線性電壓 IC 穩壓器開關電源

對於專用開關模式電源，線性穩壓器通常比由齊納二極管和電阻器、晶體管甚至運算放大器等分立元件製成的等效穩壓器電路更高效且更易於使用。

迄今為止，的線性和固定輸出電壓調節器類型是 78… 正輸出電壓係列和 79… 負輸出電壓係列。這兩種類型的互補電壓調節器產生且穩定的電壓輸出，範圍從大約 5 伏到大約 24 伏，用於許多電子電路。

有多種三端固定電壓調節器可供選擇，每種都有自己的內置電壓調節和電流限製電路。這使我們能夠創建一整套不同的電源軌和輸出，無論是單電源還是雙電源，適用於大多數電子電路和應用。

甚至還有可變電壓線性穩壓器，其輸出電壓可從略高於零到低於其電壓輸出幾伏的範圍內連續變化。

大多數直流電源都包含一個大而重的降壓電源變壓器、全波或半波二極管整流以及一個濾波器電路，用於消除整流直流中的任何紋波內容，以產生適當平滑的直流輸出電壓。

此外，某種形式的電壓調節器或穩定器電路（線性或開關）可用於確保在變化的負載條件下正確調節電源輸出電壓。那麼典型的直流電源將如下所示：

典型直流電源

直流電源

這些典型的電源設計包含一個大型電源變壓器（還提供輸入和輸出之間的隔離）和一個串聯穩壓器電路。穩壓器電路可由單個齊納二極管或三端線性串聯穩壓器組成，以產生所需的輸出電壓。線性穩壓器的優點是電源電路隻需要一個輸入電容、輸出電容和一些反饋電阻來設置輸出電壓。

線性穩壓器通過在輸入和輸出之間串聯放置一個連續導通的晶體管來產生穩定的直流輸出，該晶體管在其電流-電壓 (iv) 特性的線性區域（因此得名）運行。

因此，晶體管的作用更像是一個可變電阻，它不斷地將自身調整到維持正確輸出電壓所需的任何值。考慮下麵這個簡單的串聯傳輸晶體管穩壓器電路：

串聯晶體管穩壓電路

串聯穩壓電路

這裏，這個簡單的射極跟隨器調節器電路由單個 NPN 晶體管和用於設置所需輸出電壓的直流偏置電壓組成。由於射極跟隨器電路具有單位電壓增益，因此向晶體管基極施加合適的偏置電壓，從發射極端子獲得穩定的輸出。

由於晶體管提供電流增益，因此輸出負載電流將遠高於基極電流，如果使用達林頓晶體管布置，則輸出負載電流會更高。

此外，假設輸入電壓足夠高以獲得所需的輸出電壓，則輸出電壓由晶體管基極電壓控製，在本例中為 5.7 伏，以向負載產生約 0.7 伏的 5 伏輸出落在基極和發射極端子之間的晶體管上。然後根據基極電壓的值，可以獲得任意值的發射極輸出電壓。

雖然這個簡單的串聯穩壓器電路可以工作，但其缺點是串聯晶體管在其線性區域持續偏置，以熱量的形式耗散功率。由於所有負載電流必須通過串聯晶體管，這會導致效率低下、浪費 V*I 功率以及晶體管周圍持續發熱。

此外，串聯穩壓器的缺點之一是其連續輸出電流額定值僅限於幾安培左右，因此通常用於需要低功率輸出的應用中。

當需要更高的輸出電壓或電流功率需求時，通常的做法是使用通常稱為開關模式電源的開關調節器，將市電電壓轉換為所需的更高功率輸出。

開關模式電源（SMPS）正在變得越來越普遍，並且在大多數情況下已經取代了傳統的線性交流到直流電源，作為一種降低功耗、減少散熱以及尺寸和重量的方法。

開關模式電源現在可以在大多數個人電腦、功率放大器、電視、直流電機驅動器等以及任何需要高效電源的設備中找到，因為開關模式電源正日益成為一種更加成熟的技術。

根據定義，開關模式電源 (SMPS) 是一種使用半導體開關技術而不是標準線性方法來提供所需輸出電壓的電源。基本開關轉換器由功率開關級和控製電路組成。

功率開關級執行從電路輸入電壓V IN到輸出電壓V OUT的功率轉換，其中包括輸出濾波。

與標準線性穩壓器相比，開關模式電源的主要優點是效率更高，這是通過在“ON”狀態（飽和）和“OFF”狀態（飽和）之間內部切換晶體管（或功率 MOSFET）來實現的。截止），兩者都會產生較低的功耗。

