電池供電系統的穩壓器拓撲

本教程概述了電池供電設備的穩壓器拓撲。討論內容涵蓋線性穩壓器、電荷泵、降壓和升壓穩壓器、逆變器和反激式設計。解釋了峰值電流的重要性，并顯示了每種拓撲的原理圖。

介紹

電源可能是電池供電系統中最關鍵的元件。了解一些基本的穩壓器拓撲將有助于您選擇和設計適合您需求的電源配置。本教程概述了電池供電設備的穩壓器拓撲。討論內容涵蓋線性穩壓器、電荷泵、降壓和升壓穩壓器、逆變器和反激式設計。解釋了峰值電流的重要性，并顯示了每種拓撲的原理圖。

穩壓器拓撲概述

臺式計算機、筆記本電腦、上網本、智能手機、PDA 和許多其他消費電子設備通常需要多個電源。這些設備可能需要一個 AC/DC 適配器、一個電池充電器、一個用于背光的高壓 DC/AC 轉換器，以及用于激光器、蜂窩無線電發射器和輔助設備的其他電源。表1顯示了七種最常見的穩壓器拓撲，從最簡單的（線性穩壓器）開始，逐步發展到更專業的類型（如反激式穩壓器）。該表還列出了每種拓撲的優缺點。

在基本開關穩壓器布局中交換元件會改變電路拓撲，以創建升壓（升壓）、降壓（降壓）或反相輸入電壓的穩壓器。用變壓器代替電感器會產生至少兩個穩壓器電路或輔助輸出電壓。

	優點	缺點
線性穩壓器	? 價格 低廉 ? 非常小 ? 靜態電流低（IQ) ? 低噪聲/電磁干擾	? V外必須小于 V在 ? 在高輸入電壓和/或大負載下效率低下
電荷泵	? 價格 便宜 ? 非常小 ? 可以升壓或反轉	? 輸出功率 有限 ? 輸入/輸出電壓比范圍有限
降壓（降壓）	? 所有開關穩壓器配置 中峰值電流最低 ? 只有一個開關壓降 ? 輸出濾波電容器中的低紋波電流 ? 簡單的電感器 ? 低開關應力電壓	? V外必須小于 V在 ? 高邊開關
升壓（升壓）	? 低峰值電流 ? 低邊開關 ? 簡單電感器 ? 低開關 應力電壓	? V外必須大于 V在 ? 輸出不能完全關閉 ? 無短路保護
逆變器	? 簡單電感器	? 僅 負輸出 ? 高邊開關 ? 高峰值電流
反 激 式	? 隔離輸出 ? 多路輸出 ? 升壓/降壓、反相 ? 低邊開關	? 變壓器代替電感器 ? 高峰值電流 ? 高開關應力電壓

表1省略了諧振模式穩壓器等復雜拓撲，因為它們的控制電路對于小型電池供電系統消耗過多的功率。這些系統的規則很簡單：電路越簡單越好。簡單的電路沒有磁性元件、簡單的電感器或 1：1 變壓器?，F成的磁性元件簡化了組裝并最大限度地降低了成本。其他拓撲可以從表 1 中的基本拓撲派生出來。這包括結合了降壓和升壓拓撲的Cuk轉換器，以及將降壓轉換器與半個推挽式轉換器相結合的正激式轉換器。但是，本教程不會詳細討論這些拓撲。

線性穩壓器

線性穩壓器是最簡單、最便宜的電源電路，但這種易用性通常是有代價的。如表1所示，線性穩壓器包括一個反饋網絡，用于監控輸出電壓并通過控制內部調整晶體管（BJT或FET）來調節輸出電壓。當輸入電壓大大超過輸出電壓時，該調整管在高負載下耗散大量能量（以熱量形式）。這導致效率低于同類開關穩壓器。

當與開關穩壓器結合使用時，線性穩壓器在產生多個電壓時特別有用。開關穩壓器可以提升低電池電壓。但是，設計人員可以使用線性穩壓器，而不是在小電路板上集成多個開關穩壓器，以實現其低壓差，從而為下游電路產生電壓。

