開關(guān)穩(wěn)壓器工作原理與類型

與線性穩(wěn)壓器相比，開關(guān)穩(wěn)壓器在設(shè)計，結(jié)構(gòu)和操作方面有所不同。在開關(guān)穩(wěn)壓器中，通過控制反饋電路的開關(guān)時間（包括參考電壓）來調(diào)節(jié)輸出電壓；通過調(diào)節(jié)占空比，上面討論的調(diào)節(jié)器都是線性穩(wěn)壓器，需要串聯(lián)傳輸晶體管來調(diào)節(jié)有源區(qū)。盡管它們被選擇用于不同目的，但它們確實具有串聯(lián)傳輸晶體管的高功率耗散的缺點。主要原因是因為串聯(lián)傳輸晶體管被用作A類功率放大器，其以低效率和熱量形式的功率損耗而著稱。當(dāng)負(fù)載電流增加時，串聯(lián)傳輸電阻必須承載重負(fù)載。這導(dǎo)致串聯(lián)傳輸晶體管變得笨重，具有更大的散熱器。這反過來又增加了總體成本。這種線性穩(wěn)壓器還需要一個降壓變壓器，它再次增加了整個電路的尺寸。應(yīng)消除電路產(chǎn)生的大波紋，這需要大尺寸濾波電容器。

所有這些問題都可以通過使用開關(guān)穩(wěn)壓器來解決。與線性穩(wěn)壓器相比，整個操作完全不同。這里，串聯(lián)傳輸晶體管不用作放大器，而是用作開關(guān)。也就是說，代替在有源區(qū)中工作的晶體管，使其在飽和區(qū)或截止區(qū)之間切換。因此，功耗降低，可以在低電壓下承載重負(fù)載電流，同時具有較小的散熱器。因此，該調(diào)節(jié)器在個人計算機中得到廣泛應(yīng)用。

基本開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計用于三種配置，各類型開關(guān)穩(wěn)壓器工作原理電路圖和說明如下。

三種類型開關(guān)穩(wěn)壓器工作原理電路圖

降壓開關(guān)穩(wěn)壓器

如上圖所示，矩形脈沖被提供給晶體管的基極。在脈沖的每個周期期間，晶體管在飽和和截止之間變化。這會在LC濾波器的輸入端產(chǎn)生矩形電壓。阻斷濾波器輸入電壓的交流分量，允許直流分量通過濾波器。當(dāng)晶體管保持開關(guān)時，平均值總是小于輸入電壓。這就是我們稱之為“降壓”開關(guān)穩(wěn)壓器的原因。

升壓開關(guān)穩(wěn)壓器

如上圖所示，矩形脈沖被提供給晶體管的基極。在脈沖的每個周期期間，晶體管在飽和和截止之間變化。當(dāng)晶體管飽和時，電流流過電感器。當(dāng)晶體管切換到截止時，由于其周圍的磁場突然崩潰，將在電感線圈上感應(yīng)出大的電壓。因此，電流保持在相同方向上流動。該電路稱為“升壓”開關(guān)調(diào)節(jié)器，因為電感器感應(yīng)的電壓將大于輸入電壓。

極性反轉(zhuǎn)開關(guān)穩(wěn)壓

如上圖所示，當(dāng)晶體管飽和時，電流流過電感。當(dāng)晶體管切換到截止時，由于其周圍的磁場突然崩潰，將在電感線圈上感應(yīng)出大的電壓。因此，電流保持在同一方向流動。由于晶體管截止，唯一的路徑是通過電容器。如果檢查通過電容器的充電電流的方向，則發(fā)現(xiàn)輸出電壓為負(fù)。

