本教程概述了電池供電設(shè)備的穩(wěn)壓器拓?fù)洹Ｓ懻搩?nèi)容涵蓋線性穩(wěn)壓器、電荷泵、降壓和升壓穩(wěn)壓器、逆變器和反激式設(shè)計(jì)。解釋了峰值電流的重要性，并顯示了每種拓?fù)涞脑韴D。

介紹

電源可能是電池供電系統(tǒng)中最關(guān)鍵的元件。了解一些基本的穩(wěn)壓器拓?fù)鋵⒂兄谀x擇和設(shè)計(jì)適合您需求的電源配置。本教程概述了電池供電設(shè)備的穩(wěn)壓器拓?fù)?。討論?nèi)容涵蓋線性穩(wěn)壓器、電荷泵、降壓和升壓穩(wěn)壓器、逆變器和反激式設(shè)計(jì)。解釋了峰值電流的重要性，并顯示了每種拓?fù)涞脑韴D。

穩(wěn)壓器拓?fù)涓攀?/p>

臺式計(jì)算機(jī)、筆記本電腦、上網(wǎng)本、智能手機(jī)、PDA 和許多其他消費(fèi)電子設(shè)備通常需要多個電源。這些設(shè)備可能需要一個 AC/DC 適配器、一個電池充電器、一個用于背光的高壓 DC/AC 轉(zhuǎn)換器，以及用于激光器、蜂窩無線電發(fā)射器和輔助設(shè)備的其他電源。表1顯示了七種最常見的穩(wěn)壓器拓?fù)洌瑥淖詈唵蔚模ň€性穩(wěn)壓器）開始，逐步發(fā)展到更專業(yè)的類型（如反激式穩(wěn)壓器）。該表還列出了每種拓?fù)涞膬?yōu)缺點(diǎn)。

在基本開關(guān)穩(wěn)壓器布局中交換元件會改變電路拓?fù)?，以?chuàng)建升壓（升壓）、降壓（降壓）或反相輸入電壓的穩(wěn)壓器。用變壓器代替電感器會產(chǎn)生至少兩個穩(wěn)壓器電路或輔助輸出電壓。

	優(yōu)點(diǎn)	缺點(diǎn)
線性穩(wěn)壓器	? 價格 低廉 ? 非常小 ? 靜態(tài)電流低（IQ) ? 低噪聲/電磁干擾	? V外必須小于 V在 ? 在高輸入電壓和/或大負(fù)載下效率低下
電荷泵	? 價格 便宜 ? 非常小 ? 可以升壓或反轉(zhuǎn)	? 輸出功率 有限 ? 輸入/輸出電壓比范圍有限
降壓（降壓）	? 所有開關(guān)穩(wěn)壓器配置 中峰值電流最低 ? 只有一個開關(guān)壓降 ? 輸出濾波電容器中的低紋波電流 ? 簡單的電感器 ? 低開關(guān)應(yīng)力電壓	? V外必須小于 V在 ? 高邊開關(guān)
升壓（升壓）	? 低峰值電流 ? 低邊開關(guān) ? 簡單電感器 ? 低開關(guān) 應(yīng)力電壓	? V外必須大于 V在 ? 輸出不能完全關(guān)閉 ? 無短路保護(hù)
逆變器	? 簡單電感器	? 僅 負(fù)輸出 ? 高邊開關(guān) ? 高峰值電流
反 激 式	? 隔離輸出 ? 多路輸出 ? 升壓/降壓、反相 ? 低邊開關(guān)	? 變壓器代替電感器 ? 高峰值電流 ? 高開關(guān)應(yīng)力電壓

表1省略了諧振模式穩(wěn)壓器等復(fù)雜拓?fù)?，因?yàn)樗鼈兊?a href="http://ttokpm.com/soft/data/4-10/" target="_blank">控制電路對于小型電池供電系統(tǒng)消耗過多的功率。這些系統(tǒng)的規(guī)則很簡單：電路越簡單越好。簡單的電路沒有磁性元件、簡單的電感器或 1：1 變壓器?，F(xiàn)成的磁性元件簡化了組裝并最大限度地降低了成本。其他拓?fù)淇梢詮谋?1 中的基本拓?fù)渑缮鰜怼＿@包括結(jié)合了降壓和升壓拓?fù)涞腃uk轉(zhuǎn)換器，以及將降壓轉(zhuǎn)換器與半個推挽式轉(zhuǎn)換器相結(jié)合的正激式轉(zhuǎn)換器。但是，本教程不會詳細(xì)討論這些拓?fù)洹?/p>

