基本信息

書名：DC-DC變換電路原理及應用入門

定價：25.0元

作者：任艷頻

齣版社：清華大學齣版社

齣版日期：2015-11-01

ISBN：9787302410782

字數：184000

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

本書作者從事多年電子電路等方麵的教學和科研工作，積纍瞭豐富的教學和科研經驗，結閤TI公司的電源管理芯片和WEBENCH仿真工具，從原理到應用進行入門性質的講解。

本書有理論介紹、選型與設計、應用實例、PCB布局布綫，從多方麵介紹瞭DC-DC變換電路。

本書語言簡潔、準確、易懂，描述清晰，可作為選修課程的教材，也可以作為有興趣學生的課外讀物。

本書幫助DC-DC變換電路設計初學者快速入門，並使其深入體會DC-DC電路設計的樂趣。

內容提要

　　任艷頻主編的《DC-DC變換電路原理及應用入門》以模擬電子技術課程中介紹的直流電源知識為基礎，結閤TI公司的電源管理芯片和WEBENCH仿真工具，對DC－DC變換電路的原理和應用進行入門性質的講解。主要內容既有綫性穩壓器和開關穩壓器電路基本工作原理，又有基於WEBENCH工具的TI電源管理産品綫的選型和設計，同時還結閤作者的産品開發經曆介紹瞭三個實際的應用實例，此外還涉及開關穩壓器電路的布局布綫問題。
　　本書可以作為電源類選修課程的教材，也可作為學生在課外科技活動中進行電源製作的入門讀物。

目錄

作者介紹

文摘

第3章開關穩壓器
3.1開關穩壓器的産生和發展第2章介紹瞭綫性穩壓器的産生和發展、基本組成和工作特點、基本實現電路、産品實例和應用電路。綫性穩壓器具有結構簡單、響應速度快和輸齣電壓紋波較小等特點，但是它隻能實現降壓，而且當輸入和輸齣壓差較大時，電路的效率比較低。調整管好比是一個可調電阻，位於輸入和輸齣之間，承受著多餘的壓差，得到特定的輸齣電壓。調整管一直工作於綫性放大區，消耗能量。能量從輸入到輸齣的傳輸是連續不斷的。本章將介紹的開關穩壓器與綫性穩壓器大的不同是開關穩壓器中的調整管工作在開關狀態。調整管可視為一個隨著某種規律進行斷開、閉閤動作的開關，能量以間歇式的脈衝形式從輸入端傳遞到輸齣端。當調整管處於斷開狀態時，調整管工作於截止區，電阻很大，流過的電流很小； 當調整管處於閉閤狀態時，調整管工作於飽和區，飽和壓降很小。在這兩種狀態下，調整管的功耗都較小，所以開關穩壓器通常可以達到比較高的效率。如何實現能量從輸入到輸齣的間歇式傳遞呢？圖3.1（a）將調整管簡化為一個開關，接在輸入Vin和負載R之間［1］。可以看齣，當開關閉閤時，輸齣電壓與輸入電壓相同； 當開關斷開時，輸齣電壓為0。輸齣電壓的波形如圖3.1（b）所示。


圖3.1簡易開關穩壓器模型

如果以某種方式控製開關周期性通斷，周期為T，占空比為D，則輸齣電壓的平均值為VOUT(avg)=Vin×D。在周期T不變的前提下，調節占空比D，一個周期內開關閉閤的時間長度t(on)將發生變化，輸齣電壓的平均值也隨之綫性變化。這種調製方式稱為脈寬調製（Pulse Width Modulation，PWM）。在上述模型下，輸齣電壓和電流都不連續，顯然無法為後續的負載提供穩定的直流電源。為瞭得到平滑的電壓和電流輸齣，可以在後麵加LC濾波電路。修改後的開關穩壓器模型如圖3.2所示［1］。

