【XH】 DC-DC变换电路原理及应用入门 epub pdf mobi txt 电子书 下载 2024

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基本信息

书名：DC-DC变换电路原理及应用入门

定价：25.0元

作者：任艳频

出版社：清华大学出版社

出版日期：2015-11-01

ISBN：9787302410782

字数：184000

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

本书作者从事多年电子电路等方面的教学和科研工作，积累了丰富的教学和科研经验，结合TI公司的电源管理芯片和WEBENCH仿真工具，从原理到应用进行入门性质的讲解。

本书有理论介绍、选型与设计、应用实例、PCB布局布线，从多方面介绍了DC-DC变换电路。

本书语言简洁、准确、易懂，描述清晰，可作为选修课程的教材，也可以作为有兴趣学生的课外读物。

本书帮助DC-DC变换电路设计初学者快速入门，并使其深入体会DC-DC电路设计的乐趣。

内容提要

　　任艳频主编的《DC-DC变换电路原理及应用入门》以模拟电子技术课程中介绍的直流电源知识为基础，结合TI公司的电源管理芯片和WEBENCH仿真工具，对DC－DC变换电路的原理和应用进行入门性质的讲解。主要内容既有线性稳压器和开关稳压器电路基本工作原理，又有基于WEBENCH工具的TI电源管理产品线的选型和设计，同时还结合作者的产品开发经历介绍了三个实际的应用实例，此外还涉及开关稳压器电路的布局布线问题。
　　本书可以作为电源类选修课程的教材，也可作为学生在课外科技活动中进行电源制作的入门读物。

目录

作者介绍

文摘

第3章开关稳压器
3.1开关稳压器的产生和发展第2章介绍了线性稳压器的产生和发展、基本组成和工作特点、基本实现电路、产品实例和应用电路。线性稳压器具有结构简单、响应速度快和输出电压纹波较小等特点，但是它只能实现降压，而且当输入和输出压差较大时，电路的效率比较低。调整管好比是一个可调电阻，位于输入和输出之间，承受着多余的压差，得到特定的输出电压。调整管一直工作于线性放大区，消耗能量。能量从输入到输出的传输是连续不断的。本章将介绍的开关稳压器与线性稳压器大的不同是开关稳压器中的调整管工作在开关状态。调整管可视为一个随着某种规律进行断开、闭合动作的开关，能量以间歇式的脉冲形式从输入端传递到输出端。当调整管处于断开状态时，调整管工作于截止区，电阻很大，流过的电流很小； 当调整管处于闭合状态时，调整管工作于饱和区，饱和压降很小。在这两种状态下，调整管的功耗都较小，所以开关稳压器通常可以达到比较高的效率。如何实现能量从输入到输出的间歇式传递呢？图3.1（a）将调整管简化为一个开关，接在输入Vin和负载R之间［1］。可以看出，当开关闭合时，输出电压与输入电压相同； 当开关断开时，输出电压为0。输出电压的波形如图3.1（b）所示。


图3.1简易开关稳压器模型

如果以某种方式控制开关周期性通断，周期为T，占空比为D，则输出电压的平均值为VOUT(avg)=Vin×D。在周期T不变的前提下，调节占空比D，一个周期内开关闭合的时间长度t(on)将发生变化，输出电压的平均值也随之线性变化。这种调制方式称为脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）。在上述模型下，输出电压和电流都不连续，显然无法为后续的负载提供稳定的直流电源。为了得到平滑的电压和电流输出，可以在后面加LC滤波电路。修改后的开关稳压器模型如图3.2所示［1］。

