基于LM267X穩壓器的正到負降壓/升壓轉換器的應用技巧

　　工業、通信及個人系統等產品對穩壓器或類似芯片的需求不斷增加，但大部分開關穩壓器的設計除了需要專門的設計技術外，更需增加大量外置式元件才可正常工作。本文介紹LM267X系列穩壓器在極性反相轉換器設計中的應用技巧。

　　極性反相轉換器在開始工作時先將能量儲存在電感器(L)內，后通過二極管(D)將能量傳送至輸出區。開關一旦啟動，二極管便產生反相偏壓，電感器電流也隨即以線性方式增加。開關一旦關閉，電感器的極性將反過來，以確保開關電流可保持最高的流量。因此，二極管將產生正向偏壓，而儲存在電感器之內的能量會傳送至負載及電容器。由于這類轉換器可以升高或降低輸入電壓，因此，這種集成電路也稱為降壓/升壓轉換器。

　　設計上的考慮

　　采用LM2673芯片的極性反相穩壓器的典型配置,負輸出已接地，而反饋信號則傳送至接地，因此無需額外的電平移位以及將反饋信號加以反相，就可適當調節負極輸出。此應用方案也可采用可調型LM2673芯片，辦法是將反饋電阻由接地連接至輸出電壓(VOUT)(與輸出電容器并行連接)。由于這種電路的控制與輸出傳送函數的零點出現在右半平面，因此一般來說穩定性較差。因此，在輸入與負
輸出之間需要采用另一比輸入電容器更小的電容器CC將之連接起來，以確保穩壓器環路的穩定工作，100uF或以下的小電容可以發揮器件的性能。

　　若輸出電流低至100mA以下，穩壓器可以采用斷續模式工作，這樣便無需電容器CC。

　　若使用電容器CC，每當供電電壓開始輸入電路時，電容器充電電流會在輸出的起始狀態出現正電壓尖峰，但一般來說，這個正電壓尖峰波幅太小，不會引起任何問題。

　　電容器初始狀態的充電電流會令電容器等效串聯電阻(ESR)的電壓下降。由于電容器CC及輸出電容器可執行分壓器的功能，因此電壓尖峰的波幅在初始狀態由CC及輸出電容器的ESR數值所決定。輸出電容器的ESR數值一般均遠比補償電容器的ESR為低，因此初期電壓尖峰波幅很小，一般只有500mV。若傳感器直流電阻高至2V以上，而啟動電流在初始狀態也很高，尖峰也將較高。二極管D2將正輸出電壓尖峰鉗位在某一電平內，以肖特基二極管為例，電壓大約可定在300mV內。大部份情況均無需鉗位，也無需采用D2。

　　選擇適用的元件

　　以下列出所選的電路元件及其詳細計算結果。均以連續模式工作為基準計算。

　　占空比的計算如下：

　　D=( |VOUT|+Vd ) / (VIN+|VOUT|+Vd-VSW)

　　在上述方程式之中：Vd=二極管正向電壓; VSW=晶體管導通電壓; VSW=Iswmax*RDS(on);傳感器平均電流為：

　　IL = IOUT/(1 - D)

　　采用不同方法可以計算出所需的電感量。較佳方法是將電感器紋波電流(△IL)選定在傳感器平均電流(IL)的20%與30%之間。這樣穩壓器可在連續模式下工作，此設計的負載瞬態響應較好，輸出紋波電壓也較理想。

　　因此，峰至峰電感器紋波電流(△IL)選定為：△IL=0.2至0.3*IL，所需電感為：

　　L= VIN*D / (f-△IL)

　　電感器的額定RMS電流應等于或超過最高開關電流(Isw max)，以免電感飽和。此外，電感器的額定伏秒值至少應為：E*T= VIN/D*f

　　集成電路的額定參數計算

　　直流/直流轉換器的額定功率必須支持最高電流及電壓。

　　開關電流峰值為：

　　Isw max=IL+ △IL/2

　　由于芯片的接地連接輸出，芯片的額定最高輸入電壓必須支持標稱輸入電壓及輸出電壓。

　　芯片的額定最高開關電壓及輸入電壓為：Vsw max=VIN+|VOUT|，功耗為：PD=VIN*Iq+(Isw max)2*RDS(on)，最高的開關電流取決于占空比D及電感器數值。