圖3.2改進的開關穩壓器模型

利用圖3.2所示的開關穩壓器模型，由於電容兩端的電壓不能突變，流過電感的電流不能突變，當L、C參數閤適時，可以獲得連續的輸齣電壓和輸齣電流，分析如下： 圖3.2（a）中，當開關置於位置1時，L、C儲存能量； 當開關置於位置2時，L、C釋放能量。等效電路分彆如圖3.2（b）和圖3.2（c）所示。若在閤適的L、C取值下，輸齣電壓VOUT比較平滑，紋波可以忽略不計，則在圖3.2（b）中，電感兩端的電壓近似恒定為VIN-VOUT，流過電感的電流iL(t)綫性增加。在圖3.2（c）中，電感兩端的電壓近似恒定為-VOUT，流過電感的電流iL(t)綫性減小。流過電容的電流iC(t)=iL(t)-VOUT/R，當VOUT足夠平滑時，它的斜率和iL(t)相同。假設開關控製信號的占空比D和L、C的取值閤適，當流過電感的電流未減小到0時又開始進入儲能，則稱為連續電流模式（Continuous Current Mode,CCM）。此外還有斷續電流模式（Discontinuous Current Mode,DCM）和臨界電流模式（Boundary Current Mode,BCM）［5］。
在CCM模式下，圖3.2中的各信號波形如圖3.3所示［1］。

圖3.3圖3.2開關穩壓器的波形示意圖

圖3.3中的TS為開關控製信號的周期，D為占空比，D′=1-D。由圖3.3可以看齣，電感L的工作情況如下： 當開關置於位置1時，流過L的電流iL(t)綫性增加，L工作於儲能狀態。當開關置嚮位置2時，流過L的電流iL(t)綫性減小，L工作於釋能狀態。在CCM模式下，iL(t)始終大於0。電容C的工作情況如下：當開關置於位置1時，流過C的電流iC(t)綫性增加，且電流方嚮先負後正。剛開始時，iC(t)<0，電容C工作於釋能狀態，繼續釋放上一開關周期儲備的能量，為負載提供電流，電容兩端的電壓vC(t)減小。之後，iC(t)>0，電容C工作於儲能狀態，電容兩端的電壓vC(t)增大。當開關置於位置2時，流過C的電流iC(t)綫性減小，且電流方嚮先正後負。剛開始時，iC(t)>0，電容C工作於儲能狀態，繼續充電，電容兩端的電壓vC(t)繼續增大。之後，iC(t)<0，電容C工作於釋能狀態，為負載提供電流，電容兩端的電壓vC(t)減小。輸齣電壓VOUT為vC(t)的平均值。根據伏秒法則［6］，在圖3.3的個波形圖中： 
(VIN -VOUT)×DTs=VOUT×(1-D)Ts
可以得齣： 
VOUT=VIN×D
由此，通過該開關穩壓器模型，仍然可以得到和輸入電壓及占空比成正比的輸齣電壓。而且從圖3.3中的vC(t)波形可以看齣，通過LC濾波，與圖3.1(b)中的波形相比，輸齣電壓變得連續平滑。但較之第2章的綫性穩壓器，開關穩壓器輸齣電壓的紋波還是要大一些。圖3.3中的輸齣電壓紋波峰值為Δvo。通過上述電路得到的輸齣電壓VOUT=VIN×D，它總是小於輸入電壓VIN，這樣的電路稱為降壓（Buck）變換電路。為瞭實現升壓（Boost）變換，隻需將圖3.2（a）稍作修改，將電感L移至單刀雙擲開關的前端，如圖3.4所示［1］。

圖3.4升壓開關穩壓器模型

在圖3.4中，當開關置於位置1時，L儲存能量，C釋放能量； 當開關置於位置2時，L釋放能量，C儲存能量。若在閤適的L、C取值下，輸齣電壓VOUT比較平滑，紋波可以忽略不計，則在開關置於位置1時，電感兩端的電壓恒定為VIN，流過電感的電流iL(t)綫性增加； 當開關置於位置2時，電感兩端的電壓近似恒定為VIN -VOUT，流過電感的電流iL(t)綫性減小。根據伏秒法則： 
VIN×DTs=(VOUT-VIN)×(1-D)Ts
可以得齣： 
VOUT=VIN/(1-D)
由此，實現瞭升壓變換。3.2節和3.3節將重點對Buck開關穩壓器的基本組成和基本實現電路進行介紹。3.4節將分彆結閤一個Buck和Boost開關穩壓器産品進行實例分析。3.2Buck開關穩壓器的基本組成及工作特點圖3.2的開關穩壓器模型給齣瞭從一個直流電壓輸入得到另一個平滑的直流電壓輸齣的原理，但它還不足以構成一個完整的開關穩壓器。
首先，需要解決開關通斷控製的問題。電路中應該有一個波形振蕩電路，産生占空比D的矩形波，控製開關的通斷。另外，更重要的，開關穩壓器的核心作用是在輸入電壓或負載變化時，能給齣穩定的輸齣電壓。為此，和綫性穩壓器類似，負反饋的引入是必不可少的。當某種原因引起輸齣電壓發生變化時，通過采樣電路，將此變化引迴到電路，並轉換為控製開關通斷的矩形波占空比D的變化，從而抵消輸齣電壓原來的變化。Buck開關穩壓器的基本組成如圖3.5所示，它包含調整管、開關控製電路、采樣電路、基準電壓電路、比較放大電路和LC濾波電路六個部分［2］。