線性穩(wěn)壓器

線性穩(wěn)壓器是最簡單、最便宜的電源電路，但這種易用性通常是有代價的。如表1所示，線性穩(wěn)壓器包括一個反饋網(wǎng)絡(luò)，用于監(jiān)控輸出電壓并通過控制內(nèi)部調(diào)整晶體管（BJT或FET）來調(diào)節(jié)輸出電壓。當(dāng)輸入電壓大大超過輸出電壓時，該調(diào)整管在高負(fù)載下耗散大量能量（以熱量形式）。這導(dǎo)致效率低于同類開關(guān)穩(wěn)壓器。

當(dāng)與開關(guān)穩(wěn)壓器結(jié)合使用時，線性穩(wěn)壓器在產(chǎn)生多個電壓時特別有用。開關(guān)穩(wěn)壓器可以提升低電池電壓。但是，設(shè)計(jì)人員可以使用線性穩(wěn)壓器，而不是在小電路板上集成多個開關(guān)穩(wěn)壓器，以實(shí)現(xiàn)其低壓差，從而為下游電路產(chǎn)生電壓。

在電池供電系統(tǒng)中使用線性穩(wěn)壓器時，必須考慮靜態(tài)電流（典型值和滿負(fù)載時）、壓差、熱特性和關(guān)斷能力。表2簡要比較了部分可用的Maxim穩(wěn)壓器。

表 2.線性穩(wěn)壓器比較

參見Maxim的應(yīng)用筆記751：“便攜式應(yīng)用中的線性穩(wěn)壓器”，詳細(xì)討論在電池供電電路中使用線性穩(wěn)壓器。

電荷泵

電荷泵使用電容器而不是電感開關(guān)電路來產(chǎn)生高于或低于輸入電壓的輸出電壓。穩(wěn)壓電荷泵還可以反相輸入電壓。

通常，可以從電荷泵汲取的負(fù)載電流限制在幾十毫安。非穩(wěn)壓電荷泵的輸出電壓取決于輸入電壓，并隨著輸出負(fù)載的增加而成比例下降。穩(wěn)壓電荷泵不依賴于輸入電壓來設(shè)置輸出電壓，并且由于它們是穩(wěn)壓的，輸出電壓在整個負(fù)載范圍內(nèi)保持恒定。一些電荷泵能夠處理高達(dá)125mA的電流（如MAX1595），少數(shù)電荷泵能夠驅(qū)動高達(dá)250mA的負(fù)載（MAX682）。

電荷泵在對連接到器件的電容器進(jìn)行充電和放電時會產(chǎn)生噪聲。由于輕負(fù)載限制和缺少電感，這種噪聲的幅度通常小于同類開關(guān)穩(wěn)壓器。

開關(guān)穩(wěn)壓器

開關(guān)模式穩(wěn)壓器比線性穩(wěn)壓器更高效、更通用;但是，它們也明顯更復(fù)雜。影響開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)溥x擇的參數(shù)包括負(fù)載和電感的峰值電流、功率晶體管上的電壓電平以及磁性和電容式儲能的必要性。

開關(guān)模式穩(wěn)壓器有兩種基本工作模式：不連續(xù)導(dǎo)通和連續(xù)導(dǎo)通。不連續(xù)導(dǎo)通允許電感電流在每個關(guān)斷期間衰減至零，這導(dǎo)致存儲的能量在每個開關(guān)周期內(nèi)傳輸?shù)捷敵?a href="http://ttokpm.com/tags/濾波器/" target="_blank">濾波器。在連續(xù)導(dǎo)通模式下，電感電流包括與負(fù)載成比例的直流分量。在連續(xù)導(dǎo)通模式下工作可降低峰值電感電流與直流負(fù)載電流的比值。這反過來又降低了峰峰值紋波電流并降低了磁芯損耗。

峰值電流至關(guān)重要

在電池供電的轉(zhuǎn)換器中，峰值電感電流很重要，因?yàn)樗苯佑绊戨姵貕勖图纳鷵p耗。它部分取決于平均負(fù)載電流，該電流隨穩(wěn)壓器拓?fù)洹⒖刂齐娐芬约半姼须娏魇欠襁B續(xù)而變化。升壓、降壓和逆變穩(wěn)壓器的峰值電感電流示例公式如表3所示。

