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        各種降壓穩壓器的設計和工作原理

        作者: 時間:2018-11-08 來源:網絡 收藏

          目前最常見的開關穩壓器拓撲之一是降壓型開關穩壓器。IC通常采用內置控制器和集成FET進行降壓轉換。不僅如此,IC還可應用到各類設計中,如反相電源、雙極性電源以及單個或多個獨立電壓輸出的隔離電源。本文介紹了各種的設計,闡釋它們的工作原理,并討論實現這些設計需要考慮的實際因素。

        本文引用地址:http://www.104case.com/article/201811/394037.htm

          采用降壓穩壓器IC的降壓轉換器

          瑞薩電子ISL8541x系列降壓穩壓器IC具有集成的上管和下管FET、內部啟動二極管和內部補償,可最大限度地減少外部元件數量,實現非常小尺寸的整體解決方案。此外,該系列穩壓器IC具有3V~40V的寬輸入電壓范圍,可支持多節電池和各種穩壓電壓輸出。本文將以ISL85410降壓穩壓器IC為例詳細解釋各種應用設計。

          電源設計中,當所需電壓低于系統中的可用電壓時,則需要使用降壓轉換器。例如,采用12V電池作為輸入電壓的系統,需要輸出5V、3.3V或1.2V電壓,以便為微控制器、I / O、存儲器和FPGA供電。通過有效地將高電壓轉換為低電壓,降壓轉換器可延長系統內的電池壽命、減少散熱并提高可靠性。圖1為使用ISL85410降壓穩壓器IC的降壓轉換器的簡化原理圖。


          圖1. 降壓轉換器的簡化原理圖

          輸出電壓與輸入電壓具有相同的極性,連續導通模式(CCM)中的電壓轉換率可表示為:

          (1)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)。

          采用降壓穩壓器IC的反相電源

          雖然電子系統通常使用正電壓,但有時也需要使用負電壓。在這種情況下,需要反相電源用正輸入生成負電壓。為滿足這些應用需求,比較常見的解決方案之一是使用反相降壓-升壓轉換器。

          圖2比較了降壓轉換器與反相降壓-升壓轉換器的功率級,表明可以通過切換FET Q2和電感L1來獲得反相降壓-升壓轉換器。這種拓撲變化會產生不同的電壓轉換比和輸出電壓的反相極性:

          (2)在反相降壓-升壓轉換器中,輸出電壓幅度可以高于或低于輸入電壓,并且輸出電壓相對于輸入電壓源的接地是負的。


          圖2. 降壓轉換器和反相降壓-升壓轉換器的功率級

          反相降壓-升壓轉換器可采用高度集成的降壓穩壓器IC實現。如圖3所示,使用ISL85410降壓穩壓器的簡化電路。將降壓穩壓器配置為反相降壓-升壓轉換器時,需要注意兩個重要區別。第一,輸入電壓的(VIN)返回(RTN)連接。圖1所示的降壓轉換器,輸入電壓的RTN同時也是接地端(即降壓調節器的AGND/PGND引腳),而在反相降壓-升壓轉換器中輸入電壓的RTN和接地端不再相同。因此,在實現反相降壓-升壓轉換器時,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引腳上的電壓應力需參考AGND引腳。無論輸出電壓如何,降壓轉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轉換為-5V的設計中,VIN引腳上的電壓應力為29V而不是24V。必須謹記VIN引腳上的電壓應力不應超過IC數據表中規定的絕對最大額定電壓。


          圖3. 簡化的反相降壓-升壓轉換器

          采用降壓穩壓器IC的雙極性電源

          許多應用,如運算放大器和數據采集系統,都需要雙極性±5V或±12V電源。一種常見的方法是使用單個開關調節器以及耦合電感器(通常也稱為變壓器)來產生負電壓和正電壓輸出。圖4展示了如何使用降壓轉換器和反相降壓-升壓轉換器來生成雙極性電源。

          如圖4(a)所示,首先將ISL85410降壓穩壓器配置為調節正輸出VOUT+的降壓穩壓器,然后通過增加額外的耦合繞組產生負輸出VOUT-。若對正輸出VOUT+就像在降壓轉換器中那樣進行調節,則負輸出VOUT-與VOUT+數值一樣(簡單起見,整流二極管D1的正向電壓降被忽略),但具有相反的極性。


          圖4. 使用降壓方法(a)或反相降壓-升壓方法(b)的雙極電源簡化原理圖


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        關鍵詞: 降壓穩壓器

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