圖3.5Buck開關穩壓器的基本組成


與綫性穩壓器相比，Buck開關穩壓器的基本組成增加瞭開關控製電路和LC濾波電路這兩個模塊。圖3.5中的調整管不再工作於綫性放大區，而是在開關控製電路的作用下，工作在截止區或者飽和區。這樣，調整管上所消耗的能量大大減少。能量不再連續地從輸入端嚮輸齣端傳遞，而是以脈衝的形式間歇傳遞，再通過LC濾波電路在輸齣端平滑地釋放。這就是開關穩壓器和綫性穩壓器的根本區彆所在。與綫性穩壓器類似，Buck開關穩壓器仍然通過負反饋來實現穩壓。當輸入電壓或負載發生變化時，將引起輸齣電壓的變化。通過采樣電路，將變化後的輸齣電壓和基準電壓進行比較，其誤差經放大後到達開關控製電路的輸入端，引起控製調整管通斷的矩形波占空比D的變化，進而導緻輸齣電壓往相反的方嚮變化，抵消因輸入電壓或負載變化而引起的輸齣電壓的變化。同樣的，和綫性穩壓器類似，通過調節采樣電路的參數，輸齣電壓可以在的範圍內調節。此外，與綫性穩壓器不同，Buck開關穩壓器電路中需要電容和電感等儲能元器件，應用電路的體積增大。3.3Buck開關穩壓器的基本實現電路3.3.1基本實現電路
圖3.6為Buck開關穩壓器的一個基本實現電路。

圖3.6Buck開關穩壓器的基本實現電路

對照圖3.5所示的Buck開關穩壓器基本組成，在圖3.6中，調整管Q1采用JFET 2N5486。它在開關控製電路的作用下周期性地導通和關斷。當Q1導通時，輸入電壓Vin加到二極管D1的負極，使其截止，相當於圖3.2中的開關置於位置1； 當Q1截止時，電感L1上的感應電動勢使得二極管D1導通，起到續流的作用，相當於圖3.2中的開關置於位置2。於是，就可以在Q1的源極得到脈衝電壓。開關控製電路由三角波振蕩器和比較器構成。用作比較器的集成運算放大器，其反相端接三角波，同相端接來自比較放大電路的輸齣，從而産生占空比D受控於采樣電壓的開關控製信號。基準電壓電路采用前麵所述的穩壓管穩壓電路，穩壓管采用BZX55C5V1，穩壓電壓約為5.1V。采樣電路由電阻R1和R2組成。和綫性穩壓器類似，通過調整采樣電路中R1和R2的阻值，使得輸齣電壓不同。比較放大電路中的集成運算放大器采用TI 公司的LF347，構成加減運算電路。當輸入電壓或負載發生變化時，將引起輸齣電壓的變化。比如，當輸齣電壓有所減小時，通過采樣電路將這個變化後的電壓引入到運算放大器的反相輸入端，和基準電壓比較後獲得一個正嚮誤差，然後通過比較放大器進行放大。放大後的正嚮誤差到達比較器的同相端，引起開關控製信號占空比D的增大，導緻輸齣電壓增加，從而保持輸齣電壓的穩定。LC濾波電路由電感L1和電容C1構成。在閤適的參數取值下，可以在輸齣端獲得平滑的輸齣電壓。如前所述，輸齣電壓的平均值和輸入電壓Vin及開關控製信號的占空比D成正比。以下先通過Multisim對該電路的各項性能進行仿真，然後對實際電路做性能測試。3.3.2性能仿真在Multisim中搭建如圖3.7所示的仿真電路。

圖3.7Buck開關穩壓器仿真電路
1. 參數設計通過選取采樣電路中R1和R2的阻值、基準電壓及比較放大電路中的各電阻取值，使輸齣電壓為5V。2. 輸入電壓調節特性仿真對輸入電壓Vin進行直流掃描分析，得到圖3.8所示的輸入電壓調節麯綫。輸入電壓掃描範圍為0~20V。

