基于LM267X穩壓器的正到負降壓/升壓轉換器的應用技巧

　　工業(yè)、通信及個(gè)人系統等產(chǎn)品對穩壓器或類(lèi)似芯片的需求不斷增加，但大部分開(kāi)關(guān)穩壓器的設計除了需要專(zhuān)門(mén)的設計技術(shù)外，更需增加大量外置式元件才可正常工作。本文介紹LM267X系列穩壓器在極性反相轉換器設計中的應用技巧。

　　極性反相轉換器在開(kāi)始工作時(shí)先將能量?jì)Υ嬖陔姼衅?L)內，后通過(guò)二極管(D)將能量傳送至輸出區。開(kāi)關(guān)一旦啟動(dòng)，二極管便產(chǎn)生反相偏壓，電感器電流也隨即以線(xiàn)性方式增加。開(kāi)關(guān)一旦關(guān)閉，電感器的極性將反過(guò)來(lái)，以確保開(kāi)關(guān)電流可保持最高的流量。因此，二極管將產(chǎn)生正向偏壓，而儲存在電感器之內的能量會(huì )傳送至負載及電容器。由于這類(lèi)轉換器可以升高或降低輸入電壓，因此，這種集成電路也稱(chēng)為降壓/升壓轉換器。

　　設計上的考慮

　　采用LM2673芯片的極性反相穩壓器的典型配置,負輸出已接地，而反饋信號則傳送至接地，因此無(wú)需額外的電平移位以及將反饋信號加以反相，就可適當調節負極輸出。此應用方案也可采用可調型LM2673芯片，辦法是將反饋電阻由接地連接至輸出電壓(VOUT)(與輸出電容器并行連接)。由于這種電路的控制與輸出傳送函數的零點(diǎn)出現在右半平面，因此一般來(lái)說(shuō)穩定性較差。因此，在輸入與負
輸出之間需要采用另一比輸入電容器更小的電容器CC將之連接起來(lái)，以確保穩壓器環(huán)路的穩定工作，100uF或以下的小電容可以發(fā)揮器件的性能。

　　若輸出電流低至100mA以下，穩壓器可以采用斷續模式工作，這樣便無(wú)需電容器CC。

　　若使用電容器CC，每當供電電壓開(kāi)始輸入電路時(shí)，電容器充電電流會(huì )在輸出的起始狀態(tài)出現正電壓尖峰，但一般來(lái)說(shuō)，這個(gè)正電壓尖峰波幅太小，不會(huì )引起任何問(wèn)題。

　　電容器初始狀態(tài)的充電電流會(huì )令電容器等效串聯(lián)電阻(ESR)的電壓下降。由于電容器CC及輸出電容器可執行分壓器的功能，因此電壓尖峰的波幅在初始狀態(tài)由CC及輸出電容器的ESR數值所決定。輸出電容器的ESR數值一般均遠比補償電容器的ESR為低，因此初期電壓尖峰波幅很小，一般只有500mV。若傳感器直流電阻高至2V以上，而啟動(dòng)電流在初始狀態(tài)也很高，尖峰也將較高。二極管D2將正輸出電壓尖峰鉗位在某一電平內，以肖特基二極管為例，電壓大約可定在300mV內。大部份情況均無(wú)需鉗位，也無(wú)需采用D2。

　　選擇適用的元件

　　以下列出所選的電路元件及其詳細計算結果。均以連續模式工作為基準計算。

　　占空比的計算如下：

　　D=( |VOUT|+Vd ) / (VIN+|VOUT|+Vd-VSW)

　　在上述方程式之中：Vd=二極管正向電壓; VSW=晶體管導通電壓; VSW=Iswmax*RDS(on);傳感器平均電流為：

　　IL = IOUT/(1 - D)

　　采用不同方法可以計算出所需的電感量。較佳方法是將電感器紋波電流(△IL)選定在傳感器平均電流(IL)的20%與30%之間。這樣穩壓器可在連續模式下工作，此設計的負載瞬態(tài)響應較好，輸出紋波電壓也較理想。

　　因此，峰至峰電感器紋波電流(△IL)選定為：△IL=0.2至0.3*IL，所需電感為：

　　L= VIN*D / (f-△IL)

　　電感器的額定RMS電流應等于或超過(guò)最高開(kāi)關(guān)電流(Isw max)，以免電感飽和。此外，電感器的額定伏秒值至少應為：E*T= VIN/D*f

　　集成電路的額定參數計算

　　直流/直流轉換器的額定功率必須支持最高電流及電壓。

　　開(kāi)關(guān)電流峰值為：

　　Isw max=IL+ △IL/2

　　由于芯片的接地連接輸出，芯片的額定最高輸入電壓必須支持標稱(chēng)輸入電壓及輸出電壓。

　　芯片的額定最高開(kāi)關(guān)電壓及輸入電壓為：Vsw max=VIN+|VOUT|，功耗為：PD=VIN*Iq+(Isw max)2*RDS(on)，最高的開(kāi)關(guān)電流取決于占空比D及電感器數值。

　　二極管額定值的計算

　　續流二極管D1必須滿(mǎn)足以下參數要求：IDmax=Iswmax VDmax=VIN+|VOUT| PD=IDmax*VD*(1-D)