表 3.峰值電感電流方程示例

配置	裝置	峰值電感電流 （A）
降壓/降壓	MAX8566
升壓/升壓	MAX15059
逆變器	MAX1846

*LIR是最小占空比下電感紋波電流與平均連續(xù)電流的比值。周期。建議在 20% 到 40% 范圍內(nèi)選擇 LIR 以實(shí)現(xiàn)最高的性能和穩(wěn)定性。
**TS是器件的切換周期，η是效率。
***D.MAX是最大占空比。

開關(guān)晶體管上的電壓應(yīng)力在電池供電的轉(zhuǎn)換器中通常不是問題。標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平 MOSFET 的 20V 和 50V 擊穿電壓額定值足以滿足電池供電系統(tǒng)中的低輸入和輸出電壓。

耗散損耗發(fā)生在穩(wěn)壓電路的寄生電阻元件中。這些損耗包括電池的串聯(lián)電阻;濾波電容器的等效串聯(lián)電阻 （ESR）;開關(guān)元件的導(dǎo)通電阻;以及導(dǎo)體、連接器和接線中的電阻。耗散損耗與峰值電流的平方成正比，因此降低峰值電流可以極大地降低這些損耗。此外，內(nèi)部加熱會降低電池的化學(xué)成分;因此，過大的峰值電流會縮短電池壽命。

其他拓?fù)?/p>

降壓穩(wěn)壓器是大多數(shù)電池供電應(yīng)用的最佳選擇，前提是您能夠承受產(chǎn)生高于輸出電壓的電池電壓所需的幾節(jié)電池。電感電流在開關(guān)周期的兩個階段流向負(fù)載，因此平均輸出電流等于平均電感電流。理論上，當(dāng)輸入電壓較低時，效率最高，這意味著串聯(lián)的電池更少。假設(shè)開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)壓降遠(yuǎn)小于輸入電壓，則低輸入電壓可降低交流開關(guān)損耗和RMS輸入電流。

升壓或升壓拓?fù)洚a(chǎn)生的輸出電壓大于輸入電壓。這些拓?fù)溥m合電池?cái)?shù)量有限的系統(tǒng)。由于源電壓和電感串聯(lián)，因此平均電感電流等于直流輸入電流，下式給出：

I = P在/V在.

有時稱為降壓-升壓電路，逆變器拓?fù)洚a(chǎn)生的輸出電壓與輸入電壓的極性相反。在考慮峰值電流和電壓應(yīng)力時，反相和反激式穩(wěn)壓器在電上是等效的。這些拓?fù)渥钸m合需要負(fù)極或鍍鋅隔離輸出的應(yīng)用。然而，一般而言，高峰值電流使得反相和反激式拓?fù)涑蔀楹唵畏€(wěn)壓器中最不吸引人的。

反相和升壓拓?fù)涞?a target="_blank">工作原理類似，但逆變器的整流電感電流會產(chǎn)生負(fù)輸出電壓，而源電壓則無法輔助該電壓。反相穩(wěn)壓器的開關(guān)元件會經(jīng)歷較大的電壓擺幅，從而對晶體管施加高開關(guān)損耗和應(yīng)力。此外，反相和反激式穩(wěn)壓器具有輸入和輸出濾波電容，必須吸收具有大而尖銳轉(zhuǎn)換的電流波形。升壓穩(wěn)壓器的輸入電容或降壓穩(wěn)壓器的輸出電容上沒有快速移動的波形邊沿。

倒置拓?fù)渚哂械瓦呴_關(guān)

您可以通過將經(jīng)典降壓、升壓和反相拓?fù)涞怪眠B接來實(shí)現(xiàn)三種負(fù)拓?fù)?。由于輸入源是反相的，因此開關(guān)和整流器的極性必須反轉(zhuǎn)（圖1）。雖然目前沒有可用于負(fù)拓?fù)涞?a target="_blank">IC，但您可以使用正輸出IC。負(fù)降壓穩(wěn)壓器具有正降壓穩(wěn)壓器的所有優(yōu)點(diǎn)，以及低側(cè)開關(guān)的額外優(yōu)勢。低邊開關(guān)布置使用低R。上n溝道MOSFET，具有簡單的驅(qū)動要求。負(fù)降壓穩(wěn)壓器作為主正穩(wěn)壓器的替代品具有一定的吸引力，只要電池可以相對于系統(tǒng)接地浮動即可。如果電池可以浮動，則可以將接地參考負(fù)輸出，將電池的正極端子參考為 V外.