图3.2改进的开关稳压器模型

利用图3.2所示的开关稳压器模型，由于电容两端的电压不能突变，流过电感的电流不能突变，当L、C参数合适时，可以获得连续的输出电压和输出电流，分析如下： 图3.2（a）中，当开关置于位置1时，L、C储存能量； 当开关置于位置2时，L、C释放能量。等效电路分别如图3.2（b）和图3.2（c）所示。若在合适的L、C取值下，输出电压VOUT比较平滑，纹波可以忽略不计，则在图3.2（b）中，电感两端的电压近似恒定为VIN-VOUT，流过电感的电流iL(t)线性增加。在图3.2（c）中，电感两端的电压近似恒定为-VOUT，流过电感的电流iL(t)线性减小。流过电容的电流iC(t)=iL(t)-VOUT/R，当VOUT足够平滑时，它的斜率和iL(t)相同。假设开关控制信号的占空比D和L、C的取值合适，当流过电感的电流未减小到0时又开始进入储能，则称为连续电流模式（Continuous Current Mode,CCM）。此外还有断续电流模式（Discontinuous Current Mode,DCM）和临界电流模式（Boundary Current Mode,BCM）［5］。
在CCM模式下，图3.2中的各信号波形如图3.3所示［1］。

图3.3图3.2开关稳压器的波形示意图

图3.3中的TS为开关控制信号的周期，D为占空比，D′=1-D。由图3.3可以看出，电感L的工作情况如下： 当开关置于位置1时，流过L的电流iL(t)线性增加，L工作于储能状态。当开关置向位置2时，流过L的电流iL(t)线性减小，L工作于释能状态。在CCM模式下，iL(t)始终大于0。电容C的工作情况如下：当开关置于位置1时，流过C的电流iC(t)线性增加，且电流方向先负后正。刚开始时，iC(t)<0，电容C工作于释能状态，继续释放上一开关周期储备的能量，为负载提供电流，电容两端的电压vC(t)减小。之后，iC(t)>0，电容C工作于储能状态，电容两端的电压vC(t)增大。当开关置于位置2时，流过C的电流iC(t)线性减小，且电流方向先正后负。刚开始时，iC(t)>0，电容C工作于储能状态，继续充电，电容两端的电压vC(t)继续增大。之后，iC(t)<0，电容C工作于释能状态，为负载提供电流，电容两端的电压vC(t)减小。输出电压VOUT为vC(t)的平均值。根据伏秒法则［6］，在图3.3的个波形图中： 
(VIN -VOUT)×DTs=VOUT×(1-D)Ts
可以得出： 
VOUT=VIN×D
由此，通过该开关稳压器模型，仍然可以得到和输入电压及占空比成正比的输出电压。而且从图3.3中的vC(t)波形可以看出，通过LC滤波，与图3.1(b)中的波形相比，输出电压变得连续平滑。但较之第2章的线性稳压器，开关稳压器输出电压的纹波还是要大一些。图3.3中的输出电压纹波峰值为Δvo。通过上述电路得到的输出电压VOUT=VIN×D，它总是小于输入电压VIN，这样的电路称为降压（Buck）变换电路。为了实现升压（Boost）变换，只需将图3.2（a）稍作修改，将电感L移至单刀双掷开关的前端，如图3.4所示［1］。

图3.4升压开关稳压器模型

在图3.4中，当开关置于位置1时，L储存能量，C释放能量； 当开关置于位置2时，L释放能量，C储存能量。若在合适的L、C取值下，输出电压VOUT比较平滑，纹波可以忽略不计，则在开关置于位置1时，电感两端的电压恒定为VIN，流过电感的电流iL(t)线性增加； 当开关置于位置2时，电感两端的电压近似恒定为VIN -VOUT，流过电感的电流iL(t)线性减小。根据伏秒法则： 
VIN×DTs=(VOUT-VIN)×(1-D)Ts
可以得出： 
VOUT=VIN/(1-D)
由此，实现了升压变换。3.2节和3.3节将重点对Buck开关稳压器的基本组成和基本实现电路进行介绍。3.4节将分别结合一个Buck和Boost开关稳压器产品进行实例分析。3.2Buck开关稳压器的基本组成及工作特点图3.2的开关稳压器模型给出了从一个直流电压输入得到另一个平滑的直流电压输出的原理，但它还不足以构成一个完整的开关稳压器。
首先，需要解决开关通断控制的问题。电路中应该有一个波形振荡电路，产生占空比D的矩形波，控制开关的通断。另外，更重要的，开关稳压器的核心作用是在输入电压或负载变化时，能给出稳定的输出电压。为此，和线性稳压器类似，负反馈的引入是必不可少的。当某种原因引起输出电压发生变化时，通过采样电路，将此变化引回到电路，并转换为控制开关通断的矩形波占空比D的变化，从而抵消输出电压原来的变化。Buck开关稳压器的基本组成如图3.5所示，它包含调整管、开关控制电路、采样电路、基准电压电路、比较放大电路和LC滤波电路六个部分［2］。

