在前面的文章中我們簡單講述了PWM的工作原理并蜻蜓點水地講了其在DAC、LED調(diào)光、驅(qū)動馬達方面的應(yīng)用,最后我們再來看看其在開關(guān)電源方面的應(yīng)用。
我們知道開關(guān)電源在現(xiàn)在的電子產(chǎn)品中大行其道,主要的原因就是其支持的輸入電壓動態(tài)范圍寬、在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)都可以做到較高的轉(zhuǎn)換效率,也就是說能量浪費相對較少,從而也避免了電路板的過熱和器件/焊盤等的迅速老化導(dǎo)致壽命大幅縮短。同線性穩(wěn)壓器三極管工作在線性狀態(tài)不同的是,開關(guān)穩(wěn)壓器中的三極管(在這里我們包括MOS管)工作在開關(guān)狀態(tài),這也是“開關(guān)穩(wěn)壓”名字的來歷。如下圖所示:
開關(guān)穩(wěn)壓器的工作原理示意圖
開關(guān)穩(wěn)壓器主要由工作于開關(guān)狀態(tài)的三極管+儲能的電感+電容構(gòu)成:
工作于開關(guān)模式的三極管:On的時候?qū)﹄姼谐潆?,充電足夠的時候開關(guān)關(guān)閉,電感線圈將能量以電流的方式往負載供電,輸出電容同電感一起保證電壓的穩(wěn)定。理論上當(dāng)三極管處于On的時候其沒有壓降,處于Off的時候沒有電流通過,所以可以達到比較高的轉(zhuǎn)換效率。但實際上其還是有壓降和電流通過的,并且還有其它器件上的損耗;
電感:電流流入的時候通過磁場存儲能量,它不喜歡電流的變化,會盡力保持電流為常數(shù)而達到平滑電流的作用;
電容:可以看作為電壓濾波器,它不喜歡電壓的變化,用其存儲的能量來保持電壓為常數(shù)。
用于控制三極管開、關(guān)從而調(diào)整輸出電壓的信號主要采用的就是PWM信號,有的器件則根據(jù)負載的情況靈活使用PWM和PFM(脈沖頻率調(diào)制 - 固定占空比,改變脈沖的重復(fù)頻率)??刂迫龢O管開、關(guān)的PWM信號哪里來的呢?看下面的圖 - 輸出端(供給負載)的直流電壓進行分壓以后與器件內(nèi)置的參考電壓(一般稱為Bandgap Reference)相比較,如果輸出電壓分壓后的電壓與參考電壓有誤差,則比較電路輸出相應(yīng)的誤差信號控制PWM產(chǎn)生電路產(chǎn)生用于控制三極管開、關(guān)的控制信號,PWM的占空比與誤差電壓的大小成一定的比例,這樣就構(gòu)成了一個穩(wěn)定收斂的反饋環(huán)路,最后達到輸出電壓的分壓與參考電壓相等,從而誤差最小。
PWM信號的產(chǎn)生機制
由于工作在開關(guān)模式,儲能的電感和平滑電容的反應(yīng)都需要時間,因此輸出電壓上一定會存在著波動,也就是誤差電壓也會在很小范圍內(nèi)波動,PWM的占空比也在抖動,但在一定的范圍內(nèi),這些波動都不會影響到環(huán)路的穩(wěn)定工作。
輸出電壓上的波動 - 也就是高頻開關(guān)噪聲,與PWM的開關(guān)過程相關(guān),不同的開關(guān)穩(wěn)壓器件其PWM的開關(guān)頻率也會不同,進而也會影響到儲能電感和平滑電容的選擇,具體的選擇規(guī)則我們會在電源電路中進行講解。
開關(guān)穩(wěn)壓器的優(yōu)點:
效率比較高,相對比常規(guī)的線性穩(wěn)壓器,一般來講其效率是比較高的,但也會有一些由于器件的非理想化帶來一些損耗,在一個實際的系統(tǒng)中開關(guān)穩(wěn)壓器效率是否一定高于LDO(輸入輸出壓差較低的一種線性穩(wěn)壓器),需要根據(jù)實際的電壓、電流情況來分析、選用;
輸入電壓范圍較寬 - 全球跑到任何地方都能用的筆記本電源適配器、刮胡刀、手機充電器等等都是用開關(guān)穩(wěn)壓的方式實現(xiàn)的,線性穩(wěn)壓器在這種需求下無能為力的;
同等功率下,尤其是大功率,開關(guān)穩(wěn)壓器的體積可以做的較小,這得益于開關(guān)工作頻率的提高,有的高達幾MHz,器件體積可以變得很小。
開關(guān)穩(wěn)壓器的缺點:
相對于三件套的線性穩(wěn)壓器,開關(guān)穩(wěn)壓器需要的元器件比較多,有的器件相對還比較大,比如線圈、電容;
高頻的開關(guān)噪聲比較大,元器件的布局比較關(guān)鍵,實現(xiàn)系統(tǒng)需要的低噪聲是非常具有挑戰(zhàn)的;
元器件的選用也非常關(guān)鍵,比如MOS管、儲能電感、平滑電容等
開關(guān)穩(wěn)壓器也有不同的類型,根據(jù)輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系分:
Buck型 - 降壓
Boost型 - 升壓
Buck+Boost - 既可以升壓也可以降壓