圖1.可以反轉(zhuǎn)輸入源以創(chuàng)建三個拓?fù)?。?fù)降壓穩(wěn)壓器 （a） 的輸出電壓小于輸入。負(fù)升壓穩(wěn)壓器 （b） 的負(fù)輸出大于輸入。負(fù)反相穩(wěn)壓器（c）將負(fù)電壓轉(zhuǎn)換為正電壓。

通常，構(gòu)建多個獨(dú)立電源是在電池供電系統(tǒng)中設(shè)計(jì)多個輸出的最佳方式。使用簡單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，您可以使用現(xiàn)成的變壓器或電荷泵抽頭產(chǎn)生剩余的輸出。

耦合電感電路（圖 2）為基本的降壓、升壓和反相拓?fù)湓黾恿艘粋€額外的反激繞組。這些混合電路非常重要，因?yàn)樗鼈兘Y(jié)合了反激式電路的優(yōu)點(diǎn)（隔離和廉價的多路輸出）與降壓和升壓電路的優(yōu)點(diǎn)（開關(guān)上的低峰值電流和低壓應(yīng)力）。耦合電感電路將反激式電路所需的繞組數(shù)量減少了一個。這種減少允許使用廉價的1：1變壓器來產(chǎn)生雙輸出電壓。

圖2.在基本 （a） 降壓、（b） 升壓和 （c） 逆變器配置中，您可以使用反激式變壓器而不是電感器來創(chuàng)建輔助輸出。

帶反激式繞組的降壓穩(wěn)壓器是許多電池供電應(yīng)用的高性能拓?fù)?。該配置具有出色的穩(wěn)定性、低峰值電流和低輸出紋波。次級繞組的輸出功率取決于主輸出的負(fù)載電流和初級繞組的差分電壓。這兩個參數(shù)決定了觸發(fā)反激機(jī)制的磁芯磁通量的變化。

通常，可用的總次級功率等于或小于主輸出功率的一半。本指南僅適用于高輸入電壓。對于低于輸出電壓一倍半的輸入電壓，應(yīng)降低次級功率的估計(jì)值。該規(guī)則也不適用于包含同步整流器而不是簡單二極管的電路。同步整流器在初級電流反轉(zhuǎn)時有很短的時間，這會導(dǎo)致電路表現(xiàn)為正激式轉(zhuǎn)換器而不是反激式轉(zhuǎn)換器。為了在這種正向?qū)Ｊ较掠行У貍鬏敼β?，必須將漏感降至最低，降低繞組和整流器阻抗，并使次級輸出的濾波電容盡可能小于紋波電壓允許的范圍。

二極管電容電荷泵提供了另一種產(chǎn)生多個輸出電壓的廉價方法。任何具有重復(fù)脈沖的節(jié)點(diǎn)都可以驅(qū)動二極管電容網(wǎng)絡(luò)。柵極驅(qū)動器輸出或開關(guān)穩(wěn)壓器的主開關(guān)節(jié)點(diǎn)是一個不錯的選擇。例如，當(dāng)開關(guān)節(jié)點(diǎn)為高電平時，升壓穩(wěn)壓器可以通過接地二極管為跨接電容充電（圖 3a）。打開升壓晶體管會迫使開關(guān)節(jié)點(diǎn)和跨接電容的正電壓端為0V。當(dāng)升壓晶體管導(dǎo)通時，跨接電容通過放電到輔助輸出電容中產(chǎn)生負(fù)電壓。

圖3.電荷泵抽頭提供了一種實(shí)現(xiàn)輔助輸出電壓的廉價方法。使用跨接電容（a）分接升壓電路會產(chǎn)生負(fù)電荷泵。在升壓電路（b）的輸出端放置倍壓器可產(chǎn)生高壓輔助輸出。

二極管電容電荷泵與升壓開關(guān)穩(wěn)壓器配合使用效果最佳，因?yàn)殚_關(guān)節(jié)點(diǎn)在明確定義的電壓V之間擺動外，和地面。因此，線路調(diào)節(jié)良好。但是，當(dāng)您分接降壓或反相穩(wěn)壓器的開關(guān)節(jié)點(diǎn)時，調(diào)節(jié)效果不佳，因?yàn)楦邏篤。在，隨電池電壓而變化。負(fù)載調(diào)整率主要取決于二極管的正向壓降。在輸出為運(yùn)算放大器或FET柵極驅(qū)動器供電的超低功耗應(yīng)用（20mA或更低）中，可以使用廉價的1N4148二極管和1mF電容構(gòu)建電荷泵。

審核編輯：郭婷