图3.5Buck开关稳压器的基本组成


与线性稳压器相比，Buck开关稳压器的基本组成增加了开关控制电路和LC滤波电路这两个模块。图3.5中的调整管不再工作于线性放大区，而是在开关控制电路的作用下，工作在截止区或者饱和区。这样，调整管上所消耗的能量大大减少。能量不再连续地从输入端向输出端传递，而是以脉冲的形式间歇传递，再通过LC滤波电路在输出端平滑地释放。这就是开关稳压器和线性稳压器的根本区别所在。与线性稳压器类似，Buck开关稳压器仍然通过负反馈来实现稳压。当输入电压或负载发生变化时，将引起输出电压的变化。通过采样电路，将变化后的输出电压和基准电压进行比较，其误差经放大后到达开关控制电路的输入端，引起控制调整管通断的矩形波占空比D的变化，进而导致输出电压往相反的方向变化，抵消因输入电压或负载变化而引起的输出电压的变化。同样的，和线性稳压器类似，通过调节采样电路的参数，输出电压可以在的范围内调节。此外，与线性稳压器不同，Buck开关稳压器电路中需要电容和电感等储能元器件，应用电路的体积增大。3.3Buck开关稳压器的基本实现电路3.3.1基本实现电路
图3.6为Buck开关稳压器的一个基本实现电路。

图3.6Buck开关稳压器的基本实现电路

对照图3.5所示的Buck开关稳压器基本组成，在图3.6中，调整管Q1采用JFET 2N5486。它在开关控制电路的作用下周期性地导通和关断。当Q1导通时，输入电压Vin加到二极管D1的负极，使其截止，相当于图3.2中的开关置于位置1； 当Q1截止时，电感L1上的感应电动势使得二极管D1导通，起到续流的作用，相当于图3.2中的开关置于位置2。于是，就可以在Q1的源极得到脉冲电压。开关控制电路由三角波振荡器和比较器构成。用作比较器的集成运算放大器，其反相端接三角波，同相端接来自比较放大电路的输出，从而产生占空比D受控于采样电压的开关控制信号。基准电压电路采用前面所述的稳压管稳压电路，稳压管采用BZX55C5V1，稳压电压约为5.1V。采样电路由电阻R1和R2组成。和线性稳压器类似，通过调整采样电路中R1和R2的阻值，使得输出电压不同。比较放大电路中的集成运算放大器采用TI 公司的LF347，构成加减运算电路。当输入电压或负载发生变化时，将引起输出电压的变化。比如，当输出电压有所减小时，通过采样电路将这个变化后的电压引入到运算放大器的反相输入端，和基准电压比较后获得一个正向误差，然后通过比较放大器进行放大。放大后的正向误差到达比较器的同相端，引起开关控制信号占空比D的增大，导致输出电压增加，从而保持输出电压的稳定。LC滤波电路由电感L1和电容C1构成。在合适的参数取值下，可以在输出端获得平滑的输出电压。如前所述，输出电压的平均值和输入电压Vin及开关控制信号的占空比D成正比。以下先通过Multisim对该电路的各项性能进行仿真，然后对实际电路做性能测试。3.3.2性能仿真在Multisim中搭建如图3.7所示的仿真电路。

图3.7Buck开关稳压器仿真电路
1. 参数设计通过选取采样电路中R1和R2的阻值、基准电压及比较放大电路中的各电阻取值，使输出电压为5V。2. 输入电压调节特性仿真对输入电压Vin进行直流扫描分析，得到图3.8所示的输入电压调节曲线。输入电压扫描范围为0~20V。

