1,、關(guān)于寬或高輸入范圍、低電源輸出功率降壓穩(wěn)壓系統(tǒng)的問(wèn)題

一般來(lái)說(shuō),，常常采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器將不穩(wěn)定的寬與高輸入電壓降低為穩(wěn)定的低輸出電壓,。對(duì)于必須通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換降低輸入電壓的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可大幅提高轉(zhuǎn)換效率,，這方面遠(yuǎn)比線性穩(wěn)壓器好得多,。其脈寬調(diào)制PWM電源供應(yīng)控制器有單端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與雙端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.1單端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制方法與特征

控制方法有二種,，即電壓模式與電流模式,。電壓模式是簡(jiǎn)易、低噪音的控制方法,，可滿足大輸入及輸出范圍的需求,。電流模式是帶內(nèi)置電流限制，擁有快速瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間,。

集成度：集成的軟啟動(dòng)(可編程)提供了可預(yù)測(cè)的啟動(dòng)能力,，而內(nèi)置前沿消隱電路(1eadingedgeblanking)，用以抑制MOSFET管開(kāi)啟時(shí)的轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的毛刺,。

性能具有：多種電壓模式控制器都具有輸入電壓前饋能力,，可對(duì)輸入線電壓的改變做出即時(shí)的響應(yīng)；絕大部分的控制器都具有內(nèi)置高電流驅(qū)動(dòng)能力,。無(wú)須外置MOSFET驅(qū)動(dòng)器,；更低的啟動(dòng)電流，以用于脫機(jī)應(yīng)用,；低工作電流實(shí)現(xiàn)了低負(fù)載下的高效率,；可編程最小化的責(zé)任周期限制，實(shí)現(xiàn)了低負(fù)載下的高效率（如UCC3581),。

特點(diǎn)：在10W"350W脫機(jī)工作,，DC／DC電源；單端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電源（降壓型,、升壓型,、回掃型和正向）。

1.2雙端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制方法與特征

其電流模式的控制技術(shù)是采用逐周期電源限制(cycle-by-cyclecurrentlimltmg),，并以其快速的瞬態(tài)響應(yīng)為特色,；而電壓模式是多用途，低噪音的控制方法,，可實(shí)現(xiàn)大的責(zé)任周期范圍,。

軟開(kāi)關(guān)特征：零電壓切換(ZVT)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)最小化了開(kāi)啟時(shí)的功率損耗,；相位切換、零電壓轉(zhuǎn)換控制器最大化了全橋轉(zhuǎn)換器的效率,。

保護(hù)特征：靈活的過(guò)電流限制回路提供了可編程的錯(cuò)誤保護(hù)模式,；可編程軟啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)了初始化時(shí)及出錯(cuò)之后的可預(yù)測(cè)啟動(dòng)；高速,，逐周期電流限制,；最大化責(zé)任周期限制以防止變壓器飽和；可編程停滯時(shí)間(deadtime)控制,，防止了電源開(kāi)關(guān)的交叉?zhèn)鲗?dǎo),。

1.3舉例應(yīng)用——更高集成度的PWM控制器MAX5051

MAX5051為雙開(kāi)關(guān)拓?fù)銹WM控制器，比較理想用于建立高性能,、同步整流,、48V隔離電源。見(jiàn)圖1 MAX5051功能引腳與應(yīng)用示意圖,。其元件數(shù)減少2倍而成本削減3倍,。

應(yīng)該說(shuō)當(dāng)今大部分內(nèi)置變壓器的直流／直流轉(zhuǎn)換器都采用回掃及正向的電路程式。由于這兩種布局的變壓器匝數(shù)比可以按照不同要求加以設(shè)定,，因此可以滿足大部分降壓轉(zhuǎn)換的要求,，確保使寬與高輸入／輸出降壓比的應(yīng)用也可充分發(fā)揮轉(zhuǎn)換性能。對(duì)于不需要為接地絕緣的系統(tǒng)來(lái)說(shuō),，采用降壓穩(wěn)壓器是較為理想的電路布局,。降壓穩(wěn)壓器電路布局的優(yōu)點(diǎn)是成本較低，因?yàn)檫@個(gè)解決方案無(wú)需采用變壓器,。以下是降壓穩(wěn)壓器的電壓轉(zhuǎn)換公式：Vout=VIN ×D,。