　　二極管額定值的計算

　　續流二極管D1必須滿足以下參數要求：IDmax=Iswmax VDmax=VIN+|VOUT| PD=IDmax*VD*(1-D)

　　一般均會采用低正向導通電壓的肖特基二極管，以便獲得理想的轉換效率。

　　選擇適用的輸出電容器

　　選擇輸出電容器時必須以其ESR數值的大小為主要的取舍標準，且其電容必須夠大，足以在接通電源后提供負載電流。ESR數值的大小對輸出電壓紋波有決定性的影響。ESR的計算方法如下：

　　ESR = △VOUT/Iswmax

　　在以上方程式中：△VOUT=需要的輸出紋波電壓

　　電容器的電容必須達到某一最低的數值，才可提供所需的輸出紋波及負載電流，其計算方法如下：

　　COUT min= IOUT*D/f-△VOUT

　　選擇適用的輸入電容器

　　選擇輸入電容器時必須以其ESR數值及額定RSM電流為主要取舍標準，以便為輸入的高電流轉變提供支持。

　　在實際應用中，選用低ESR電容器較理想，因為它有助于減低輸入電壓紋波，及減少對同一系統內的其他電路造成的干擾。至于部分對電磁干擾極為敏感的應用方案，可考慮添加L-C輸入濾波器。

　　穩定性的考慮

　　由于開關模式的直流/直流轉換器包含頻率響應控制環路，因此其設計必須符合控制環路的穩定性標準。

　　由于電感數值、輸出電容和ESR以及補償電容器CC會影響穩壓器環路的穩定性，因此所用的轉換器必須通過穩定性測試。

　　首先需要進行的穩定性測試是檢查半導體開關(即LM2673芯片的輸出管腳) 的開關電壓波形。這個波形應該是穩定的，而且并無顫動的現象，如圖3和圖4的波形所示，分別采用連續及斷續工作模式。

　　無論輸入電壓及負載電流如何變動，如果波形仍能保持穩定，便足以顯示這是一個穩定的設計。

　　此外，要進行脈沖負載測試或量度其負載瞬態響應。測試時，最低及最高負載之間的負載電流分別以脈沖分隔(矩形波形，快速上升時間)，并利用示波器監察輸出電壓波形。在這些情況下，輸出電壓應該對負載電流變動做出穩定而并無任何振蕩的響應。這些測試必須反復驗證以證明無論輸入電壓為何，輸出電壓仍然做出同樣的響
應。

　　若進行測試時穩壓器出現穩定性的問題，輸出電容器及/或補償電容器CC必須隨即更換。對于采用LM267X芯片的反相降壓/升壓應用方案來說，電容器CC的電容值越高，系統穩定性便越高。

　　啟動問題

　　即使輸入電壓低至5V，LM267x系列開關穩壓器仍可充分利用降壓/升壓設計的優點，雖然開關穩壓器通常均規定輸入電壓VIN最低必須為6.5V，但這款集成電路的內置式5V穩壓器可以為芯片提供內部偏壓。

　　由于芯片的接地連接輸出，因此輸入電壓VIN至接地之間的實際電壓是輸入電壓加輸出電壓的總和，一般來說這個總和會超過8V。由于在初始狀態芯片的輸入為5V以便啟動芯片，一旦輸出變為負電壓，芯片的輸入電壓最后會升高至等于輸入電壓與輸出電壓的總和(VIN+ VOUT)，電壓總和超過6.5V，符合相關技術標準。

　　反相穩壓器在啟動時通常需要高峰值輸入電流。若使用這款開關穩壓器芯片的軟啟動功能，便可將高峰值輸入電流減至最低。

　　本文總結

　　以下所示的每一個系統幾乎全部都需要在電路板上加設穩壓器或類似的芯片，而且其中不少系統還需要加設轉換器以提高系統效率。但大部分開關穩壓器的設計均需要專門的設計技術，而且還要加設多達十四個外置式元件才可正常工作。本文介紹的高集成度芯片所需外置式元件只有四個，而且已免費預裝Switchers Made Simple軟件，使應用廠商無需專門的設計技術也可開發開關穩壓器。這可以確保設計工程師在短短數日內便能完成高性能開關電源的設計。因而在筆記本型計算機、臺式計算機、手持式設備、LCD/TFT監視器、打印機、掃描儀、上網設備等領域獲得廣泛的應用。