电池供电系统的稳压器拓扑

本教程概述了电池供电设备的稳压器拓扑。讨论内容涵盖线性稳压器、电荷泵、降压和升压稳压器、逆变器和反激式设计。解释了峰值电流的重要性，并显示了每种拓扑的原理图。

介绍

电源可能是电池供电系统中最关键的元件。了解一些基本的稳压器拓扑将有助于您选择和设计适合您需求的电源配置。本教程概述了电池供电设备的稳压器拓扑。讨论内容涵盖线性稳压器、电荷泵、降压和升压稳压器、逆变器和反激式设计。解释了峰值电流的重要性，并显示了每种拓扑的原理图。

稳压器拓扑概述

台式计算机、笔记本电脑、上网本、智能手机、PDA 和许多其他消费电子设备通常需要多个电源。这些设备可能需要一个 AC/DC 适配器、一个电池充电器、一个用于背光的高压 DC/AC 转换器，以及用于激光器、蜂窝无线电发射器和辅助设备的其他电源。表1显示了七种最常见的稳压器拓扑，从最简单的（线性稳压器）开始，逐步发展到更专业的类型（如反激式稳压器）。该表还列出了每种拓扑的优缺点。

在基本开关稳压器布局中交换元件会改变电路拓扑，以创建升压（升压）、降压（降压）或反相输入电压的稳压器。用变压器代替电感器会产生至少两个稳压器电路或辅助输出电压。

 

	优点	缺点
线性稳压器	• 价格 低廉 • 非常小 • 静态电流低（IQ) • 低噪声/电磁干扰	• V外必须小于 V在 • 在高输入电压和/或大负载下效率低下
电荷泵	• 价格 便宜 • 非常小 • 可以升压或反转	• 输出功率 有限 • 输入/输出电压比范围有限
降压（降压）	• 所有开关稳压器配置 中峰值电流最低 • 只有一个开关压降 • 输出滤波电容器中的低纹波电流 • 简单的电感器 • 低开关应力电压	• V外必须小于 V在 • 高边开关
升压（升压）	• 低峰值电流 • 低边开关 • 简单电感器 • 低开关 应力电压	• V外必须大于 V在 • 输出不能完全关闭 • 无短路保护
逆变器	• 简单电感器	• 仅 负输出 • 高边开关 • 高峰值电流
反 激 式	• 隔离输出 • 多路输出 • 升压/降压、反相 • 低边开关	• 变压器代替电感器 • 高峰值电流 • 高开关应力电压

 

表1省略了谐振模式稳压器等复杂拓扑，因为它们的控制电路对于小型电池供电系统消耗过多的功率。这些系统的规则很简单：电路越简单越好。简单的电路没有磁性元件、简单的电感器或 1：1 变压器。现成的磁性元件简化了组装并最大限度地降低了成本。其他拓扑可以从表 1 中的基本拓扑派生出来。这包括结合了降压和升压拓扑的Cuk转换器，以及将降压转换器与半个推挽式转换器相结合的正激式转换器。但是，本教程不会详细讨论这些拓扑。

线性稳压器

线性稳压器是最简单、最便宜的电源电路，但这种易用性通常是有代价的。如表1所示，线性稳压器包括一个反馈网络，用于监控输出电压并通过控制内部调整晶体管（BJT或FET）来调节输出电压。当输入电压大大超过输出电压时，该调整管在高负载下耗散大量能量（以热量形式）。这导致效率低于同类开关稳压器。

当与开关稳压器结合使用时，线性稳压器在产生多个电压时特别有用。开关稳压器可以提升低电池电压。但是，设计人员可以使用线性稳压器，而不是在小电路板上集成多个开关稳压器，以实现其低压差，从而为下游电路产生电压。

在电池供电系统中使用线性稳压器时，必须考虑静态电流（典型值和满负载时）、压差、热特性和关断能力。表2简要比较了部分可用的Maxim稳压器。

表 2.线性稳压器比较

 

部分	输入电压范围 （V）	静态电流		压差电压 （500mA 负载时） （mV）	关断电流 （μA）	包
		空载	我负荷= 500毫安 （微安）
MAX15029	1.425 到 3.6	275μA	315	40	5.5	东风网
MAX1806	2.25 到 5.5	210μA	575	201	0.02	微最大®
MAX1589	1.62 到 3.6	70μA	90	175	0.01	TSOT， TDFN
MAX1935	2.25 到 5.5	210μA	575	201	0.02	TQFN