2、新型集成開(kāi)關(guān)DC／DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

2.1設(shè)計(jì)思想

效率及小尺寸解決方案,。若需同時(shí)實(shí)現(xiàn)最高轉(zhuǎn)換效率及最小化的解決方案尺寸,，那么推薦使用帶集成開(kāi)關(guān)的感應(yīng)轉(zhuǎn)換型轉(zhuǎn)換器是一種理想選擇。低功耗DC／DC轉(zhuǎn)換器系列以及與負(fù)載點(diǎn)步降DC／DC轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)97％的峰值效率,，如T1的TPS6xxxx與TPS54xxx就是一例,。其同步校正不僅取代了不便宜的肖特基校正二極管，同時(shí)還使轉(zhuǎn)換器效率的提升高達(dá)10％,。更高的效率意味著電池驅(qū)動(dòng)應(yīng)用了額外的操作時(shí)間,，而大電流應(yīng)用中更低的功耗也放松了對(duì)散熱設(shè)計(jì)的要求。

因外部?jī)H需電阻,、電容及單個(gè)電感支持工作,，集成的高側(cè)及低側(cè)轉(zhuǎn)換FETs便可有效的降低了占板空間。而取決于不同的輸出電流,，其集成開(kāi)關(guān)DC／DC轉(zhuǎn)換器可采用如下封裝模式：CSP(800mA),、SOT-23(400mA),、QFN-10(1.2A)以及TSSOP-28(13A)，從而更減小了解決方案的尺寸,。

關(guān)于輸出電流-輸出電流典型受限于集成FETs的尺寸,，并且對(duì)于最小輸入電壓來(lái)說(shuō)是額定的，如TPS6xxxx系列,。而如TPS54xxx系列輸出電流指示為連續(xù)可用的輸出電流,；可實(shí)現(xiàn)更高的峰值電流以確保高性能DSP,、FPGA及ASIC系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)能有適合的供給,。且通過(guò)以下方程：

Lout=0.65ⅩIswitch(min) Ⅹ(VinⅩVout)

可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的粗略估計(jì)。對(duì)于輸出電流低于300mA及效率低于90％的情況,，無(wú)電感充電泵DC／DC穩(wěn)壓器會(huì)是一個(gè)成本及空間效益型的選擇,。

關(guān)于輸入電壓-DC／DC轉(zhuǎn)換器能與寬范圍的輸入源協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)，包括供電模塊,、插頭式電源(wall supply,，或稱(chēng)墻式電源)以及電池。如TPS6xxxx系列及其小外形封裝,，低靜態(tài)工作電流都已經(jīng)為低功耗電池驅(qū)動(dòng)應(yīng)用作了最優(yōu)化,。對(duì)于電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，輸入電壓隨著電池放電在大范圍內(nèi)變動(dòng),。因此,，轉(zhuǎn)換器的選擇就必須取決于所給定的電池工藝水平及數(shù)量。如TPS54xxx SWlFT系列可工作于預(yù)調(diào)節(jié)24V,、12V,、5V或3.3V的總線電壓。

關(guān)于輸出電壓-當(dāng)前的高級(jí)DSP,、FPGA及ASIC芯片要求更低的電源電壓,。為實(shí)現(xiàn)最大的靈活性，轉(zhuǎn)換器可同時(shí)支持額定的及可低至0.7V的可調(diào)節(jié)輸出電壓,。

