓器IC可以更容易地實(shí)現(xiàn)不同功率轉(zhuǎn)換并滿(mǎn)足不同的應(yīng)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(gè)或多個(gè)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(dòng)二極管和內(nèi)部補(bǔ)償。采用這些降壓穩(wěn)壓器IC設(shè)計(jì)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(shì)。
 
 
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