图3.8图3.7仿真电路的输入电压调节曲线

从该输入电压调节曲线可以看出，当输入电压为6~20V时，输出电压具有很好的稳定度。当输入电压变化时，开关稳压器通过调节开关控制信号的占空比来获得稳定的输出电压。进一步对开关控制波形进行观测，在负载电阻RL=10kΩ时，得到输入电压Vin分别为6V和12V时调整管源极的电压信号，如图3.9（a）和图3.9（b）所示。从图3.9可以看出，当输入电压在允许的波动范围内变化时，为了得到稳定的输出电压，Vin越大，开关控制信号的占空比越小。

图3.9输入电压变化时占空比调节示意图



图3.9(续)

图中每个周期的占空比并不完全一致，这是由于输出电压存在波动，电路对占空比进行即时调节的结果。3. 负载调节特性仿真当输入电压Vin=12V时，对负载电阻RL进行参数扫描分析，得到图3.10所示的负载调节曲线。

图3.10图3.7仿真电路的负载调节曲线

从图3.10可以看出，当负载电阻大于1kΩ时，输出电压具有很好的稳定度。当负载变化时，开关稳压器通过调节开关控制信号的占空比来获得稳定的输出电压。进一步对开关控制波形进行观测，当输入电压Vin=12V时，得到负载电阻RL分别为1kΩ和10kΩ时调整管源极的电压信号，如图3.11(a)和图3.11(b)所示。

图3.11负载变化时占空比调节示意图

从图3.11可以看出，当负载在允许波动范围内变化时，为了得到稳定的输出电压，负载电流越大，开关控制信号的占空比越大。4. 纹波及电源纹波抑制比仿真用Multisim中的虚拟示波器对输出电压的交流分量进行观测，得到输出纹波电压波形如图3.12所示。

图3.12输出电压纹波

从图3.12可以看出，当输入电压为纯净的12V直流电压时，输出端可以观测到峰�卜逯翟嘉�17mV的纹波电压，这是由开关稳压器内部电路产生的，这也是开关稳压器和线性稳压器的一个重要区别。和第2章类似，为了研究电路的电源纹波抑制比，对仿真电路进行修改，在图3.7的基础上增加一个交流小信号源V1，用来模拟输入电压纹波，如图3.13所示。

图3.13开关稳压器PSRR仿真电路

当V1是峰值为50mV、频率为1kHz的正弦波时，用虚拟示波器对输出电压的交流分量进行观测，波形与图3.12几乎相同。可见开关稳压器电路的PSRR是比较高的，能够有效地滤除输入电压中的纹波，它的输出电压纹波主要来自电路内部。5. 瞬态响应仿真对图3.7的开关稳压器进行仿真，当输入电压在9~10V之间变化时，输出电压的瞬态响应曲线如图3.14所示。

图3.14输入电压瞬态响应

从图3.14可以看出，当输入电压从9V跳变到10V时，输出电压会产生约38mV的超调，然后再过渡到新的稳态值（确切地说是稳态值的误差允许范围）。由于仿真电路中的开关频率较低，仅为1kHz，于是瞬态响应速度就会比较慢，调整时间约为32ms。实际的开关稳压器产品中，开关频率通常远远大于1kHz。3.3.3电路中各点的波形用虚拟示波器对电路中各点的波形进行测量，如图3.15所示。

图3.15电路中各点的波形

为了在输出端获得平滑的电压和电流，L、C的取值非常关键。在电感电流临界连续的情况下，电感的小取值可以按（Vin-Vout）/（0.3~0.5）IOmax进行估算［5］。图3.7的仿真电路中，由于开关频率仅为1kHz，电感的取值比较大，不太现实。实际的开关稳压器中，开关频率为几百千赫到几兆赫，电感的取值可以大大减小。3.4Buck和Boost开关稳压器产品实例本节以TI的Buck开关稳压器芯片TPS62290和Boost开关稳压器芯片TPS61500为例，对其内部电路结构进行分析，并对其性能指标进行测试。3.4.1TPS622901. TPS62290概况
1) 基本特点数据手册的开头部分介绍了该开关稳压器的主要特点如下： (1) 高效率的降压转换器； (2) 输出电流可达1A； (3) 输出电压可调，小可至0.6V，输出电压精度可达± 1.5%； (4) 宽输入电压范围（2.3~6V）； (5) 固定的2.25MHz开关频率； (6) 适用于电池供电的移动产品； (7) 外接较小电感和电容即可组成应用电路，体积较小。2) 外观及引脚定义TPS62290提供SON等封装形式，SON封装的芯片引脚排列如图3.16所示，引脚功能定义如表3.1所示。

