电源电路的基础知识(2)～开关式稳压器的动作～

在两种状态间进行开关

开关式稳压器的动作大致上是由两种状态构成的。

首先是开关元件SW1处于ON，开关元件SW2处于OFF的状态。此时，图1的等效电路如图2(a)所示。此时，能量被蓄积在输出电感器L中。

其次是开关元件SW1处于OFF，开关元件SW2处于ON的状态。此时的等效电路如图2(b)所示。输入电压Vin被从电路断开，取而代之，输出电感器L则释放出先前蓄积的能量以供向负荷。

开关式稳压器通过交替地反复这两个周期，来将输入电压Vin转换为规定的电压。相对于开关元件SW1的ON/OFF，流经电感器L的电流为图3所示的关系。输出电压Vout由于被输出电容器Cout平滑化，因而基本上保持恒定(严格地说存在着微小的变动)。

输出电压Vout是由开关元件SW1的ON期间和OFF期间的比来决定的，假设各自的元件中没有电阻成分等损失，则可通过下式来求得。

Vout = Vin × 

开期间

开期间 ＋ 休假期间

这里，将ON期间÷(ON期间＋OFF期间)的项称作工作周期或占空比。譬如，输入电压Vin为12V，要得到6V的输出电压Vout, 工作周期为6÷12＝0.5，因而只要将开关元件SW1在50％的期间控制为ON就可以了。

以与基准电压之比来控制输出电压

要构成实际的开关式稳压器，除了上述基本电路外，还需要用来检测输出电压的偏移或变动的误差放大器，用来决定开关频率的振荡电路，用来向开关元件发出ON/OFF信号的脉冲宽度调制(PWM: Pulse Width Modulation)电路，用来驱动开关元件的栅极驱动器等(图4)。

主要的动作如下所示
首先，使用放大器电路来对输出电压Vout和基准电压Vref进行比较。其结果由PWM控制电路给定，当输出电压Vout低于规定的电压时延长开关元件SW1的ON期间以提高输出电压，相反地，当输出电压Vout高于规定的电压时则缩短开关元件SW2的ON期间以降低输出电压Vout，使得输出电压保持恒定。

下面就图4所示的放大器、振荡电路、栅极驱动器再稍许详细地进行说明。

• 放大器（误差放大器）

  放大器因检测基准电压Vref与输出电压Vout之差而被称作“误差放大器(Error amplifier)”。基准电压Vref保持恒定，因而输出电压Vout是由作为分压电路的R1与R2之比来决定的。也即，在输出电压保持恒定的状态下，下式所示的关系成立。

  Vref = Vout × 

  R2

  R1 ＋ R2

   ⇒ 

  Vout

  Vref

   = 

  R1 ＋ R2

  R2

  譬如，在假设Vref=0.6V而希望将Vout控制为6V时，以使(R1+R2)/R2=10的方式选择R1和R2的值。
  作为基准电压Vref，还包括使用在二极管的pn结中产生的正向压降(0.6V左右)的方法，但由于该方法相对于温度具有系数(kT/q)，因而在需要精度的情况下使用带温度补偿功能的基准电压生成电路。




• 振荡电路

  振荡电路输出开关动作所需的恒定频率的信号。开关频率一般处于数十KHz至数MHz的范围，譬如在汽车应用中，为了预防与无线电频带的干涉，将其设定为2MHz前后。为了能够根据系统灵活地设定最佳的开关频率，大多数情况下采用电压控制振荡器电路。




• 门驱动器

  栅极驱动器是用来驱动SW1和SW2的电路。在使用MOSFET的情况下，由于ON/OFF中需要有对栅极的输入电容尽可能充分地进行充电的驱动器，更何况越是对应大电流的大型的MOSFET其栅极电容也越大，因而根据所选的MOSFET来构成栅极驱动器电路。

动作不稳定的课题

通过图4所示的误差放大器，会形成以输出电压Vout为对象的反馈环路，而若没有适当地设计反馈环路，恐会导致其动作不稳定，或引起振荡。要保证稳定的动作，必须适当地设计反馈环路的带宽和相位余量，其麻烦程度出人意料。
但是，只要使用市面出售的控制器IC等，一边参考数据表上的信息一边组合电路，通常没有问题。

产生电磁干扰的课题

如图2的(a)和(b)所示，在开关元件SW1的ON期间和OFF期间流经电路的电流大幅度变化。虽然会从电流环路产生磁场，但是电流切换也意味着磁场强度的切换。因此，原理上会同步于开关周期而产生电磁干扰，若不采取适当的干扰对策，则恐会影响到其他电路。

下次我们将以此电磁干扰的课题和对策为中心，就开关电源的设计进行解说。