 

参见Maxim的应用笔记751：“便携式应用中的线性稳压器”，详细讨论在电池供电电路中使用线性稳压器。

电荷泵

电荷泵使用电容器而不是电感开关电路来产生高于或低于输入电压的输出电压。稳压电荷泵还可以反相输入电压。

通常，可以从电荷泵汲取的负载电流限制在几十毫安。非稳压电荷泵的输出电压取决于输入电压，并随着输出负载的增加而成比例下降。稳压电荷泵不依赖于输入电压来设置输出电压，并且由于它们是稳压的，输出电压在整个负载范围内保持恒定。一些电荷泵能够处理高达125mA的电流（如MAX1595），少数电荷泵能够驱动高达250mA的负载（MAX682）。

电荷泵在对连接到器件的电容器进行充电和放电时会产生噪声。由于轻负载限制和缺少电感，这种噪声的幅度通常小于同类开关稳压器。

开关稳压器

开关模式稳压器比线性稳压器更高效、更通用;但是，它们也明显更复杂。影响开关稳压器拓扑选择的参数包括负载和电感的峰值电流、功率晶体管上的电压电平以及磁性和电容式储能的必要性。

开关模式稳压器有两种基本工作模式：不连续导通和连续导通。不连续导通允许电感电流在每个关断期间衰减至零，这导致存储的能量在每个开关周期内传输到输出滤波器。在连续导通模式下，电感电流包括与负载成比例的直流分量。在连续导通模式下工作可降低峰值电感电流与直流负载电流的比值。这反过来又降低了峰峰值纹波电流并降低了磁芯损耗。

峰值电流至关重要

在电池供电的转换器中，峰值电感电流很重要，因为它直接影响电池寿命和寄生损耗。它部分取决于平均负载电流，该电流随稳压器拓扑、控制电路以及电感电流是否连续而变化。升压、降压和逆变稳压器的峰值电感电流示例公式如表3所示。

表 3.峰值电感电流方程示例

 

配置	装置	峰值电感电流 （A）
降压/降压	MAX8566
升压/升压	MAX15059
逆变器	MAX1846

 

*LIR是最小占空比下电感纹波电流与平均连续电流的比值。周期。建议在 20% 到 40% 范围内选择 LIR 以实现最高的性能和稳定性。
**TS是器件的切换周期，η是效率。
***D.MAX是最大占空比。

开关晶体管上的电压应力在电池供电的转换器中通常不是问题。标准逻辑电平 MOSFET 的 20V 和 50V 击穿电压额定值足以满足电池供电系统中的低输入和输出电压。

耗散损耗发生在稳压电路的寄生电阻元件中。这些损耗包括电池的串联电阻;滤波电容器的等效串联电阻 （ESR）;开关元件的导通电阻;以及导体、连接器和接线中的电阻。耗散损耗与峰值电流的平方成正比，因此降低峰值电流可以极大地降低这些损耗。此外，内部加热会降低电池的化学成分;因此，过大的峰值电流会缩短电池寿命。

其他拓扑

降压稳压器是大多数电池供电应用的最佳选择，前提是您能够承受产生高于输出电压的电池电压所需的几节电池。电感电流在开关周期的两个阶段流向负载，因此平均输出电流等于平均电感电流。理论上，当输入电压较低时，效率最高，这意味着串联的电池更少。假设开关的导通状态压降远小于输入电压，则低输入电压可降低交流开关损耗和RMS输入电流。

升压或升压拓扑产生的输出电压大于输入电压。这些拓扑适合电池数量有限的系统。由于源电压和电感串联，因此平均电感电流等于直流输入电流，下式给出：

I = P在/V在.

