掌握开关稳压器的5大基本知识

使用开关稳压器用的IC，对电路基板进行包括开关稳压器在内的板载化已经不再罕见。开关稳压器由于为高速进行开关工作的模拟反馈电路，因此应掌握关键要点以便进行工作或特性的优化。理解这些，应该能使开关稳压器的设计更驾轻就熟。

要理解开关稳压器的特性并进行评估，掌握开关稳压器相关基本知识非常重要。

在这里，先重温一下开关的种类、降压转换器的工作原理、同步式和异步式两个主要控制方式的的区别、可提高效率的自举原理、输出稳定化即主宰稳压器工作的反馈控制方式、PWM和PFM这两种输出电压调整方法以及作为重要特性的IC规格和电源特性。

开关稳压器的基础

• 开关稳压器的种类

• 降压工作原理

• 同步式和异步式的区别

• 自举

• 输出反馈控制方式

• PWM和PFM

• 重要特性－IC的规格

• 重要特性－电源特性

开关稳压器的基础：开关稳压器的种类

开关稳压器有许多种类，分类方法也视其观点而各有不同。在这里，根据输入电源的区别、电路方式以及功能和工作的区别来分类。

根据开关稳压器的电路方式来分类

DC/DC转换器 ▼非绝缘型

• 异步整流式

• 同步整流式

▼绝缘型

• 反激式

• 正激式

• 推挽式

• 半桥式/全桥式

AC/DC转换器 ▼非绝缘型 ▼绝缘型

首先，输入电源可以利用DC（直流）或AC（交流）分成DC/DC转换器和AC/DC转换器，各自再分为非绝缘型和绝缘型。

绝缘型为输入（一次）和输出（二次）可绝缘的类型，绝缘主要可利用变压器。在工业设备或医疗设备等要求发生故障时具有高安全性的设备中，标准上使用绝缘型。非绝缘型在输出输入间有导通，尤其是同一电路基板内无须绝缘的电压转换等几乎都为非绝缘型。

架构非绝缘型及绝缘型的转换器，各自有适合的电路方式。有同步整流式或反激式等称呼，构造零件或电路规模不同，工作原理当然也不同。

其次，根据功能和工作方式来分类，不过，从这里开始便进入DC/DC转换器的话题。AC/DC转换器由于会在初段将AC整流－平滑后基本上以DC/DC转换器工作，故以后请一视同仁思考。

根据开关稳压器的功能和工作分类

DC/DC转换方面，可以对输入电压进行降压或升压。此外，应用上也可进行升降压、反转等转换。根据所需功能，电路构造和所选的IC是不同的，

控制输出电压的工作模式有PWM（Pulse Width Modulation：脉冲宽度调制）和PFM（Pulse Frequency Modulation：脉冲频率调制）。PWM的开关周期（频率）恒定且为通过调整ON和OFF时间比进行稳定化的模式，而PFM则是ON或OFF时间恒定的频率变更方法。详细内容后述。

而且，为使输出稳定化的反馈控制方式有电流模式、电压模式、迟滞等，这几种详细内容也将后述。

开关稳压器由这些组合构成，可通过探讨用途、输出输入条件、要求规格或性能目标、以及成本或尺寸等限制事项来选择最佳产品，为此，必须事先了解各方式的特征和优缺点。

开关稳压器的基础：降压工作原理

现在接着以最广泛利用的降压型开关稳压器为例说明工作原理。

降压DC/DC转换是借着开关将DC电压VIN做时间分割后以电感和电容器使其平滑化来转换成所希望的DC电压。降压DC/DC转换的概念电路和工作如右所示。

以PWM工作来说明，以S1=ON/S2=OFF将VIN供电时间设为25%、以S1=OFF/S2=ON将0V（GND）状态设为75%的脉冲周期，当该脉冲平均化时将为25%的DC。如果VIN为10V，则Vo将为25%的2.5V。

实际的PWM由于被平均化的输出负载电流会变动，故ON时间会一定程度一直依赖负载电流来上下移动电压。如此一来，稳压器输出下降时会增加ON时间，从输出传送更多的能源而使输出电压上升。输出电压充分恢复的话，接着便会缩短ON时间来停止输出上升。

下面的电路为取代概念图的实际的电路。开关S1以MOSFET置换，S2则被置换成肖特基二极管，也显示被省略的比较电路和控制电路。对此，代表性开关式降压电路，也称为异步或二极管整流式。