2.2應(yīng)用舉例——5.5V至36V輸入,，3A步降DC／DC轉(zhuǎn)換器TPS5430

TPS5430 3A DC／DC轉(zhuǎn)換器對(duì)于采用通用12V或24V電源軌的大范圍應(yīng)用來(lái)說(shuō)是理想的選擇。采用相應(yīng)的SWIFT軟件工具能大大地降低開(kāi)發(fā)時(shí)間,。圖2為T(mén)PS5430功能與應(yīng)用示意圖,。其主要特點(diǎn)為：集成110mΩ N道溝MOSFET；固定的500kHz轉(zhuǎn)換頻率,；可調(diào)節(jié)輸出電壓低至1.23V,；具有內(nèi)置補(bǔ)償與內(nèi)置慢啟動(dòng)及內(nèi)置陰極負(fù)載二極管(bootstrapdiode)；電壓前饋與內(nèi)置過(guò)電流保護(hù)及熱關(guān)斷,；僅有18μA的關(guān)斷靜態(tài)電流,；-40℃至125℃的工作交匯溫度范圍,；封裝模式：小型化熱強(qiáng)化型8引腳S01CPower PAD封裝。

應(yīng)用領(lǐng)域：在消費(fèi)應(yīng)用方面,，如機(jī)頂盒,、DVD、LCD顯示,；亦可在工業(yè)及車(chē)載音頻電源與電池充電器,、高功率LED電源及12／24-V分布式電源系統(tǒng)上應(yīng)用。

3,、高與寬輸入范圍DC/DC降壓穩(wěn)壓系統(tǒng)典型應(yīng)用舉例

可整合76V輸入,、低靜態(tài)電流、2A降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器

圖3(a) MAX5090功能與應(yīng)用示意圖,。其特征為：無(wú)需使用MOV或TVS,；6.5V至76V寬輸入電壓范圍；承受高達(dá)80V汽車(chē)甩負(fù)載,；高性能,，滿載下具有92％的高效率，無(wú)負(fù)載時(shí)310μA低靜態(tài)電流,，19μA低關(guān)斷電流,；為嚴(yán)酷的汽車(chē)環(huán)境而設(shè)計(jì)，確保工作在-40℃至+125℃結(jié)溫范圍內(nèi),，打嗝模式短路保護(hù),，保持器件涼態(tài)，熱關(guān)斷和短路限流,。上述功能可整合在5mm X 5mmTQFN封裝內(nèi),。3.2頻率最高并具有寬輸入電壓范圍(5V至23V)的2A DC-DC轉(zhuǎn)換器MAX5089見(jiàn)圖3(b)示意。 其特征為：2.2MHz開(kāi)關(guān)頻率,，避免噪聲干擾 敏感的AM波段或ADSL2+頻段,；5V±10％或5.5V至23V的寬Vin范圍，適合寬廣的汽車(chē)電壓范圍和對(duì)xDSL和機(jī)頂盒的寬電壓范圍墻上適配器進(jìn)行穩(wěn)壓及用于控制7V至14V的粗調(diào)中間總線電壓非常理想,；高效,，同步整流驅(qū)動(dòng)器允許在寬Vin范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最高效率。 圖3(b)為MAX5089功能與應(yīng)用示意圖,。

4,、仿電流感測(cè)信號(hào)技術(shù)在DC/DC降壓穩(wěn)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用

4.1仿電流感測(cè)信號(hào)技術(shù)的引出

降壓穩(wěn)壓器常用的調(diào)制控制方法有電壓模式(VM)、電流模式(CM)及恒定導(dǎo)通時(shí)間(COT)等三種,。電流模式控制可以輕易提供環(huán)路補(bǔ)償,，而且本身還有線路前饋補(bǔ)償，因此頗受電源供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的歡迎,。一般來(lái)說(shuō)：電壓模式控制不會(huì)輕易受噪音的干擾,，但瞬態(tài)響應(yīng)及穩(wěn)定性等方面的表現(xiàn)則不及電流模式,。若采用恒定導(dǎo)通時(shí)間的控制方法：大部分穩(wěn)定性的問(wèn)題都會(huì)自動(dòng)消失,，而且線路及負(fù)載的瞬念響應(yīng)也較為理想,。但采用恒定導(dǎo)通時(shí)間控制的穩(wěn)壓器并非以恒定的開(kāi)關(guān)頻率操作,，因此不能與外置時(shí)鐘保持同步。

