電源調節
DC-DC電壓轉換器通常用於從非穩壓電壓源提供穩壓電源。非穩壓電壓源可以是整流線路電壓,由於幅度變化而表現出波動。穩壓電源在所需水準(3.3 V、2.5 V等)下提供平均直流輸出電壓,儘管輸入電壓源波動且輸出負載可變。在決定穩壓電源解決方案時要考慮的因素包括:
- 可用的源輸入電壓
- 所需的電源輸出電壓幅度
- 能夠降壓或升壓輸出電壓,或兩者兼而有之
- 直流-直流轉換器效率(P輸出 / P輸入)
- 輸出電壓紋波
- 輸出負載瞬態回應
- 解決方案複雜性(IC 解決方案、數量為無源元件、控制器和外部 FET)
- 開關頻率(用於開關模式穩壓器)
以下各節介紹幾種不同的穩壓器。
線性穩壓器
線性穩壓器通常用於降壓(輸出電源電壓低於輸入源電壓)應用。當使用外部偏置電阻器時,線性穩壓器還可提供固定輸出電壓或可變輸出電壓。
線性穩壓器的優點是實現簡單,部件最少(在固定輸出的情況下僅為IC)和低輸出紋波。線性穩壓器的主要缺點是效率低。線性穩壓器IC內消耗顯著的功率,因為轉換器始終處於導通狀態並傳導電流。當輸入源電壓和輸出電源電壓之間的差異很小,並且轉換器效率不是問題時,應使用線性穩壓器。
開關穩壓器
開關穩壓器通常用於升壓和降壓應用,與線性穩壓器的不同之處在於脈寬調製(PWM)的實現。開關穩壓器通過使用具有恆定頻率和可變佔空比的電流開關(IC 穩壓器的內部或外部)來控制輸出電壓。開關頻率通常從幾kHz到幾百kHz。開關佔空比決定了輸出電源電壓增加或減少的程度和速度,具體取決於負載狀態和輸入源電壓。一些開關穩壓器同時利用可變開關頻率和佔空比,但這些並不常用於FPGA/CPLD應用。
開關穩壓器的明顯優點是效率,因為當輸出電源電壓足以滿足負載狀態時,功率路徑(FET開關)中的功耗最小。從本質上講,由於開關佔空比最小,電源轉換器在不需要電源時會"關閉"。開關穩壓器的缺點是複雜性,因為板上需要多個外部無源元件。在高電流應用中,需要外部FET IC,因為IC轉換器僅用作外部FET開關的控制邏輯。輸出電壓紋波是另一個缺點,通常通過靠近電源和負載的旁路電容來處理。
降壓轉換器
降壓或降壓型電壓轉換器產生的平均輸出電壓低於輸入源電壓。圖1顯示了使用理想元件的基本降壓拓撲。電感器用作輸出負載阻抗的電流源。當FET開關導通時,電感電流增加,從而在電感器兩端產生正壓降,並降低輸出電源電壓(參考輸入源電壓)。當FET開關關閉時,電感器電流放電,在電感器兩端引起負電壓降。由於電感器的一個埠介面接地,因此另一個埠將具有更高的電壓電平,即目標輸出電源電壓。輸出電容充當低通濾波器,由於電流通過電感器的波動而減小了輸出電壓紋波。當FET開關關閉時,二極體為電感器提供電流路徑。
圖 1.降壓轉換器。
同步降壓轉換器
同步降壓轉換器與降壓轉換器基本相同,只是用二極管代替另一個FET開關。頂部 FET 開關在對電感電流充電時的行為方式與降壓轉換器相同。當開關控制關閉時,下部FET開關導通,以便在放電時為電感器提供電流路徑。雖然需要更多的元件和額外的開關邏輯排序,但與二極體相比,這種拓撲結構具有更快的開關導通時間和更低的FET串聯電阻(rdson),從而提高了效率。
圖 2.同步降壓轉換器。
升壓轉換器
升壓或升壓轉換器產生高於輸入源電壓的平均輸出電壓。圖3顯示了二極體、FET開關和電感器換來的降壓拓撲結構的變化。當FET開關導通時,二極管反向偏置,因此將負載與輸入源電壓隔離,並使電感電流充電。當FET開關關閉時,輸出負載從電感器和輸入電源電壓接收能量。電感電流開始放電,在電感器兩端引起負壓降。由於電感器的一個埠由輸入電源電壓驅動,因此另一個埠將具有更高的電壓電平,因此具有升壓或升壓功能。與降壓轉換器一樣,電容器充當低通濾波器,由於通過電感器的電流波動而減小了輸出電壓紋波。
圖 3.升壓轉換器。
降壓-升壓轉換器
降壓-升壓轉換器可以從正輸入源電壓產生負輸出電源電壓(即,參考輸入源電壓的公共/接地埠的負電壓)。與降壓轉換器類似,上述拓撲結構已交換二極體和電感器。當FET開關導通時,二極管反向偏置,由於電感器兩端的正壓降而對電感電流充電。當FET開關關閉時,電感器通過公共/接地節點向輸出負載提供能量,放電電流,從而在電感器上引起負壓降。由於一個電感埠與公共/接地相連,因此另一個埠的電壓電平低於公共/接地,因此輸出負載兩端的負輸出電源電壓電平。
圖 4.降壓-升壓轉換器。
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