降压开关稳压器的工作

1. 与基准电压进行比较，检查输出电压是否为设定电压

2. 低于设定电压时，开关变为ON，从输入向输出供电

3. 此时，电感会蓄积磁能

4. 如果输出电压高于设定电压，则开关OFF

5. 电感所蓄积的磁能变为电流被供往输出负载，再返回电感

6. 电感的磁能消失，输出电压开始下降时，开关会再度为ON

实际电流及电压的开关波形也有记载。S1为MOSFET的开关晶体管、D1为肖特基二极管、L1为电感、C1为输出电压、VIN为输入电压。

在这里，重温说明开关稳压器的基本工作。在进行实际评估时，检查各节点的电流或电压波形等，此际，也有必要理解此种基本工作。

同步式和异步式的区别

继开关稳压器的种类和工作原理之后，接着要说明所谓同步整流式和异步整流式DC/DC转换器变压器方式的区别。由于各自有优缺点，故根据电源的要求规格区分使用是一大要点。

电路构造上的区别如下的图的通，不同点在于开关2是二极管或是晶体管。

异步整流式，也称为二极管整流式，通过上侧晶体管的ON/OFF，二极管进行导通/关断，使电流流向或不流向二极管。这在工作原理部分已经说明。异步式是简单且牢固的方式，在工业设备等中有极高的实绩。

另一方面，同步整流的方式虽然基本工作相同，但是下侧开关的ON/OFF也由控制电路进行。如果双方同时为ON，则电流将从VIN直接流向GND，使晶体管有破坏的可能性，故双方必须制造OFF，停滞时间的时序等进行复杂的控制。不过，同步整流式的效率比异步式高，对于延长电池驱动设备的工作时间有极大贡献。

1. S1为ON的时S2设为OFF

2. S1为OFF的时S2设为ON

3. 电流路径与异步型相同，但S2的ON/OFF 由控制电路进行

4. 下段的电路是实际电路S1、S2使用晶体管

• 高效率

• 电路比异步式复杂

1. S1为ON时电流不流向D1（关断）

2. S1为OFF时电流正向流向D1（导通）

3. 下段的电路是实际电路，S1可使用晶体管，D1可使用肖特基二极管

• 效率比同步式差

• 电路比较简单

同步整流式的所以效率高，原因在于将异步整流式的二极管置换成晶体管，故可以将输出段开关的损耗压低。众所周知，二极管的VF会因电流而改变，不过即使VF为低肖特基也有0.3～0.5V。与之相对，例如Nch-MOSFET的ON电阻极低至50mΩ，如果计算电压下降的话则将远比二极管的VF来得低。

有关“开关稳压器的特性和评估方法”这个主题，了解DC/DC转换工作因方式的区别或特征非常重要。

自举

自举电路是在输出开关上侧晶体管使用Nch MOSFET时所必要的电路。最近许多电源IC都搭载该电路，因此在评估电源电路时最好事先理解其工作。

Nch MOSFET的导通电阻低，作为开关使用的话可提升效率。此外，如果导通电阻相同的话，价格应该比PchMOSFET便宜。不过，如果要使用Nch MOSFET作为上侧开关并使其完全为ON，则必须有充分的VGS，也就是电压必须高于漏极电压。通常，漏极电压是VIN（输入电压），在电路内会变成最高的电压，因此在外部只能准备比漏极电压还高的电压。而产生该电压的便是自举式电路。

构造简单。以开关、电容器、二极管所构成的升压电荷泵并利用加入开关电压（VIN）和内部电压的电压作为上侧Nch MOSFET的栅极驱动。

无须自举式电路的Pch＋Nch构造

利用自举式电路的Nch＋Nch构造

1. Nch MOSFET的导通电阻低，有助于提升效率，价钱也便宜

2. 如果要使上侧晶体管为Nch MOSFET的话，VGS必须比漏极电压高

3. 内部电路用的内部电源的电压并不充分

4. 以开关、电容器、二极管构成升压电荷泵，产生上侧的Nch MOSFET用驱动的高电压
   上侧栅极驱动电源电压＝VIN＋内部电源电压－二极管的VF

近来，中功率以上的电路，输出的开关晶体管以Nch MOSFET为主流。尽管零件数稍微增加，然而却有重视效率的倾向。最近，为了减少零件数，也有将外置二极管纳入IC的类型

