開關穩壓器工作原理與類型

與線性穩壓器相比，開關穩壓器在設計，結構和操作方面有所不同。在開關穩壓器中，通過控制反饋電路的開關時間（包括參考電壓）來調節輸出電壓；通過調節占空比，上面討論的調節器都是線性穩壓器，需要串聯傳輸晶體管來調節有源區。盡管它們被選擇用于不同目的，但它們確實具有串聯傳輸晶體管的高功率耗散的缺點。主要原因是因為串聯傳輸晶體管被用作A類功率放大器，其以低效率和熱量形式的功率損耗而著稱。當負載電流增加時，串聯傳輸電阻必須承載重負載。這導致串聯傳輸晶體管變得笨重，具有更大的散熱器。這反過來又增加了總體成本。這種線性穩壓器還需要一個降壓變壓器，它再次增加了整個電路的尺寸。應消除電路產生的大波紋，這需要大尺寸濾波電容器。

所有這些問題都可以通過使用開關穩壓器來解決。與線性穩壓器相比，整個操作完全不同。這里，串聯傳輸晶體管不用作放大器，而是用作開關。也就是說，代替在有源區中工作的晶體管，使其在飽和區或截止區之間切換。因此，功耗降低，可以在低電壓下承載重負載電流，同時具有較小的散熱器。因此，該調節器在個人計算機中得到廣泛應用。

基本開關穩壓器設計用于三種配置，各類型開關穩壓器工作原理電路圖和說明如下。

三種類型開關穩壓器工作原理電路圖

降壓開關穩壓器

如上圖所示，矩形脈沖被提供給晶體管的基極。在脈沖的每個周期期間，晶體管在飽和和截止之間變化。這會在LC濾波器的輸入端產生矩形電壓。阻斷濾波器輸入電壓的交流分量，允許直流分量通過濾波器。當晶體管保持開關時，平均值總是小于輸入電壓。這就是我們稱之為“降壓”開關穩壓器的原因。

升壓開關穩壓器

如上圖所示，矩形脈沖被提供給晶體管的基極。在脈沖的每個周期期間，晶體管在飽和和截止之間變化。當晶體管飽和時，電流流過電感器。當晶體管切換到截止時，由于其周圍的磁場突然崩潰，將在電感線圈上感應出大的電壓。因此，電流保持在相同方向上流動。該電路稱為“升壓”開關調節器，因為電感器感應的電壓將大于輸入電壓。

極性反轉開關穩壓

如上圖所示，當晶體管飽和時，電流流過電感。當晶體管切換到截止時，由于其周圍的磁場突然崩潰，將在電感線圈上感應出大的電壓。因此，電流保持在同一方向流動。由于晶體管截止，唯一的路徑是通過電容器。如果檢查通過電容器的充電電流的方向，則發現輸出電壓為負。

開關穩壓器原理電路圖

一個簡單的開關穩壓器設計有我們已經知道的混合電路。工作從張弛振蕩器開始，產生方波。方波的頻率由R5和C3的值決定。方波作為積分器的輸入給出，并產生輸出三角波。這是作為三角形到脈沖轉換器的正端子的輸入。然后輸出脈沖將驅動傳輸晶體管的基極。這些脈沖的占空比將決定輸出電壓。

占空比D是導通時間W與時間段T的比率。通過控制脈沖發生器的占空比，控制LC濾波器的輸入電壓的占空比。LC濾波器的輸出是直流電壓，只有很小的紋波。這個輸出

Vout = DVin

由于D可以在0到1之間變化，因此Vout可以在0到Vin之間變化。

一個簡單的分壓器用于采樣LC濾波器的輸出。然后將該電壓反饋到比較器電路，其中參考電壓Vref與輸出電壓進行比較并傳遞到三角形到脈沖轉換器的負輸入端。

當輸出電壓增加時，比較器電路產生較高的輸出電壓，因此三角形到脈沖轉換器的反相輸入將具有高值。這將縮小傳輸晶體管的基極輸入處的脈沖。由于占空比較低，濾波后的輸出電壓較小，這往往會抵消輸出電壓的幾乎所有原始增益。這意味著任何嘗試增加輸出電壓都會產生負反饋電壓，幾乎消除了原始增益。如果輸出電壓下降，則反向發生。

系統中有足夠的開環增益，以確保良好調節的輸出電壓。由于比較器的誤差電壓接近零，因此R2兩端的電壓約等于Vref。所以通過電阻器R2的電流是：

I = Vref / R2

該電流流過R1，這意味著輸出電壓為

Vout = Vref（R1 + R2）

開關穩壓器有不同的配置，如反激配置，前饋，推挽和非隔離單端或單極類型。

在上述配置中用作開關穩壓器的一些常見IC是LM 1577 / LM 2577 IC。

使用LM 2575和LM 2577的開關穩壓器

這些IC由美國國家半導體公司設計。這兩款IC都以其最小的元件制造和簡單易用的設備而聞名。這些IC還具有內部頻率補償和固定頻率振蕩器的優點。

以下是使用LM 2575的開關穩壓器的電路圖。該IC以其高效率而著稱，并且將明顯取代所有3端子線性穩壓器。即使沒有散熱器，也可以獲得IC的高效率。

LM 2577開關穩壓器電路圖如下。這兩款IC都有不同的電壓等級，如12伏和15伏，可調節。

使用LM 1578A IC的開關穩壓器

LM 1578A IC也是由National Semiconductors開發的，用作DC-DC電壓轉換器，反相配置和降壓 - 升壓轉換器等應用的開關穩壓器。作為開關穩壓器的IC的功能框圖如下所示。

從功能圖中我們可以看到，IC有一個比較器電路，具有反相和反相輸入以及每個輸入的1伏內部基準電壓，這顯然簡化了電路設計和PCB布局。通過為集電極（引腳6）和發射極（引腳5）提供輸出引腳，IC以其設計靈活性而聞名。IC的輸出可以切換到最大750毫安。根據IC的使用類型，外部限流端子可以參考接地端子（引腳4）或Vin端子（引腳8）。IC的工作電壓可以在（2-40）伏特之間變化。該IC還具有限流和熱關斷功能。此外，LM 1578 A還有一個板載振蕩器，它通過一個外部電容設置開關頻率 1 Hz至100 kHz（典型值）。占比高達90％。

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