模拟电路中降压型开关稳压器的设计与研究

模拟电路中降压型开关稳压器设计与研究汇报者：何利康导师：任春明汇报日期：2016年5月10日提要一、稳压器的发展二、核心内容三、电路设计四、总结2线性稳压器使用最广泛的是LDO（低压差）稳压器，输入输出压差可低于0.5V，具有低成本、噪音小、静态电流小等优点。1.集成稳压器的分类a.线性稳压器一、稳压器的发展>传统的串联调整式稳压器是连续控制的线性稳压器(LinearVoltageRegulator)。*稳定性好、输出纹波电压小、线性调整率和负载调整率极好，使用可靠等。>具有如下优点：>但由于其调整管工作在线性放大状态，为保证输出电压稳定，调整管两端必须承受一定的压差，导致功耗增加，效率变低（一般只有40%~50%）。>同时由于散热影响，不利于集成，以上这些问题限制了线性稳压器的应用范围。31.集成稳压器的分类

b.开关稳压器一、稳压器的发展>开关稳压器的调整管工作在高频开关状态，通过控制其开关状态的占空比来调整输出电压。>开关稳压器体积小、效率高、发热量低、性能稳定，因而得到了快速发展。4>开关稳压器的开关管功耗小，效率高达70%~90%，比传统稳压器提高了将近一倍。*开关管饱和导通时，集电极和发射极两端的饱和压降很小，接近为零。*开关管截止时，其集电极电流为零。>因为其高效、高功率密度等特征，开关稳压器多数用于电源供电电压低、电流大的电子产品中，并且市场需求逐年增加。1.集成稳压器的分类c.线性稳压器和开关稳压器区别一、稳压器的发展>线性稳压器：5*调整管是将输入电压源的能量连续地传递给负载。>开关稳压器：*从输入电压源不连续地获得能量；*利用电感中的磁场或电容中的电场暂时存储能量，然后将其传递给负载。>开关稳压器最大的亮点在于：*开关管截止时，两端的压降虽然很大，但流过的电流几乎为零；*导通时，流过的电流虽然很大，但两端的压降很小，功耗很小，大大提高了系统的功率转换效率。2.开关稳压器绪论a.名词解析一、稳压器的发展>目前最广泛的开关稳压器主要是完成DC-DC变换，PPT中所指的开关稳压器均为直流开关稳压器。6AC-DC整流DC-AC逆变AC-AC交流-交流变换DC-DC直流-直流变换>广义地说，凡是用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变为另一种电源形态的主电路都称为开关稳压器。2.开关稳压器绪论b.基本原理二、核心内容7最简单方法在电路中串联一个电阻；不涉及变频，简单，但效率低。开关稳压器对输出电压采样，经变换产生脉冲信号，控制功率开关管的导通或截止时间；将脉冲电流转换为连续稳定的电流，以达到稳定输出电压。>右图为开关稳压器的结构框图。1.稳压器分类

♦基本型和隔离型二、开关稳压器的核心内容>开关稳压器主要分为两大类：基本型和隔离型。8*基本型只完成电压转换，电路工作时，输入电压源与输出负载有公共的电流通路；*隔离式的除了完成电压转换功能外，还使用了变压器对输入/输出电压进行隔离，通过变压器来实现能量的传输。>基本型开关稳压器根据功率开关管和储能元件的不同拓

扑结构，分为右边四种类型：*降压型(Buck)、升压型(Boost)、

升压-降压型(Buck-Boost)、

降压-升压型(Cuk)。2.稳压器工作方式

a.连续导通模式二、开关稳压器的核心内容>根据开关周期内开关电流的状态，开关稳压器的工作方式可分为连续导通模式和不连续导通模式。9

>连续导通模式：

*表示在连续导通模式下，存储在电感中的能量在每个开关周期内并未全部释放掉，因此下一个周期开关具有初始能量；*减小了开关电流的有效电流值，降低芯片功耗，但要求的电感量较大，适用于输出功率较小的开关稳压器。2.稳压器工作方式b.不连续导通模式二、开关稳压器的核心内容>根据开关周期内开关电流的状态，开关稳压器的工作方式可分为连续导通模式和不连续导通模式。10