有时称为降压-升压电路，逆变器拓扑产生的输出电压与输入电压的极性相反。在考虑峰值电流和电压应力时，反相和反激式稳压器在电上是等效的。这些拓扑最适合需要负极或镀锌隔离输出的应用。然而，一般而言，高峰值电流使得反相和反激式拓扑成为简单稳压器中最不吸引人的。

反相和升压拓扑的工作原理类似，但逆变器的整流电感电流会产生负输出电压，而源电压则无法辅助该电压。反相稳压器的开关元件会经历较大的电压摆幅，从而对晶体管施加高开关损耗和应力。此外，反相和反激式稳压器具有输入和输出滤波电容，必须吸收具有大而尖锐转换的电流波形。升压稳压器的输入电容或降压稳压器的输出电容上没有快速移动的波形边沿。

倒置拓扑具有低边开关

您可以通过将经典降压、升压和反相拓扑倒置连接来实现三种负拓扑。由于输入源是反相的，因此开关和整流器的极性必须反转（图1）。虽然目前没有可用于负拓扑的IC，但您可以使用正输出IC。负降压稳压器具有正降压稳压器的所有优点，以及低侧开关的额外优势。低边开关布置使用低R。上n沟道MOSFET，具有简单的驱动要求。负降压稳压器作为主正稳压器的替代品具有一定的吸引力，只要电池可以相对于系统接地浮动即可。如果电池可以浮动，则可以将接地参考负输出，将电池的正极端子参考为 V外.

图1.可以反转输入源以创建三个拓扑。负降压稳压器 （a） 的输出电压小于输入。负升压稳压器 （b） 的负输出大于输入。负反相稳压器（c）将负电压转换为正电压。

通常，构建多个独立电源是在电池供电系统中设计多个输出的最佳方式。使用简单的拓扑结构，您可以使用现成的变压器或电荷泵抽头产生剩余的输出。

耦合电感电路（图 2）为基本的降压、升压和反相拓扑增加了一个额外的反激绕组。这些混合电路非常重要，因为它们结合了反激式电路的优点（隔离和廉价的多路输出）与降压和升压电路的优点（开关上的低峰值电流和低压应力）。耦合电感电路将反激式电路所需的绕组数量减少了一个。这种减少允许使用廉价的1：1变压器来产生双输出电压。

图2.在基本 （a） 降压、（b） 升压和 （c） 逆变器配置中，您可以使用反激式变压器而不是电感器来创建辅助输出。

带反激式绕组的降压稳压器是许多电池供电应用的高性能拓扑。该配置具有出色的稳定性、低峰值电流和低输出纹波。次级绕组的输出功率取决于主输出的负载电流和初级绕组的差分电压。这两个参数决定了触发反激机制的磁芯磁通量的变化。

通常，可用的总次级功率等于或小于主输出功率的一半。本指南仅适用于高输入电压。对于低于输出电压一倍半的输入电压，应降低次级功率的估计值。该规则也不适用于包含同步整流器而不是简单二极管的电路。同步整流器在初级电流反转时有很短的时间，这会导致电路表现为正激式转换器而不是反激式转换器。为了在这种正向导通模式下有效地传输功率，必须将漏感降至最低，降低绕组和整流器阻抗，并使次级输出的滤波电容尽可能小于纹波电压允许的范围。

二极管电容电荷泵提供了另一种产生多个输出电压的廉价方法。任何具有重复脉冲的节点都可以驱动二极管电容网络。栅极驱动器输出或开关稳压器的主开关节点是一个不错的选择。例如，当开关节点为高电平时，升压稳压器可以通过接地二极管为跨接电容充电（图 3a）。打开升压晶体管会迫使开关节点和跨接电容的正电压端为0V。当升压晶体管导通时，跨接电容通过放电到辅助输出电容中产生负电压。

图3.电荷泵抽头提供了一种实现辅助输出电压的廉价方法。使用跨接电容（a）分接升压电路会产生负电荷泵。在升压电路（b）的输出端放置倍压器可产生高压辅助输出。

二极管电容电荷泵与升压开关稳压器配合使用效果最佳，因为开关节点在明确定义的电压V之间摆动外，和地面。因此，线路调节良好。但是，当您分接降压或反相稳压器的开关节点时，调节效果不佳，因为高压V。在，随电池电压而变化。负载调整率主要取决于二极管的正向压降。在输出为运算放大器或FET栅极驱动器供电的超低功耗应用（20mA或更低）中，可以使用廉价的1N4148二极管和1mF电容构建电荷泵。

审核编辑：郭婷