图3.16TPS62290引脚排列

表3.1中的PFM（Pulse Frequency Modulation,脉冲频率调制）是和PWM不同的调节模式，它在开关通断控制信号的占空比不变的情况下，根据FB引脚的反馈电压输入自动调节开关通断控制信号的频率，从而达到调整输出电压的目的。

表3.1TPS62290引脚功能定义


引脚名称功能定义
VIN输入电压，2.3~6VEN芯片使能端，高电平使能，低电平关断GND芯片接地引脚SW开关输出引脚，内接MOSFET源极FB反馈输入端，外接采样电路MODE调节模式输入引脚。该引脚为高电平时，芯片工作于固定频率的PWM模式； 低电平时工作于节能模式，该模式下系统自动在PWM和PFM模式之间切换
2. TPS62290的内部结构数据手册中给出了TPS62290的内部结构框图，如图3.17所示。

图3.17TPS62290内部结构框图

对照图3.5的Buck开关稳压器基本组成，TPS62290的各组成部分及其实现情况如下： 1) 调整管及保护电路TPS62290内部采用了一对MOSFET。上拉的NMOS管作为调整管； 下拉的PMOS管作为续流管，相当于图3.7中的二极管D1。NMOS管导通时，PMOS管截止； NMOS管截止时，PMOS管导通。NMOS管的漏极接输入电压Vin，当NMOS管导通时，输入电压传递到NMOS管的源极，即芯片的SWI引脚。当NMOS管截止时，PMOS管导通，为外接的LC滤波电路提供续流通路。从图3.17可以看出，上拉和下拉部分都带有过流比较器（current limit parator）。当检测到过限的电流时，开关控制逻辑电路将输出相应的控制信号，将NMOS管或PMOS管关断，起到保护的作用。2) 开关控制电路由PWM/PFM比较器（PWM/PFM parator）、控制级（control stage）和门驱动器（gate driver）组成。芯片内部有一个2.25MHz的振荡器（oscillator）及锯齿波发生器（sawtooth generator）。PWM比较器根据误差放大器（error amplifier）的输出和锯齿波发生器的输出，为控制级提供占空比的开关控制矩形波。PFM比较器根据基准电压VREF和采样电路反馈的电压，为控制级提供频率调节参数。控制级根据调节模式引脚MODE的输入信号，综合PFM比较器和PWM比较器的输出，生成频率和占空比的开关控制信号。门驱动器负责驱动MOSFET开关，它带有防止上拉管和下拉管同时导通而引起输入端和地直通的功能（anti shoot�瞭hrough），可以保护MOSFET的正常工作。3) 基准电压电路TPS62290内部的电压基准电路（reference）产生0.6V的基准电压，供PFM比较器和误差放大器使用。4) 采样电路TPS62290的采样电路外置，采样电压通过反馈输入端FB引入。5) 误差放大器误差放大器又称比较放大电路，将FB引脚的输入电压和参考电压进行比较和放大，为PWM比较器提供阈值电压。该阈值电压将影响开关控制信号的占空比D。6) LC滤波电路LC滤波电路外置，其中电感L跨接在开关引脚SW1和输出之间，电容C跨接在电感的另一端和地之间。7) 其他保护电路为了保证芯片安全稳定的工作，和线性稳压器芯片TPS79533类似，TPS62290内部设有各种保护电路。从图3.17可以看出，除了前面提到的MOSFET过流保护电路之外，还有过热保护电路（thermal shutdown）和压锁定电路（undervoltage lockout）。此外，图3.17中还有一个模块，即Softstart Vout Ramp Co

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