傳統(tǒng)的電流模式控制方法有它的缺點(diǎn),。圖4所示的是采用電流模式控制方法的降壓穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)框圖。穩(wěn)壓器的輸出電壓不但受監(jiān)控,，而且可與參考電壓互相參照比較，一旦出現(xiàn)誤差信號(hào),，便會(huì)傳送到脈沖寬度調(diào)制器(PWM),。電壓模式與電流模式的控制方式完全不同，原因在于兩者的調(diào)制斜波信號(hào)來(lái)自不同的信號(hào)源,。執(zhí)行電流模式控制功能所需的調(diào)制斜波信號(hào)是一種與降壓開(kāi)關(guān)電流成正比的信號(hào),。電感器的電流會(huì)在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間流入降壓開(kāi)關(guān),。通電后,，電感器電流的波形斜率為正數(shù)的(VIN—Vout)/L。降壓開(kāi)關(guān)電流的測(cè)量數(shù)值必須準(zhǔn)確,，而且有關(guān)數(shù)字要盡快測(cè)出,，以便產(chǎn)生調(diào)制斜波信號(hào)。電流模式控制的主要缺點(diǎn)是很難取得降壓開(kāi)關(guān)電流信號(hào),。

4.2關(guān)于仿電流感測(cè)信號(hào)技術(shù)的特征

要快速而準(zhǔn)確測(cè)量降壓開(kāi)關(guān)的電流并不容易,，但可以采用新的方法模擬降壓開(kāi)關(guān)電流，而無(wú)需真正測(cè)量電流,，避開(kāi)測(cè)量的準(zhǔn)確性問(wèn)題,。以降壓穩(wěn)壓器來(lái)說(shuō)，電感器電流是降壓開(kāi)關(guān)電流及自由輪轉(zhuǎn)(續(xù)流)二極管電流的總和(圖5為仿電流感測(cè)信號(hào)技術(shù)的降壓穩(wěn)壓器波形示意),，降壓開(kāi)關(guān)電流波形由兩個(gè)部分組成,，其中有基本或消隱電平信號(hào),，也有斜波信號(hào),。消隱電平信號(hào)是整個(gè)開(kāi)關(guān)周期的最低電感器電流值（谷值),。當(dāng)降壓開(kāi)關(guān)啟動(dòng)，而自由輪轉(zhuǎn)(續(xù)流)二極管關(guān)閉的一瞬間,，電感器電流便處于最低值。電感器電流處于谷值時(shí),，降壓開(kāi)關(guān)及二極管的電流也同樣處于其最低值。我們可以在降壓開(kāi)關(guān)啟動(dòng)前利用采桿及保持的方法進(jìn)行采樣,，以測(cè)量自由輪轉(zhuǎn)(續(xù)流)二極管的電流,，所得的測(cè)量數(shù)值可以用來(lái)捕捉消隱電平信號(hào),。

降壓開(kāi)關(guān)電流波形的另—組成部分是信號(hào)的斜波,。電感器電壓是降壓開(kāi)關(guān)啟動(dòng)后的輸入／輸出電壓差,。這個(gè)電壓有足夠的強(qiáng)度,，可將正數(shù)斜率的斜波電流輸入電感器及降壓開(kāi)關(guān),。斜波電流的斜率為di/dt=(VIN—Vout)/L,。可以選擇適當(dāng)?shù)男辈娙葜礐RAMP,，以確保電容器電壓斜率與電感器電流斜率成正比,。

