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DC/DC

開關穩壓器的基礎

前項中業已說明開關穩壓器可以進行等降壓、升壓、升降壓、反轉等變換,現在接著以最廣泛利用的降壓型開關穩壓器為例說明工作原理。

圖31是降壓DC/DC變換的概略電路,係藉由開關將DC電壓VIN做時間分割後以電感(inductor)和電容使其平滑化來變換成所希望的DC電壓。

圖31

圖31

圖32

圖32

DC/DC變換過程簡單來說,就是將DC暫時變換成AC使其平滑後再返回DC。舉PWM工作之例來説明,以S1=ON/S2=OFF將VIN供電時間設為25%、以S1=OFF/S2=ON將0V(GND)狀態設為75%的脈衝周期,當該脈衝平均化時將為25%的DC。若VIN為10V,則Vo將為25%的2.5V。若以面積來思考的話,想必就容易想像多了(參照圖33)。

圖33

圖33

實際的PWM由於被平均化的輸出負載電流會變動,故ON時間會一定程度一直依賴負載電流來上下移動電壓。如此一來便不會穩壓器,因此輸出下降時會增加ON時間,從輸出傳送更多的能源而使輸出電壓上升。輸出電壓充分回復的話,接著便會縮短ON時間來停止輸出上升。

開關式的情況則如所見,可以想成從輸入只拿取輸出所必要的功率。相對的,線性穩壓器由於不進行ON/OFF,因此呈現佔空比(Duty Cycle或Duty Ratio)100%,也就是始終保持輸入狀態。同樣的,若10V變為2.5V時,符合其中間7.5V差數的功率必須被做為熱能捨棄。而開關性穩壓器效率高的理由就在於此結構的不同。

重點:

・了解效率佳的原因在於開關(switching)DC電壓並且只將必要的功率傳送至輸出。

降壓型非同步(二極體)整流式開關穩壓器的電路和工作
圖34比圖31更加具體。此電路亦稱為非同步整流式或二極體整流式。S1為開關(通常為電晶體),S2雖然被置換成二極體但工作相同。紅色為S1於ON時之電流途徑,綠色為OFF時之途徑。

圖34

圖34

圖35各零件的電壓與電流波形。之前曾說明:「DC/DC轉換的行程,將DC先轉換成AC來平滑波形。」、這裡要說明「AC(交流:週期的振幅與正負變化)是怎麼轉換的?」、用電感的波形來看就知道AC電怎麼產生。

圖35

圖35

題外話,電感(inductor)的電流波形傾斜是因為電感電流之變化率與電壓成比例,故施加電壓時電流會以一定斜率増加的緣故。可以用V=L×(dI/dt)來表示。

圖36: 非同步整流降壓電路和開關ON時之具體電流途徑

圖36: 非同步整流降壓電路和開關ON時之具體電流途徑

圖37: 開關OFF時之電流途徑

圖37: 開關OFF時之電流途徑

圖38

圖38

圖35電路置換成實際電路後為圖36和37。開關S1以MOSFET置換,S2則被置換成蕭特基二極體(Schottky diode)。圖35亦顯示被割愛的比較電路和控制電路。想必有人早已察覺,此電路是在線性穩壓器工作原理中已説明的反饋控制電路。輸出電壓被引入内部的比較電路,與基準電壓做比較。在這裡雖然以比較電路來表現,不過與線性穩壓器的誤差放大器相同。線性穩壓器中誤差放大器的輸出會直接控制輸出電晶體後連續進行電路控制,而開關穩壓器中誤差放大器的輸出力則會被置換成開關(電晶體)ON/OFF時間(佔空比)的控制。

重點:

・須了解DC/DC變換係藉由將DC開關(以時間切分輸出所需能源)變成AC(電感電壓正負振幅)後整流-平滑,再變換成DC。

・從電流的流動來理解開關和電感的任務。必須了解各節點的波形才能除錯。


線性調節器和開關調節器的基本資料