另外，自举电路也以相同理由被利用于异步整流型不仅Nch MOSFET，也被利用来降低使用双极性NPN晶体管类型的饱和电压。

输出反馈控制方式

开关稳压器的输出电压基本上呈现稳定化，也就是说，具备让已设定电压值维持恒定的功能。为了维持电压稳定，开关稳压器会将输出反馈（feedback）至控制电路。

大致可分为电压模式控制、电流模式控制、迟滞控制等3种方式。

・电压模式控制（PWM例）

电压模式控制是最基本的方式。反馈环路只反馈输出电压。通过以误差放大器和基准电压做比较后所差距的电压再进一步与三角波做比较，决定PWM讯号的脉冲宽度来控制输出电压。

此方式的优点在于纯电压的反馈环路可进行较简单的控制、可缩短ON时间、抗噪好、抗干扰好。其缺点是，相位补偿电路复杂。外置相位补偿电路，故设计可能较花时间。

电压模式控制

• 纯电压反馈环路控制简单

• ON时间缩短

• 抗噪好

• 相位补偿电路复杂

・电流模式控制

电流模式控制是对电压模式控制的改良，是以检测电路电感电流的方式取代电压模式控制环路使用的三角波。或检测晶体管的电流取代电感电流、通过插入电流检测电阻进行检测。

反馈环路分电压环路和电流环路两者，控制虽变得比较复杂，不过有相位补偿电路设计大幅简单化的优点。

其他优点还有反馈环路的稳定性高，负载瞬态响应比电压模式快速。其缺点是，电流检测敏感，噪声多，会影响PWM控制。

电流模式控制

• 是对电压模式控制的改良，

• 是以检测电路电感电流的方式取代三角波。

• 反馈环路的稳定性高

• 大幅度简化相位补偿电路设计

• 负载瞬态响应比电压模式高速

• 要注意电流检测反馈环路的噪声

・迟滞控制（纹波控制）

迟滞控制方式是引脚对需要更高速负载瞬态响应的负载，例如CPU、FPGA等电源要求而开发的方式。因其检测并控制输出的纹波，故也称为纹波控制方式。

该方式，不通过误差放大器而以比较器监控输出电压。检测超过或未超过已设定的阈值后，由比较器直接控制开关ON/OFF。方法有两种，一为在ON时间固定下检测不超过的阈值，一为在OFF时间固定下检测超过的阈值，利用上下双方阈值窗口的方式。

其优点，在于由比较器进行直接控制，故瞬态响应极为高速、无须相位补偿。其缺点是，虽然有开关频率会变动、抖动大、检测输出纹波需要ESR（等价串联电阻）较大的输出电容器，随着技术革新，采用此方式的IC逐渐増加。

迟滞（纹波）控制

• 以比较器直接监控输出

• 负载瞬态响应速度非常快

• 反馈环路的稳定性高

• 无需相位补偿

• 开关频率会变动

• 抖动大

• 检测纹波需要ESR较大的电容器

PWM和PFM

针对开关稳压器的基础，介绍电压控制方法。不论开关稳压器与否，电压稳压器的功能为产生稳定化的输出电压。为此，已在“反馈控制方式”一项中说明，必须将输出电压反馈至控制电路来进行环路控制。在这里，要说明的是、有关电压控制的方式，例如该进行何种控制才能将输入电压调整为5V等。

开关稳压器如名称所示，是借着开关输入电压，也就是ON/OFF来转换成所希望的输出电压。此结构已在“工作原理”一项中说明，简单来说就是开关后平均化以均衡已设定输入电压的输出电压。此输入电压的开关法主要有2個方法。

・PWM控制（脉冲宽度调制）

PWM是最普通的电压控制方法。在恒定周期下，将开关设为ON，从输入截取符合输出所需功率的部分。因此，ON和OFF的比率、占空比会随必要的输出功率而变化。

由于频率恒定，故有可预测即将产生的开关噪声、滤波器处理容易等优点。其缺点是，由于频率恒定，重负载时和轻负载时的开关次数都相同，自我消耗电流不变，故轻负载时开关损耗是主要损耗而效率降低。

●频率恒定根据占空比调整输出电压

• 频率恒定，易于过滤噪声

• 频率恒定，轻负载时开关损耗效率显著恶化

・PFM控制（脉冲频率调制）
PFM有固定ON时间型和固定OFF时间型。以固定ON时间型为例（下图参考），ON时间恒定OFF时间变化。换句话说，接下来一直到ON之前的时间会改变。当负载变大时，将会随着负载增加时间内的ON次数。也就是说，重负载时频率会变高，轻负载时频率会变低。