4.3  仿電流感測(cè)信號(hào)技術(shù)的應(yīng)用例舉

4.31  圖6是LM25576芯片的方塊圖

這款芯片是新推出的6款高集成度降壓穩(wěn)壓器的其中一款，其特點(diǎn)是采用了上述的仿電流模式控制設(shè)計(jì)。圖中頂部所示的是降比穩(wěn)壓器一般采用的電源開(kāi)關(guān).控制器將自由輪轉(zhuǎn)（續(xù)流)二極管的陽(yáng)極與接地連接一起,，而低電流量檢測(cè)電阻及放大器則負(fù)責(zé)測(cè)量二極管電流,。采樣及保持電路在降壓開(kāi)關(guān)啟動(dòng)之前觸發(fā)每一周期的開(kāi)始,。為模擬的電流檢測(cè)信號(hào)提供消隱電平信號(hào),。

LM25576 芯片可以檢測(cè)輸入電壓及輸出電壓,，以便產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電流,。為外置斜波電容器 CRAMP充電,。降壓開(kāi)關(guān)啟動(dòng)后的每一周期內(nèi)，電容器電在都會(huì)以線性方式上升,。降壓開(kāi)關(guān)關(guān)閉后,，斜波電容器便會(huì)門(mén)行放電。為了確保正常操作，我們?cè)O(shè)定斜波電容器時(shí),，必須確保其電容值與輸出電感器的電感值成正比,。開(kāi)始時(shí)最好選用以下的斜波電容值：

公式中的L以Heny為計(jì)算單位,，而CRAMP 則以Farad為計(jì)算單位。產(chǎn)生模擬降壓開(kāi)關(guān)電流信號(hào)的最后一個(gè)必要步驟是將采樣及保持電路傳米的消隱電平信號(hào)與斜波電容器電壓信號(hào)相加。這樣控制器便可發(fā)揮類(lèi)似峰值電流模式的控制,，但電流檢測(cè)信號(hào)又不會(huì)出現(xiàn)延遲及瞬態(tài)響應(yīng),。

對(duì)于操作時(shí)占空比超過(guò)50％的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，峰值電流模式控制穩(wěn)壓器會(huì)出現(xiàn)次諧波的振蕩,。若在電流檢測(cè)信號(hào)之上另外再添加一個(gè)固定斜率的電壓斜波信號(hào),，便可避免出現(xiàn)這種振蕩。以斜波發(fā)生器電路兒例來(lái)說(shuō),，另外添加的25 μA固定偏置電流可為電容器電壓斜波信號(hào)提供額外的固定斜波,。至于占空比極高的應(yīng)用,，我們可以采用上拉電阻以補(bǔ)25 μA偏置電流的不足,，也可降低斜波電容器的電容值,，以便提高斜率，以免穩(wěn)壓器出現(xiàn)次諧波振蕩,。

4.32仿電流模式,、超高準(zhǔn)禍確度的PWM同步降壓控制器

采用LM3495控制器有以下的好處：高度靈敏的亞微米處理器不但在設(shè)計(jì)上更具靈活性，而且還可添加可靠的保護(hù)功能,。圖7是LM3495芯片的方塊功能與應(yīng)用圖,。

其產(chǎn)品特征：2.9V至18V的輸入電壓,；0.6V至5.5V的可調(diào)節(jié)輸出電壓,；反饋電壓準(zhǔn)確度為±1％(在指定的溫度范圍內(nèi))；仿電流模式控制可以承受較大的輸入至輸出壓降,；只需一個(gè)輸入供電便可操作,；預(yù)先偏壓的啟動(dòng)至輸出,；打嗝模式限流保護(hù)，確保耗散更少熱能,；具跟蹤能力的內(nèi)部軟啟動(dòng),；200kHz至1.5MHz的開(kāi)關(guān)頻率，可調(diào)校至與系統(tǒng)同步,，以便控制系統(tǒng)噪聲,；采用TSSOP-16封裝。

應(yīng)用：適用于專(zhuān)用集成電路(ASIC),、FPGA,、數(shù)字信號(hào)處理器、嵌入式控制器的電源供應(yīng)系統(tǒng),、工業(yè)系統(tǒng)以及高輸出電流的電源管理模塊,。