在電池供電系統中使用線性穩壓器時，必須考慮靜態電流（典型值和滿負載時）、壓差、熱特性和關斷能力。表2簡要比較了部分可用的Maxim穩壓器。

表 2.線性穩壓器比較

參見Maxim的應用筆記751：“便攜式應用中的線性穩壓器”，詳細討論在電池供電電路中使用線性穩壓器。

電荷泵

電荷泵使用電容器而不是電感開關電路來產生高于或低于輸入電壓的輸出電壓。穩壓電荷泵還可以反相輸入電壓。

通常，可以從電荷泵汲取的負載電流限制在幾十毫安。非穩壓電荷泵的輸出電壓取決于輸入電壓，并隨著輸出負載的增加而成比例下降。穩壓電荷泵不依賴于輸入電壓來設置輸出電壓，并且由于它們是穩壓的，輸出電壓在整個負載范圍內保持恒定。一些電荷泵能夠處理高達125mA的電流（如MAX1595），少數電荷泵能夠驅動高達250mA的負載（MAX682）。

電荷泵在對連接到器件的電容器進行充電和放電時會產生噪聲。由于輕負載限制和缺少電感，這種噪聲的幅度通常小于同類開關穩壓器。

開關穩壓器

開關模式穩壓器比線性穩壓器更高效、更通用;但是，它們也明顯更復雜。影響開關穩壓器拓撲選擇的參數包括負載和電感的峰值電流、功率晶體管上的電壓電平以及磁性和電容式儲能的必要性。

開關模式穩壓器有兩種基本工作模式：不連續導通和連續導通。不連續導通允許電感電流在每個關斷期間衰減至零，這導致存儲的能量在每個開關周期內傳輸到輸出濾波器。在連續導通模式下，電感電流包括與負載成比例的直流分量。在連續導通模式下工作可降低峰值電感電流與直流負載電流的比值。這反過來又降低了峰峰值紋波電流并降低了磁芯損耗。

峰值電流至關重要

在電池供電的轉換器中，峰值電感電流很重要，因為它直接影響電池壽命和寄生損耗。它部分取決于平均負載電流，該電流隨穩壓器拓撲、控制電路以及電感電流是否連續而變化。升壓、降壓和逆變穩壓器的峰值電感電流示例公式如表3所示。

表 3.峰值電感電流方程示例

配置	裝置	峰值電感電流 （A）
降壓/降壓	MAX8566
升壓/升壓	MAX15059
逆變器	MAX1846

*LIR是最小占空比下電感紋波電流與平均連續電流的比值。周期。建議在 20% 到 40% 范圍內選擇 LIR 以實現最高的性能和穩定性。
**TS是器件的切換周期，η是效率。
***D.MAX是最大占空比。

開關晶體管上的電壓應力在電池供電的轉換器中通常不是問題。標準邏輯電平 MOSFET 的 20V 和 50V 擊穿電壓額定值足以滿足電池供電系統中的低輸入和輸出電壓。

耗散損耗發生在穩壓電路的寄生電阻元件中。這些損耗包括電池的串聯電阻;濾波電容器的等效串聯電阻 （ESR）;開關元件的導通電阻;以及導體、連接器和接線中的電阻。耗散損耗與峰值電流的平方成正比，因此降低峰值電流可以極大地降低這些損耗。此外，內部加熱會降低電池的化學成分;因此，過大的峰值電流會縮短電池壽命。

其他拓撲

降壓穩壓器是大多數電池供電應用的最佳選擇，前提是您能夠承受產生高于輸出電壓的電池電壓所需的幾節電池。電感電流在開關周期的兩個階段流向負載，因此平均輸出電流等于平均電感電流。理論上，當輸入電壓較低時，效率最高，這意味著串聯的電池更少。假設開關的導通狀態壓降遠小于輸入電壓，則低輸入電壓可降低交流開關損耗和RMS輸入電流。

升壓或升壓拓撲產生的輸出電壓大于輸入電壓。這些拓撲適合電池數量有限的系統。由于源電壓和電感串聯，因此平均電感電流等于直流輸入電流，下式給出：

I = P在/V在.