這意味著當開關晶體管完全“導通”並傳導電流時，其兩端的電壓降處於值，而當晶體管完全“關斷”時，沒有電流流過它。因此晶體管的作用就像一個理想的開/關開關。

與僅提供降壓電壓調節的線性穩壓器不同，開關模式電源可以使用三種基本開關模式電路拓撲中的一種或多種來提供輸入電壓的降壓、升壓和負壓：降壓、升壓和降壓-促進。這些名稱指的是晶體管開關、電感器和平滑電容器在基本 SMPS 電路中如何連接在一起。

降壓開關模式電源

降壓開關穩壓器是一種開關模式電源電路，旨在有效地將直流電壓從較高電壓降低到較低電壓，即減去或“降壓”電源電壓，從而降低輸出端可用的電壓端子無需改變極性。換句話說，降壓開關調節器是降壓調節器電路，因此例如降壓轉換器可以將+12伏轉換為+5伏。

降壓開關穩壓器是一種直流-直流轉換器，也是簡單、的開關穩壓器類型之一。當在開關模式電源配置中使用時，降壓開關穩壓器使用串聯晶體管或功率 MOSFET（是絕緣柵雙極晶體管或 IGBT）作為其主要開關器件，如下所示。

降壓開關穩壓器

我們可以看到，降壓轉換器的基本電路配置是串聯晶體管開關TR 1以及相關的驅動電路（使輸出電壓盡可能接近所需水平）、二極管D 1、電感器L 1和平滑電容器C 1。降壓轉換器有兩種工作模式，具體取決於開關晶體管TR 1是“導通”還是“截止”。

當晶體管偏置為“ON”（開關閉合）時，二極管D 1變為反向偏置，輸入電壓V IN導致電流通過電感器流至輸出端連接的負載，為電容器C 1充電。

當變化的電流流過電感器線圈時，根據法拉第定律，它會產生反電動勢，該反電動勢與電流流動相反，直到達到穩定狀態，在電感器周圍產生磁場L 1。隻要TR 1關閉，這種情況就會無限期地持續下去。

當晶體管TR 1通過控製電路“關閉”（開關打開）時，輸入電壓立即與發射極電路斷開，導致電感器周圍的磁場崩潰，從而在電感器上產生反向電壓。

該反向電壓導致二極管變得正向偏置，因此電感器磁場中存儲的能量迫使電流繼續以相同方向流過負載，並通過二極管返回。

然後，電感器L 1將其存儲的能量返回到負載，充當電源並提供電流，直到所有電感器的能量返回到電路或直到晶體管開關再次閉合（以先到者為準）。同時電容器也放電，為負載提供電流。電感器和電容器的組合形成了 LC 濾波器，可以消除晶體管開關動作產生的任何紋波。

因此，當晶體管固態開關閉合時，電流由電源提供，而當晶體管開關打開時，電流由電感器提供。請注意，流經電感器的電流始終沿相同方向，直接來自電源或通過二極管，但顯然在開關周期內的不同時間。

由於晶體管開關連續閉合和打開，因此平均輸出電壓值將與占空比 D 相關，D被定義為晶體管開關在一個完整開關周期期間的導通時間。

如果V IN是電源電壓，並且晶體管開關的“ON”和“OFF”時間定義為：t ON和t OFF，則輸出電壓V OUT為：

降壓轉換器占空比

降壓轉換器的占空比也可以定義為：

降壓開關穩壓器占空比

因此，占空比越大，開關電源的平均直流輸出電壓就越高。由此我們還可以看出，由於占空比D永遠無法達到 1（單位），因此輸出電壓將始終低於輸入電壓，從而導致降壓穩壓器。