>不连续导通模式：

*意味着存储在电感的能量必须在每个开关周期内完全释放掉，开关电流的波形呈三角形；*所需的电感量较小，适用于输出功率较大的开关稳压器。3.稳压器控制方式

a.脉冲宽度调制

(PWM)二、开关稳压器的核心内容>脉冲宽度调制（如图a所示）：11*特点是固定开关频率，通过改变脉冲宽度来调节占空比，并简化了滤波电路的设计。*缺点是受功率的开关管最小导通时间限制，对输出电压不能作宽范围调节，并且输出端不能悬空，空载时输出电压会升高。大多数开关稳压器都采用PWM控制方式！3.稳压器控制方式

b.脉冲频率调制(PFM)二、开关稳压器的核心内容>脉冲频率调制（如图b所示）：12*脉冲宽度固定，通过改变开关频率来调节占空比；

*输出电压调节范围很宽，输出端可悬空。3.稳压器控制方式c.混合调制二、开关稳压器的核心内容>混合调制：

脉冲宽度调制(PWM)13

脉冲频率调制(PFM)

混合调制*脉冲宽度和开关频率均不固定，两者都能改变；

4.稳压器控制模式a.电压型PWM控制模式二、开关稳压器的核心内容

14根据反馈回路和稳压特性的不同，开关稳压器有电压型和电流型两种控制模式。

4.稳压器控制模式b.电流型PWM控制模式二、开关稳压器的核心内容>电流型控制模式有两个控制环路，电流控制通过内部环路实现，电压控制通过外部环路实现（实现电压电流的双环控制）15*不仅对输出电压的变化量进行采样，也对输出电流变化量进行采样。

5.开关稳压器的技术指标

♦开关稳压器的技术指标二、开关稳压器的核心内容>开关稳压的技术指标有以下多种：16技术指标稳压系数（绝对稳压系数和相对稳压系数）输出电阻纹波电压（最大纹波电压、纹波系数、纹波电压抑制比）温度漂移和温度系数（绝对温度系数、相对温度系数）漂移和噪声响应时间高频开关动作6.基本工作原理

a.功率管闭合时二、开关稳压器的核心内容

17

6.基本工作原理

b.功率管断开时二、开关稳压器的核心内容18

6.基本工作原理c.稳态特性分析二、开关稳压器的核心内容19>以下计算在理想情况下进行（导通压降、截止电流、寄生电阻等）。“稳态”指的是输入电压、输出电压、输出负载电流以及占空比都是不变的。

>同理可以求出关断状态时电感电流减小量为：

♪开关稳压器实际应用电路

♦一款开关稳压芯片内部电路框图三、电路设计20>下图为实际应用中的稳压比较器电路。♪开关稳压器实际应用电路三、电路设计21

♦电路组成ON/OFF电路通过外加引脚控制芯片的工作状态基准电路产生稳定的2.5V电压，作为电路内部电源；同时产生1.235V高精度基准电压。误差放大器将输出反馈电压与基准电压比较，输出误差放大信号，以控制功率管开关的占空比。PWM比较器将误差放大器的输出信号与锯齿波比较，产生脉冲信号。150KHz振荡器产生150KHz固定频率的脉冲和锯齿波。限流比较器当输出电流超过4.5A时，使功率管关断，并使振荡器频率下降♪开关稳压器实际应用电路三、电路设计22

♦ON/OFF电路>COMP1正向输入端为ON信号；>当ON<1.3V时，Q1截止，COM2正向输入端电压大于1.3V，Q2导通；>R2两端产生压差，Q3导通，CTRL5

变为低电平；>Q4管截止，CTRL8电压拉高。*CTRL8送到基准模块，CTRL5送到逻辑模块。QE19与QE23类似带隙的结构，可保证其产生的电流具有较低的温度系数。♪开关稳压器实际应用电路三、电路设计23

♦150KHz振荡器>三级运放构成环形振荡器；>最后一级单端输出，产生周期性脉冲，

用于控制电容充放电的时间以产生同

频率的锯齿波，同时送至逻辑电路；>QE19集电极反馈至第一级运放的同相输入端，同时构成电容的充放电回路；>QE23的集电极反馈到第一级运放的反相输入端。♫开关稳压器总结四、总结24>从三个方面了解开关稳压器：导通模式连续导通不连续导通控制方式PWMPFM混合控制模式电压控制电流控制>基本原理是调节开关脉冲的宽度和频率实现输出电压的控制。>开关管处于导通状态是，Vce(sat)<=1V，也就是说Vce很小，即使有集电极电流，产生的功率损耗也不会很大，此外，截止状态时，没有集电极电流，不存在损耗。>开关电路输出的电流不是直流，后面需要连接整流电路将脉冲电流转为直流电流。参考文献[1]唱娟.模拟电路中降压型开关稳压器的设计与研究[D].西安电子科技大学,2006.[2]景欣.降压型开关稳压电源芯片电路的研究与设计[D].沈阳工业大学,2009.[3]王辉,王松林,来新泉,等.一种BUCK