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线性及开关式稳压器性能比较及类型分析

发布时间:2019-11-25

来源:英飞凌汽车电子生态圈

浏览次数:45

DCDC直流电源转换器从字面上来看便可大致得知其主要作用是要作为不同电压源需求转换的, 从某一主要输入电压转换到另一个所需求的电压来提供给不同芯片所使用。

举例来说, 一般汽车上所提供的电压为12V, 但在不同的应用及不同的IC芯片则会有不同的工作电压需求, DCDC转换器是指将直流输入电源转换成另一直流输出的装置名称。在应用上,通常有线性稳压器 (Linear Regulator),如图1,或开关式稳压器(Switching Regulator),如图2

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此次,主要针对的是开关式稳压器进行介绍, 其主要转换结构可分为三大类:

升压型(输出电压>输入电压);

降压型(输出电压<输出入压);

升降压型(输入电压<or>输出电压);

 

利用这三种电源转换器就可以将大多数输入的电压转换为我们所需要的各种电压。

为何需要使用DCDC直流开关式稳压器?在这之前让我们先来了解一下线性稳压器和开关式稳压器一些特性上的差异比较。

从转换时所产生的功率损失来看

线性稳压器的输出/输入功率损耗=(输入电压-输出电压)*输出电流=灰色面积*输出电流(如图3)。


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开关式稳压器输出/输入功率损耗=开关损失+导通损失=灰色面积部分(如图4)。


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从以上的波形可明显的看出,开关式稳压器的工作损失大大地小于线性稳压器。换而言之,开关式稳压器的转换效率高于线性稳压器。而从电路结构上来看,开关式稳压器则需要较多的外围组件,所以其设计的复杂程度较线性稳压器高出许多。所以在两者的工特性上来说各有其优缺点及适合的应用。

如下表1是依据两者的工作特性来做一些比较,也可以在选用稳压器时作为参考。

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通过以上的介绍, 我们知道DCDC开关式稳压器大致有分为三种:降压型,升压型,升-降压型。

以下先从基本电路设计方面,介绍了稳压器基本原理。接着,在后续的文章中会再作深入的设计要领分享。

降压型:

此转换架构应该是目前在开关式稳压器中普遍的。图5是一个典型的异步式降压转换器。如果将二极管改为晶闸管, 则称之为同步式降压转换器。在电路图中, 利用控制PWM(脉波宽度调变)来控制传送能量的大小,再到后端电感(L)及电容(C)作为能量转移及滤波。而脉波的导通宽度则称之为工作周期(Duty cycle)。所以用简单的方式来说,当你知道输入/输出的电压后, 便能知道其所需工作周期为: 

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升压型:

此转换器通常应用在输入电压降到很低的时候,某些芯片仍需维持工作状态一段时间,或是其输入电压小于芯片的工作电压,所以只能用升压转换器来将电压推升至所需的安全工作区间。如图6是一个标准的升压电路。其主要是由PWM关闭时,透过电感L电压反向时加上输入电压来作输出电压的提升


其脉波的导通工作周期公式如下:


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升降压型:

当输入电压变动范围是较大的,工作条件下可能高于或低于输出电压(例如放电中的电池),此时升/降压转换器 (Buck-boost) 是完好的电源转换器方案。

/降压转换器依据输入电压和输出电压间的差异,其PWM控制模式则会自动切换为降压模式 (Buck) 或升压模式 (Boost)。由于其结合了 Buckboost 的模式,所以车载电池供电的应用是非常适合的应用。在电池充满电的高电平状态,可使用降压模式稳定输出的电压;在电池电力快耗尽的低电平状态,可以在升压的模式提供固定的输出电压。



在以上介绍中,对线性稳压器和各开关式稳压器在性能上进行了比较。希望借此,对大家在稳压器的选择上能有所帮助,也能在系统的优化及设计过程中可以针对每种稳压器的特性作更好的配置。

 

 

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摘自 英飞凌汽车电子生态圈