圖3.8圖3.7仿真電路的輸入電壓調節麯綫

從該輸入電壓調節麯綫可以看齣，當輸入電壓為6~20V時，輸齣電壓具有很好的穩定度。當輸入電壓變化時，開關穩壓器通過調節開關控製信號的占空比來獲得穩定的輸齣電壓。進一步對開關控製波形進行觀測，在負載電阻RL=10kΩ時，得到輸入電壓Vin分彆為6V和12V時調整管源極的電壓信號，如圖3.9（a）和圖3.9（b）所示。從圖3.9可以看齣，當輸入電壓在允許的波動範圍內變化時，為瞭得到穩定的輸齣電壓，Vin越大，開關控製信號的占空比越小。

圖3.9輸入電壓變化時占空比調節示意圖



圖3.9(續)

圖中每個周期的占空比並不完全一緻，這是由於輸齣電壓存在波動，電路對占空比進行即時調節的結果。3. 負載調節特性仿真當輸入電壓Vin=12V時，對負載電阻RL進行參數掃描分析，得到圖3.10所示的負載調節麯綫。

圖3.10圖3.7仿真電路的負載調節麯綫

從圖3.10可以看齣，當負載電阻大於1kΩ時，輸齣電壓具有很好的穩定度。當負載變化時，開關穩壓器通過調節開關控製信號的占空比來獲得穩定的輸齣電壓。進一步對開關控製波形進行觀測，當輸入電壓Vin=12V時，得到負載電阻RL分彆為1kΩ和10kΩ時調整管源極的電壓信號，如圖3.11(a)和圖3.11(b)所示。

圖3.11負載變化時占空比調節示意圖

從圖3.11可以看齣，當負載在允許波動範圍內變化時，為瞭得到穩定的輸齣電壓，負載電流越大，開關控製信號的占空比越大。4. 紋波及電源紋波抑製比仿真用Multisim中的虛擬示波器對輸齣電壓的交流分量進行觀測，得到輸齣紋波電壓波形如圖3.12所示。

圖3.12輸齣電壓紋波

從圖3.12可以看齣，當輸入電壓為純淨的12V直流電壓時，輸齣端可以觀測到峰�蔔逯翟嘉�17mV的紋波電壓，這是由開關穩壓器內部電路産生的，這也是開關穩壓器和綫性穩壓器的一個重要區彆。和第2章類似，為瞭研究電路的電源紋波抑製比，對仿真電路進行修改，在圖3.7的基礎上增加一個交流小信號源V1，用來模擬輸入電壓紋波，如圖3.13所示。

圖3.13開關穩壓器PSRR仿真電路

當V1是峰值為50mV、頻率為1kHz的正弦波時，用虛擬示波器對輸齣電壓的交流分量進行觀測，波形與圖3.12幾乎相同。可見開關穩壓器電路的PSRR是比較高的，能夠有效地濾除輸入電壓中的紋波，它的輸齣電壓紋波主要來自電路內部。5. 瞬態響應仿真對圖3.7的開關穩壓器進行仿真，當輸入電壓在9~10V之間變化時，輸齣電壓的瞬態響應麯綫如圖3.14所示。

圖3.14輸入電壓瞬態響應

從圖3.14可以看齣，當輸入電壓從9V跳變到10V時，輸齣電壓會産生約38mV的超調，然後再過渡到新的穩態值（確切地說是穩態值的誤差允許範圍）。由於仿真電路中的開關頻率較低，僅為1kHz，於是瞬態響應速度就會比較慢，調整時間約為32ms。實際的開關穩壓器産品中，開關頻率通常遠遠大於1kHz。3.3.3電路中各點的波形用虛擬示波器對電路中各點的波形進行測量，如圖3.15所示。

圖3.15電路中各點的波形

為瞭在輸齣端獲得平滑的電壓和電流，L、C的取值非常關鍵。在電感電流臨界連續的情況下，電感的小取值可以按（Vin-Vout）/（0.3~0.5）IOmax進行估算［5］。圖3.7的仿真電路中，由於開關頻率僅為1kHz，電感的取值比較大，不太現實。實際的開關穩壓器中，開關頻率為幾百韆赫到幾兆赫，電感的取值可以大大減小。3.4Buck和Boost開關穩壓器産品實例本節以TI的Buck開關穩壓器芯片TPS62290和Boost開關穩壓器芯片TPS61500為例，對其內部電路結構進行分析，並對其性能指標進行測試。3.4.1TPS622901. TPS62290概況
1) 基本特點數據手冊的開頭部分介紹瞭該開關穩壓器的主要特點如下： (1) 高效率的降壓轉換器； (2) 輸齣電流可達1A； (3) 輸齣電壓可調，小可至0.6V，輸齣電壓精度可達± 1.5%； (4) 寬輸入電壓範圍（2.3~6V）； (5) 固定的2.25MHz開關頻率； (6) 適用於電池供電的移動産品； (7) 外接較小電感和電容即可組成應用電路，體積較小。2) 外觀及引腳定義TPS62290提供SON等封裝形式，SON封裝的芯片引腳排列如圖3.16所示，引腳功能定義如錶3.1所示。

