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DC/DC

開關式穩壓器的特性和評估方法

開關式穩壓器的基本:降壓運作原理

從這裡開始以最常利用的降壓型開關式穩壓器為例,說明運作原理。

降壓DC/DC變(轉)換藉由開關對所謂VIN的DC電壓進行時間分割,接著再藉由電感和電容平滑化來變換成所希望的DC電壓。降壓DC/DC變換的概念式電路和運作如下所示。

若以PWM運作做説明,在S1=ON/S2=OFF時提供VIN電壓之時間為25%脈衝周期,而在S1=OFF/S2=ON時零伏特(GND)狀態為75%脈衝周期,將其脈衝平均化後變為25%之DC。若VIN為10V則Vo變成25%之2.5V。

sr01_fig_33

實際的PWM由於被平均化的輸出負載電流會變動,故ON時間始終一定的話電壓會依賴負載電流升降。那麼,因為不是穩壓器,所以輸出一下降會增加ON時間,從輸入送出更多的能源使輸出電壓上升。輸出電壓充分恢復後,這次將縮短ON時間來停止輸出上升。

下方電路為取代概念圖之實際電路。開關S1以MOSFET置換,S2則被置換為蕭特基二極體(Schottky diode),被割愛之比較電路和控制電路亦有標示。此為代表性開關式降壓電路,亦稱為非同步或二極體整流式。

sr01_fig_36-37

降壓開關式穩壓器的運作

  1. 與基準電壓進行比較,檢查輸出電壓是否為設定電壓
  2. 低於設定電壓時,開關變為ON,功率從輸入供往輸出
  3. 此時,電感會蓄積磁能
  4. 若輸出電壓高於設定電壓,則開關OFF
  5. 電感所蓄積之磁能變為電流被供往輸出負載,再返回電感
  6. 電感之磁能消失,輸出電壓開始下降,開關再次為ON

實際電流及電壓之開關波形也有記載。S1為MOSFET之開關式電晶體,D1為蕭特基二極體,L1為電感,C1為輸出電壓,VIN為輸入電壓。

sr01_fig_35

在這裡己經復習式地說明了開關式穩壓器的基本運作。在進行實際評估時,除了檢查各各節點的電流或電壓波形等之外,亦有必要理解此種基本運作。

重點:

・開關穩壓器有AC/DC和DC/DC,其中亦有各種不同的變換方式。

・要選擇最佳設計方式,必須先理解各方式的優點和缺點。

・理解DC/DC變換係藉由開關方式以時間來分割輸出所必要之能源,然後耐其整流-平滑,再變換成DC。

・除非理解各節點之電流和電壓波形,否則無法評估。


開關調節器的特性及驗證方法