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調光、驅動馬達方面的應用,最后我們再來看看其在開關電源方面的應用。
我們知道開關電源在現在的電子產品中大行其道,主要的原因就是其支持的輸入電壓動態范圍寬、在很寬的輸入電壓范圍內都可以做到較高的轉換效率,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致壽命大幅縮短。同線性穩壓器三極管工作在線性狀態不同的是,開關穩壓器中的三極管(在這里我們包括MOS管)工作在開關狀態,這也是“開關穩壓”名字的來歷。如下圖所示:
開關穩壓器的工作原理示意圖
開關穩壓器主要由工作于開關狀態的三極管+儲能的電感+電容構成:
工作于開關模式的三極管:On的時候對電感充電,充電足夠的時候開關關閉,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定。理論上當三極管處于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。
用于控制三極管開、關從而調整輸出電壓的信號主要采用的就是PWM信號,有的器件則根據負載的情況靈活使用PWM和PFM(脈沖頻率調制 - 固定占空比,改變脈沖的重復頻率)。控制三極管開、關的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的誤差信號控制PWM產生電路產生用于控制三極管開、關的控制信號,PWM的占空比與誤差電壓的大小成一定的比例,這樣就構成了一個穩定收斂的反饋環路,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信號的產生機制
由于工作在開關模式,儲能的電感和平滑電容的反應都需要時間,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波動,PWM的占空比也在抖動,但在一定的范圍內,這些波動都不會影響到環路的穩定工作。
輸出電壓上的波動 - 也就是高頻開關噪聲,與PWM的開關過程相關,不同的開關穩壓器件其PWM的開關頻率也會不同,進而也會影響到儲能電感和平滑電容的選擇,具體的選擇規則我們會在電源電路中進行講解。
開關穩壓器的優點:
效率比較高,相對比常規的線性穩壓器,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,在一個實際的系統中開關穩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壓器),需要根據實際的電壓、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穩壓的方式實現的,線性穩壓器在這種需求下無能為力的;
同等功率下,尤其是大功率,開關穩壓器的體積可以做的較小,這得益于開關工作頻率的提高,有的高達幾MHz,器件體積可以變得很小。
開關穩壓器的缺點:
相對于三件套的線性穩壓器,開關穩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;
高頻的開關噪聲比較大,元器件的布局比較關鍵,實現系統需要的低噪聲是非常具有挑戰的;
元器件的選用也非常關鍵,比如MOS管、儲能電感、平滑電容等
開關穩壓器也有不同的類型,根據輸入電壓和輸出電壓的關系分:
Buck型 - 降壓
Boost型 - 升壓
Buck+Boost - 既可以升壓也可以降壓