圖3.16TPS62290引腳排列

錶3.1中的PFM（Pulse Frequency Modulation,脈衝頻率調製）是和PWM不同的調節模式，它在開關通斷控製信號的占空比不變的情況下，根據FB引腳的反饋電壓輸入自動調節開關通斷控製信號的頻率，從而達到調整輸齣電壓的目的。

錶3.1TPS62290引腳功能定義


引腳名稱功能定義
VIN輸入電壓，2.3~6VEN芯片使能端，高電平使能，低電平關斷GND芯片接地引腳SW開關輸齣引腳，內接MOSFET源極FB反饋輸入端，外接采樣電路MODE調節模式輸入引腳。該引腳為高電平時，芯片工作於固定頻率的PWM模式； 低電平時工作於節能模式，該模式下係統自動在PWM和PFM模式之間切換
2. TPS62290的內部結構數據手冊中給齣瞭TPS62290的內部結構框圖，如圖3.17所示。

圖3.17TPS62290內部結構框圖

對照圖3.5的Buck開關穩壓器基本組成，TPS62290的各組成部分及其實現情況如下： 1) 調整管及保護電路TPS62290內部采用瞭一對MOSFET。上拉的NMOS管作為調整管； 下拉的PMOS管作為續流管，相當於圖3.7中的二極管D1。NMOS管導通時，PMOS管截止； NMOS管截止時，PMOS管導通。NMOS管的漏極接輸入電壓Vin，當NMOS管導通時，輸入電壓傳遞到NMOS管的源極，即芯片的SWI引腳。當NMOS管截止時，PMOS管導通，為外接的LC濾波電路提供續流通路。從圖3.17可以看齣，上拉和下拉部分都帶有過流比較器（current limit parator）。當檢測到過限的電流時，開關控製邏輯電路將輸齣相應的控製信號，將NMOS管或PMOS管關斷，起到保護的作用。2) 開關控製電路由PWM/PFM比較器（PWM/PFM parator）、控製級（control stage）和門驅動器（gate driver）組成。芯片內部有一個2.25MHz的振蕩器（oscillator）及鋸齒波發生器（sawtooth generator）。PWM比較器根據誤差放大器（error amplifier）的輸齣和鋸齒波發生器的輸齣，為控製級提供占空比的開關控製矩形波。PFM比較器根據基準電壓VREF和采樣電路反饋的電壓，為控製級提供頻率調節參數。控製級根據調節模式引腳MODE的輸入信號，綜閤PFM比較器和PWM比較器的輸齣，生成頻率和占空比的開關控製信號。門驅動器負責驅動MOSFET開關，它帶有防止上拉管和下拉管同時導通而引起輸入端和地直通的功能（anti shoot�瞭hrough），可以保護MOSFET的正常工作。3) 基準電壓電路TPS62290內部的電壓基準電路（reference）産生0.6V的基準電壓，供PFM比較器和誤差放大器使用。4) 采樣電路TPS62290的采樣電路外置，采樣電壓通過反饋輸入端FB引入。5) 誤差放大器誤差放大器又稱比較放大電路，將FB引腳的輸入電壓和參考電壓進行比較和放大，為PWM比較器提供閾值電壓。該閾值電壓將影響開關控製信號的占空比D。6) LC濾波電路LC濾波電路外置，其中電感L跨接在開關引腳SW1和輸齣之間，電容C跨接在電感的另一端和地之間。7) 其他保護電路為瞭保證芯片安全穩定的工作，和綫性穩壓器芯片TPS79533類似，TPS62290內部設有各種保護電路。從圖3.17可以看齣，除瞭前麵提到的MOSFET過流保護電路之外，還有過熱保護電路（thermal shutdown）和壓鎖定電路（undervoltage lockout）。此外，圖3.17中還有一個模塊，即Softstart Vout Ramp Co 【XH】 DC-DC變換電路原理及應用入門 下載 mobi epub pdf txt 電子書