有時稱為降壓-升壓電路，逆變器拓撲產生的輸出電壓與輸入電壓的極性相反。在考慮峰值電流和電壓應力時，反相和反激式穩壓器在電上是等效的。這些拓撲最適合需要負極或鍍鋅隔離輸出的應用。然而，一般而言，高峰值電流使得反相和反激式拓撲成為簡單穩壓器中最不吸引人的。

反相和升壓拓撲的工作原理類似，但逆變器的整流電感電流會產生負輸出電壓，而源電壓則無法輔助該電壓。反相穩壓器的開關元件會經歷較大的電壓擺幅，從而對晶體管施加高開關損耗和應力。此外，反相和反激式穩壓器具有輸入和輸出濾波電容，必須吸收具有大而尖銳轉換的電流波形。升壓穩壓器的輸入電容或降壓穩壓器的輸出電容上沒有快速移動的波形邊沿。

倒置拓撲具有低邊開關

您可以通過將經典降壓、升壓和反相拓撲倒置連接來實現三種負拓撲。由于輸入源是反相的，因此開關和整流器的極性必須反轉（圖1）。雖然目前沒有可用于負拓撲的IC，但您可以使用正輸出IC。負降壓穩壓器具有正降壓穩壓器的所有優點，以及低側開關的額外優勢。低邊開關布置使用低R。上n溝道MOSFET，具有簡單的驅動要求。負降壓穩壓器作為主正穩壓器的替代品具有一定的吸引力，只要電池可以相對于系統接地浮動即可。如果電池可以浮動，則可以將接地參考負輸出，將電池的正極端子參考為 V外.

圖1.可以反轉輸入源以創建三個拓撲。負降壓穩壓器 （a） 的輸出電壓小于輸入。負升壓穩壓器 （b） 的負輸出大于輸入。負反相穩壓器（c）將負電壓轉換為正電壓。

通常，構建多個獨立電源是在電池供電系統中設計多個輸出的最佳方式。使用簡單的拓撲結構，您可以使用現成的變壓器或電荷泵抽頭產生剩余的輸出。

耦合電感電路（圖 2）為基本的降壓、升壓和反相拓撲增加了一個額外的反激繞組。這些混合電路非常重要，因為它們結合了反激式電路的優點（隔離和廉價的多路輸出）與降壓和升壓電路的優點（開關上的低峰值電流和低壓應力）。耦合電感電路將反激式電路所需的繞組數量減少了一個。這種減少允許使用廉價的1：1變壓器來產生雙輸出電壓。

圖2.在基本 （a） 降壓、（b） 升壓和 （c） 逆變器配置中，您可以使用反激式變壓器而不是電感器來創建輔助輸出。

帶反激式繞組的降壓穩壓器是許多電池供電應用的高性能拓撲。該配置具有出色的穩定性、低峰值電流和低輸出紋波。次級繞組的輸出功率取決于主輸出的負載電流和初級繞組的差分電壓。這兩個參數決定了觸發反激機制的磁芯磁通量的變化。

通常，可用的總次級功率等于或小于主輸出功率的一半。本指南僅適用于高輸入電壓。對于低于輸出電壓一倍半的輸入電壓，應降低次級功率的估計值。該規則也不適用于包含同步整流器而不是簡單二極管的電路。同步整流器在初級電流反轉時有很短的時間，這會導致電路表現為正激式轉換器而不是反激式轉換器。為了在這種正向導通模式下有效地傳輸功率，必須將漏感降至最低，降低繞組和整流器阻抗，并使次級輸出的濾波電容盡可能小于紋波電壓允許的范圍。

二極管電容電荷泵提供了另一種產生多個輸出電壓的廉價方法。任何具有重復脈沖的節點都可以驅動二極管電容網絡。柵極驅動器輸出或開關穩壓器的主開關節點是一個不錯的選擇。例如，當開關節點為高電平時，升壓穩壓器可以通過接地二極管為跨接電容充電（圖 3a）。打開升壓晶體管會迫使開關節點和跨接電容的正電壓端為0V。當升壓晶體管導通時，跨接電容通過放電到輔助輸出電容中產生負電壓。

圖3.電荷泵抽頭提供了一種實現輔助輸出電壓的廉價方法。使用跨接電容（a）分接升壓電路會產生負電荷泵。在升壓電路（b）的輸出端放置倍壓器可產生高壓輔助輸出。

二極管電容電荷泵與升壓開關穩壓器配合使用效果最佳，因為開關節點在明確定義的電壓V之間擺動外，和地面。因此，線路調節良好。但是，當您分接降壓或反相穩壓器的開關節點時，調節效果不佳，因為高壓V。在，隨電池電壓而變化。負載調整率主要取決于二極管的正向壓降。在輸出為運算放大器或FET柵極驅動器供電的超低功耗應用（20mA或更低）中，可以使用廉價的1N4148二極管和1mF電容構建電荷泵。

審核編輯：郭婷