通過改變占空比來實現電壓調節，開關速度高達 200kHz，可以使用更小的元件，從而大大減小開關模式電源的尺寸和重量。

降壓轉換器的另一個優點是電感電容 (LC) 布置可以提供非常好的電感電流濾波。理想情況下，降壓轉換器應在連續開關模式下運行，以便電感器電流永遠不會降至零。如果采用理想的元件，即“導通”狀態下的壓降和開關損耗為零，理想的降壓轉換器的效率可高達 100%。

除了用於開關模式電源基本設計的降壓開關穩壓器之外，基本開關穩壓器還有另一種操作方式，即升壓穩壓器，稱為升壓轉換器。

升壓開關模式電源

升壓開關穩壓器是另一種類型的開關模式電源電路。它具有與之前的降壓轉換器相同類型的組件，但這次位於不同的位置。升壓轉換器旨在將直流電壓從較低電壓增加到較高電壓，也就是說，它也添加或“升壓”電源電壓，從而在不改變極性的情況下增加輸出端子處的可用電壓。換句話說，升壓開關調節器是升壓調節器電路，因此例如升壓轉換器可以將+5伏轉換為+12伏。

我們之前看到，降壓開關穩壓器在其基本設計中使用了串聯開關晶體管。與升壓開關穩壓器設計的不同之處在於，它使用並聯的開關晶體管來控製開關電源的輸出電壓。

由於晶體管開關有效地與輸出並聯連接，因此當晶體管偏置為“OFF”（開關打開）時，電能僅通過電感器到達負載，如圖所示。

開關電源 開關穩壓器

在升壓轉換器電路中，當晶體管開關完全導通時，來自電源V IN 的電能經過電感器和晶體管開關並返回電源。結果，由於飽和晶體管開關有效地對輸出產生了短路，因此它們都不會傳遞到輸出。

這增加了流過電感器的電流，因為它具有更短的返回電源的內部路徑。同時，二極管D 1變得反向偏置，因為其陽極通過晶體管開關接地，並且當電容器開始通過負載放電時，輸出上的電壓電平保持相當恒定。

當晶體管完全關閉時，輸入電源現在通過串聯的電感器和二極管連接到輸出。隨著電感器磁場減小，存儲在電感器中的感應能量通過V IN通過現在正向偏置的二極管推至輸出。

所有這些的結果是，電感器L 1兩端的感應電壓反轉並添加到輸入電源的電壓上，從而增加了總輸出電壓，現在變為V IN + V L。

來自平滑電容器C 1 的電流（用於在晶體管開關閉合時為負載供電）現在由輸入電源通過二極管返回至電容器。那麼提供給電容器的電流就是二極管電流，由於晶體管的開關動作，二極管不斷地在正向和反向狀態之間切換，因此該電流將始終處於“ON”或“OFF”狀態。那麼平滑電容器必須足夠大，以產生平滑穩定的輸出。

由於電感器L 1兩端的感應電壓為負，因此它會增加源電壓V IN ，迫使電感器電流流入負載。升壓轉換器的穩態輸出電壓由下式給出：

開關模式電源升壓轉換器電壓輸出

與之前的降壓轉換器一樣，升壓轉換器的輸出電壓取決於輸入電壓和占空比。因此，通過控製占空比，實現輸出調節。而且該方程與電感器、負載電流和輸出電容器的值無關。

我們在上麵已經看到，非隔離開關模式電源電路的基本操作可以使用降壓轉換器或升壓轉換器配置，具體取決於我們是否需要降壓（降壓）或升壓（升壓）輸出電壓。雖然降壓轉換器可能是更常見的 SMPS 開關配置，但升壓轉換器通常用於電容電路應用，例如電池充電器、閃光燈、閃光燈等，因為電容器在開關閉合時提供所有負載電流。

但我們也可以將這兩種基本開關拓撲組合成一個非隔離開關穩壓器電路，毫不奇怪地稱為降壓-升壓轉換器。

降壓-升壓開關穩壓器

降壓-升壓開關穩壓器是降壓轉換器和升壓轉換器的組合，可產生反相（負）輸出電壓，該電壓可以根據占空比大於或小於輸入電壓。降壓-升壓轉換器是升壓轉換器電路的一種變體，其中反相轉換器僅將電感器L 1存儲的能量傳送到負載中。下麵給出了基本的降壓-升壓開關模式電源電路。