　　一般均會(huì )采用低正向導通電壓的肖特基二極管，以便獲得理想的轉換效率。

　　選擇適用的輸出電容器

　　選擇輸出電容器時(shí)必須以其ESR數值的大小為主要的取舍標準，且其電容必須夠大，足以在接通電源后提供負載電流。ESR數值的大小對輸出電壓紋波有決定性的影響。ESR的計算方法如下：

　　ESR = △VOUT/Iswmax

　　在以上方程式中：△VOUT=需要的輸出紋波電壓

　　電容器的電容必須達到某一最低的數值，才可提供所需的輸出紋波及負載電流，其計算方法如下：

　　COUT min= IOUT*D/f-△VOUT

　　選擇適用的輸入電容器

　　選擇輸入電容器時(shí)必須以其ESR數值及額定RSM電流為主要取舍標準，以便為輸入的高電流轉變提供支持。

　　在實(shí)際應用中，選用低ESR電容器較理想，因為它有助于減低輸入電壓紋波，及減少對同一系統內的其他電路造成的干擾。至于部分對電磁干擾極為敏感的應用方案，可考慮添加L-C輸入濾波器。

　　穩定性的考慮

　　由于開(kāi)關(guān)模式的直流/直流轉換器包含頻率響應控制環(huán)路，因此其設計必須符合控制環(huán)路的穩定性標準。

　　由于電感數值、輸出電容和ESR以及補償電容器CC會(huì )影響穩壓器環(huán)路的穩定性，因此所用的轉換器必須通過(guò)穩定性測試。

　　首先需要進(jìn)行的穩定性測試是檢查半導體開(kāi)關(guān)(即LM2673芯片的輸出管腳) 的開(kāi)關(guān)電壓波形。這個(gè)波形應該是穩定的，而且并無(wú)顫動(dòng)的現象，如圖3和圖4的波形所示，分別采用連續及斷續工作模式。

　　無(wú)論輸入電壓及負載電流如何變動(dòng)，如果波形仍能保持穩定，便足以顯示這是一個(gè)穩定的設計。

　　此外，要進(jìn)行脈沖負載測試或量度其負載瞬態(tài)響應。測試時(shí)，最低及最高負載之間的負載電流分別以脈沖分隔(矩形波形，快速上升時(shí)間)，并利用示波器監察輸出電壓波形。在這些情況下，輸出電壓應該對負載電流變動(dòng)做出穩定而并無(wú)任何振蕩的響應。這些測試必須反復驗證以證明無(wú)論輸入電壓為何，輸出電壓仍然做出同樣的響
應。

　　若進(jìn)行測試時(shí)穩壓器出現穩定性的問(wèn)題，輸出電容器及/或補償電容器CC必須隨即更換。對于采用LM267X芯片的反相降壓/升壓應用方案來(lái)說(shuō)，電容器CC的電容值越高，系統穩定性便越高。

　　啟動(dòng)問(wèn)題

　　即使輸入電壓低至5V，LM267x系列開(kāi)關(guān)穩壓器仍可充分利用降壓/升壓設計的優(yōu)點(diǎn)，雖然開(kāi)關(guān)穩壓器通常均規定輸入電壓VIN最低必須為6.5V，但這款集成電路的內置式5V穩壓器可以為芯片提供內部偏壓。

　　由于芯片的接地連接輸出，因此輸入電壓VIN至接地之間的實(shí)際電壓是輸入電壓加輸出電壓的總和，一般來(lái)說(shuō)這個(gè)總和會(huì )超過(guò)8V。由于在初始狀態(tài)芯片的輸入為5V以便啟動(dòng)芯片，一旦輸出變?yōu)樨撾妷?，芯片的輸入電壓最后?huì )升高至等于輸入電壓與輸出電壓的總和(VIN+ VOUT)，電壓總和超過(guò)6.5V，符合相關(guān)技術(shù)標準。

　　反相穩壓器在啟動(dòng)時(shí)通常需要高峰值輸入電流。若使用這款開(kāi)關(guān)穩壓器芯片的軟啟動(dòng)功能，便可將高峰值輸入電流減至最低。

　　本文總結

　　以下所示的每一個(gè)系統幾乎全部都需要在電路板上加設穩壓器或類(lèi)似的芯片，而且其中不少系統還需要加設轉換器以提高系統效率。但大部分開(kāi)關(guān)穩壓器的設計均需要專(zhuān)門(mén)的設計技術(shù)，而且還要加設多達十四個(gè)外置式元件才可正常工作。本文介紹的高集成度芯片所需外置式元件只有四個(gè)，而且已免費預裝Switchers Made Simple軟件，使應用廠(chǎng)商無(wú)需專(zhuān)門(mén)的設計技術(shù)也可開(kāi)發(fā)開(kāi)關(guān)穩壓器。這可以確保設計工程師在短短數日內便能完成高性能開(kāi)關(guān)電源的設計。因而在筆記本型計算機、臺式計算機、手持式設備、LCD/TFT監視器、打印機、掃描儀、上網(wǎng)設備等領(lǐng)域獲得廣泛的應用。