開關(guān)穩(wěn)壓器原理電路圖

一個簡單的開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計有我們已經(jīng)知道的混合電路。工作從張弛振蕩器開始，產(chǎn)生方波。方波的頻率由R5和C3的值決定。方波作為積分器的輸入給出，并產(chǎn)生輸出三角波。這是作為三角形到脈沖轉(zhuǎn)換器的正端子的輸入。然后輸出脈沖將驅(qū)動傳輸晶體管的基極。這些脈沖的占空比將決定輸出電壓。

占空比D是導(dǎo)通時間W與時間段T的比率。通過控制脈沖發(fā)生器的占空比，控制LC濾波器的輸入電壓的占空比。LC濾波器的輸出是直流電壓，只有很小的紋波。這個輸出

Vout = DVin

由于D可以在0到1之間變化，因此Vout可以在0到Vin之間變化。

一個簡單的分壓器用于采樣LC濾波器的輸出。然后將該電壓反饋到比較器電路，其中參考電壓Vref與輸出電壓進(jìn)行比較并傳遞到三角形到脈沖轉(zhuǎn)換器的負(fù)輸入端。

當(dāng)輸出電壓增加時，比較器電路產(chǎn)生較高的輸出電壓，因此三角形到脈沖轉(zhuǎn)換器的反相輸入將具有高值。這將縮小傳輸晶體管的基極輸入處的脈沖。由于占空比較低，濾波后的輸出電壓較小，這往往會抵消輸出電壓的幾乎所有原始增益。這意味著任何嘗試增加輸出電壓都會產(chǎn)生負(fù)反饋電壓，幾乎消除了原始增益。如果輸出電壓下降，則反向發(fā)生。

系統(tǒng)中有足夠的開環(huán)增益，以確保良好調(diào)節(jié)的輸出電壓。由于比較器的誤差電壓接近零，因此R2兩端的電壓約等于Vref。所以通過電阻器R2的電流是：

I = Vref / R2

該電流流過R1，這意味著輸出電壓為

Vout = Vref（R1 + R2）

開關(guān)穩(wěn)壓器有不同的配置，如反激配置，前饋，推挽和非隔離單端或單極類型。

在上述配置中用作開關(guān)穩(wěn)壓器的一些常見IC是LM 1577 / LM 2577 IC。

使用LM 2575和LM 2577的開關(guān)穩(wěn)壓器

這些IC由美國國家半導(dǎo)體公司設(shè)計。這兩款I(lǐng)C都以其最小的元件制造和簡單易用的設(shè)備而聞名。這些IC還具有內(nèi)部頻率補償和固定頻率振蕩器的優(yōu)點。

以下是使用LM 2575的開關(guān)穩(wěn)壓器的電路圖。該IC以其高效率而著稱，并且將明顯取代所有3端子線性穩(wěn)壓器。即使沒有散熱器，也可以獲得IC的高效率。

LM 2577開關(guān)穩(wěn)壓器電路圖如下。這兩款I(lǐng)C都有不同的電壓等級，如12伏和15伏，可調(diào)節(jié)。

使用LM 1578A IC的開關(guān)穩(wěn)壓器

LM 1578A IC也是由National Semiconductors開發(fā)的，用作DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器，反相配置和降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用的開關(guān)穩(wěn)壓器。作為開關(guān)穩(wěn)壓器的IC的功能框圖如下所示。

從功能圖中我們可以看到，IC有一個比較器電路，具有反相和反相輸入以及每個輸入的1伏內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，這顯然簡化了電路設(shè)計和PCB布局。通過為集電極（引腳6）和發(fā)射極（引腳5）提供輸出引腳，IC以其設(shè)計靈活性而聞名。IC的輸出可以切換到最大750毫安。根據(jù)IC的使用類型，外部限流端子可以參考接地端子（引腳4）或Vin端子（引腳8）。IC的工作電壓可以在（2-40）伏特之間變化。該IC還具有限流和熱關(guān)斷功能。此外，LM 1578 A還有一個板載振蕩器，它通過一個外部電容設(shè)置開關(guān)頻率 1 Hz至100 kHz（典型值）。占比高達(dá)90％。

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