其优点是，轻负载时无需增加功率，开关频率变低，开关次数减少，开关损耗减少，故轻负载时也可维持高效率。其缺点是，频率会变化，开关相关噪声不稳定且难以滤波。噪声难消除。此外，频率一进入可听带20kHz时有可能会发生声响等对音响设备的S/N造成影响。从这个意义来说，PWM比较容易操作。

●ON（或OFF）时间设为恒定，调整OFF（或ON）时间

• 轻负载时会降频率工作，故开关损耗会减少而维持效率

• 频率不稳定，故噪声滤波困难而有进入听觉范围的可能性

利用哪一方，必须在理解各特性后权衡，不过有些IC为了能够利用双方的优点，于稳定工作时采PWM工作，于轻负载时开关成PFM来维持效率。

●PWM和PFM的效率特性示意图

• PWM轻负载时恒定周期开关，故效率低下。

• PFM轻负载时会降频率工作，故开关损耗减少而维持效率。

• 有些IC于稳定工作时采PWM工作，于轻负载时开关成PFM来维持效率。

重要特性－IC的规格

针对开关稳压器的基础，确认开关稳压器的重要特性。本项将从“IC规格”的角度进行说明，而下一项则以“电源”的角度进行说明。

目前开关稳压器的设计几乎依赖所使用的电源IC并未言过其实。因此，理解电源IC的规格和意义非常重要。

开关稳压器用IC的技术规格的表有记载多项参数，并有显示规格值。这里仅就其中的输入电压范围、输出电压范围、输出电流、开关频率、工作温度范围等基本重要项目说明。

输入电压范围
输入电压范围是指IC可工作的输入电压范围。视IC的规格而定，最大5V或40V等种类，因此必须选择符合所使用电路的输入电源规格。此外，不只是最大电压，有许多IC也规定了可工作的最小电压。如果是降压电源，则为可工作比已设定输出电压稍高电压的最低电压。再低下去的话，有时IC会停止工作或产生异常工作。为了防止这种情况，有些称为UVLO（Under Voltage Lock Out）保护功能的IC。
除了稳定的输入电压外，还必须详细探讨施加浪涌等瞬态电压的可能性。视IC而定，有些将稳定电压和瞬时电压分开来规定。
与最大额定输入电压的区别在于最大额定是可彻底施加的电压，不问有无工作。
从高电压转换为低电压时，有时会承受降压比的限制，未必在所有范围都可使用。

输出电压范围
输出侧可设定的电压范围。输出电压固定型则不在此限。降压转换器中，最小输出电压一般无法设定成比内部基准电压低的电压。最大输出电压输入电压与电压损耗的差值。
就输出电压值而言，对IC的基准电压精度、输出电压设定用的电阻器的精度有影响。

输出电流
可输出的电流值。有只能保证最小值的情况和也能保证最大值的情况。电流值依赖输出段开关式晶体管的能力和热。一般说来，需要大电流时，外置输出段开关式晶体管较为有利。

必须配合输出所需的功率余量。有时会因热而导致破坏。此外，瞬时负载电流流动时，有必要确认输出电压处于十分稳定状态或于必要时间内维持稳定。
规格值的标示有输出电流（连续电流）和开关电流等表现。输出电流（连续电流）时，可连续供给其电流。开关电流时，是持续开关时的电流，所以不是可连续供给电流，而是开关电流扣除某百分比的可连续供给电流的值。

开关频率
开关频率，PWM时为已设定的固定频率。PFM频率则随条件而变动。通常频变高时，可以使用小数值的输出电容器和电感，尺寸也会变小，不过效率低下。需要权衡效率和尺寸。
开关稳压器会附带开关高谐波、开关噪声。虽可通过滤波器来降低，不过无线电或音响电路等对噪声敏感的电路有可能S/N会低下。

工作温度范围
可工作的温度范围，用周围温度Ta或接合部温度Tj来规定。必须在考虑欲使用设备的使用环境或工作保证后进行选择。
以Ta保证时，未必其Ta所有范围都可使用。由于会发热，故必须探讨周围温度和主要负载电流以免超过Tjmax。热的问题攸关可靠度降低或事故，因此非常重要。