當晶體管開關TR 1完全導通（閉合）時，電感器兩端的電壓等於電源電壓，因此電感器存儲來自輸入電源的能量。由於二極管D 1反向偏置，因此沒有電流傳輸至輸出端連接的負載。當晶體管開關完全關斷（開路）時，二極管變為正向偏置，之前存儲在電感器中的能量將轉移到負載。

換句話說，當開關處於“ON”狀態時，能量由直流電源（通過開關）輸送到電感器中，並且不會傳遞到輸出，而當開關處於“OFF”狀態時，電感器兩端的電壓反轉為電感器現在成為能量源，因此先前存儲在電感器中的能量被切換到輸出（通過二極管），並且沒有任何能量直接來自輸入直流源。因此，當開關晶體管“關斷”時，負載兩端的電壓降等於電感器電壓。

結果是，基於占空比，反相輸出電壓的幅度可以大於或小於（或等於）輸入電壓的幅度。例如，正負降壓-升壓轉換器可以將 5V 轉換為 12V（升壓）或 12V 轉換為 5V（降壓）。

降壓-升壓開關穩壓器的穩態輸出電壓V OUT如下所示：

開關模式電源降壓升壓轉換器電壓輸出

然後，降壓-升壓穩壓器因其產生的輸出電壓而得名，該輸出電壓的幅度可以高於輸入電壓（如升壓功率級）或低於輸入電壓（如降壓功率級）。然而，輸出電壓的極性與輸入電壓相反。

開關模式電源總結

現代開關模式電源（SMPS）使用固態開關將未穩壓的直流輸入電壓轉換為不同電壓電平的穩壓且平滑的直流輸出電壓。輸入電源可以是來自電池或太陽能電池板的真實直流電壓，也可以是來自使用二極管電橋和一些附加電容濾波的交流電源的整流直流電壓。

在許多功率控製應用中，功率晶體管（MOSFET 或 IGFET）在其開關模式下運行，即高速重複“導通”和“截止”。這樣做的主要優點是，穩壓器的電源效率可以相當高，因為晶體管要麼完全導通（飽和），要麼完全截止（截止）。

有多種類型的 DC-DC 轉換器（與作為逆變器的 DC-AC 轉換器相反）配置可用，此處介紹的三種基本開關電源拓撲是降壓、升壓和降壓-升壓開關穩壓器。所有這三種拓撲都是非隔離的，即它們的輸入和輸出電壓共享公共地線。

每種開關穩壓器設計在穩態占空比、輸入和輸出電流之間的關係以及固態開關動作產生的輸出電壓紋波方麵都有其獨特的特性。這些開關模式電源拓撲的另一個重要特性是開關動作對輸出電壓的頻率響應。

輸出電壓的調節是通過開關晶體管處於“ON”狀態的時間與總 ON/OFF 時間相比的百分比控製來實現的。該比率稱為占空比，通過改變占空比 ( D)可以控製輸出電壓V OUT的幅度。

在開關模式電源設計中，使用單個電感器和二極管以及能夠在千赫茲範圍內的開關頻率下運行的快速開關固態開關，可以大大減小電源的尺寸和重量。

這是因為他們的設計中不會有又大又重的降壓（或升壓）電源變壓器。然而，如果輸入和輸出端子之間需要電氣隔離，則必須在轉換器之前包括變壓器。

兩種的非隔離開關配置是降壓（減法）和升壓（加法）轉換器。

降壓轉換器是一種開關模式電源，旨在將電能從一個電壓轉換為較低電壓。降壓轉換器通過串聯的開關晶體管運行。由於占空比D < 1，降壓器的輸出電壓始終小於輸入電壓V IN。

升壓轉換器是一種開關模式電源，旨在將電能從一個電壓轉換為更高的電壓。升壓轉換器與並聯開關晶體管一起工作，從而通過電感器L 1和二極管D 1在V IN和V OUT之間形成直流路徑。這意味著輸出沒有短路保護。

通過改變升壓轉換器的占空比 ( D )，可以控製輸出電壓，並且當D < 1時，由於電感器自感電壓，升壓轉換器的 DC 輸出大於輸入電壓V IN。

此外，開關電源中的輸出平滑電容器被假定為非常大，這導致在晶體管開關動作期間開關電源具有恒定的輸出電壓。

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