国家能源局科技司2017年度课题承担单位公开征集公告

第三讲--开关稳压器

开关稳压器是所有DC-DC转换器中最高效的一种稳压器。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。

图1 步升开关稳压器 (升压转换器)

下面，以升压转换器为例，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转换器，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。这为用户采用升压转换器拓扑结构，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，虽然理想的升压转换器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。升压转换器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按升压转换器配置时 (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) 会向后感应到升压转换器的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。