要点总结如下表。

重要特性－电源特性

针对开关稳压器的基础，继前项的“IC的规格”之后，在这里进一步说明，开关稳压器的重要特性，“电源”的重要特性。

如前所述，目前开关稳压器的设计几乎依赖所使用的电源IC。因此，满足电源的必要规格，选择IC是一大前提。因此，应探讨IC和电源规格间的如果可能需要进行的一些权衡。

例如，电源方面，如果必须过电流保护功能，则选择IC时除了过电流保护外，也有可能兼具过电压保护或过热保护。IC视而定，可以选择将有些功能设为无效，不过大多无法选择。此时，如果没有特别不便的话，增加其功能的变更电源规格或许是不错的选择。相反，虽然也可以不选过电流保护IC，而通过外置电路搭载过电流保护功能的方法，不过考虑到电路设计、增加分品、验证工作等，时间、成本、安装空间的缺点极有可能较多。如果没有功能或成本増加等问题的话，优点高作为电源容许权衡。

针对电源的重要特性，有最低限理解后应探讨如下所示特性。

线性调节
线性调节是指针对输入DC电压的变动的输出电压的变动。以%或输入范围的已决定具体变动值例如12mV等表示。线性调节在电源IC中，特别是线性稳压器中，都存在同名的规格值。意义完全相同。输入范围条件，是指电源的输入以设想电压为基础上设定的，线性调节毕竟是连续输入电压的变动，这意味与非瞬态变动有关的特性。

近年的IC线性调节非常优秀，但电路并非完全依赖IC的性能，探讨使输入电压充分稳定的输入电容器也很必要。

负载调节
负载调节是指针对负载电流的变动的输出电压的变动。与线性调节同样，以%或负载变动间已决定的变动值表示。与线性调节同样，IC本身有此规格，作为电源时，必须着眼于输出配线的电阻成分、电源出口和负载入口电压下降的不同。在电源输出的出口方面，当负载电流变动时会产生依赖于电源电路本身负载调整率的变动，而在负载的入口方面线路阻抗成分的电压下降会被增加，需要大电流的负载电源引脚电压会意外降低等案例不在少数，必须注意。对此，“开关稳压器的评估”项有详细说明。

作为负载的变动之一，瞬态的变动与线性调节同，负载调节是针对非瞬态现象的特性。对于负载瞬态，须另外以负载瞬态响应的特性来思考。

效率
效率是定义为针对输入功率的输出功率的比率（%）。简单来说，就是测量由输入引入的功率（电流×电压）和取自于输出的功率所得到的值。效率的重要性无庸置疑，而抑制损耗则攸关发热的降低。发热不仅会限制取得的输出功率，也需要空间或设备来散热，最后还会变成使电源电路或附加电路可靠度降低的要素，是重量级的探讨事项。

输入/输出纹波电压
纹波电压是指脉流，发生于输入和输出两侧。输出纹波是指开关稳压器上因着开关而存在的纹波电压。有时也会以开关噪声来表示，不过开关噪声似乎大多包含高谐波或峰波等。

就纹波特性而言，有脉高的纹波电压值和频率探讨事项。对于FPGA等使用1V以下的低电源电压设备，有案例显示无法满足纹波电压所要求的电源电压精度。此外，包括高谐波或峰波在内也是让系统S/N低下的原因。

输出纹波可能因输出滤波器减低，不过频率如PFM般变动时则有时更有探讨的必要。

输入纹波是指开关晶体管因着开关大电流输入产生的纹波电压。电路布局设计必须注意，有时电流的开关（开/关）和输入的寄生电感值产生峰波。坦白说，输入电容器极需要连接于IC输入引脚旁边等方法排除寄生电感值。

负载瞬态响应
负载瞬态响应特性是指输出负载电流急剧变动时，输出电压返回设定值前的响应速度。除了考虑输出电容值（电容器）或ESR（等效串联电阻）外，IC本身的响应性能也是重要的因素。电流模式的电源IC可通过相位特性的调整来优化。此外，迟滞（纹波）控制也是负载瞬态响应特性非常好的方式。

容许损耗
电源电路所使用的元件（IC或晶体管等）直接的容许损耗。Tjmax（接合部温度的最大额定）和封装的热电阻计算容许的损耗功率，功率元件（开关晶体管）、内置型的话则算IC的容许损耗。如果从电路来看，近年来功率组件由于大多于基板进行表贴，利用基板作为散热板（当然，大功率电路的话会个别设定散热板），因此焊盘图形布局也有极大关系。总之，散热和容许损耗都必须探讨，确实进行热计算非常重要。

要点总结如下表。

来源：techclass.rohm

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