具体描述
基本信息
书名：DC-DC变换电路原理及应用入门
定价：25.0元
作者：任艳频
出版社：清华大学出版社
出版日期：2015-11-01
ISBN：9787302410782
字数：184000
页码：
版次：1
装帧：平装
开本：16开
商品重量：0.4kg
编辑推荐
本书作者从事多年电子电路等方面的教学和科研工作，积累了丰富的教学和科研经验，结合TI公司的电源管理芯片和WEBENCH仿真工具，从原理到应用进行入门性质的讲解。
本书有理论介绍、选型与设计、应用实例、PCB布局布线，从多方面介绍了DC-DC变换电路。
本书语言简洁、准确、易懂，描述清晰，可作为选修课程的教材，也可以作为有兴趣学生的课外读物。
本书帮助DC-DC变换电路设计初学者快速入门，并使其深入体会DC-DC电路设计的乐趣。
内容提要
任艳频主编的《DC-DC变换电路原理及应用入门》以模拟电子技术课程中介绍的直流电源知识为基础，结合TI公司的电源管理芯片和WEBENCH仿真工具，对DC－DC变换电路的原理和应用进行入门性质的讲解。主要内容既有线性稳压器和开关稳压器电路基本工作原理，又有基于WEBENCH工具的TI电源管理产品线的选型和设计，同时还结合作者的产品开发经历介绍了三个实际的应用实例，此外还涉及开关稳压器电路的布局布线问题。
本书可以作为电源类选修课程的教材，也可作为学生在课外科技活动中进行电源制作的入门读物。
目录
作者介绍
文摘
第3章开关稳压器
3.1开关稳压器的产生和发展第2章介绍了线性稳压器的产生和发展、基本组成和工作特点、基本实现电路、产品实例和应用电路。线性稳压器具有结构简单、响应速度快和输出电压纹波较小等特点，但是它只能实现降压，而且当输入和输出压差较大时，电路的效率比较低。调整管好比是一个可调电阻，位于输入和输出之间，承受着多余的压差，得到特定的输出电压。调整管一直工作于线性放大区，消耗能量。能量从输入到输出的传输是连续不断的。本章将介绍的开关稳压器与线性稳压器大的不同是开关稳压器中的调整管工作在开关状态。调整管可视为一个随着某种规律进行断开、闭合动作的开关，能量以间歇式的脉冲形式从输入端传递到输出端。当调整管处于断开状态时，调整管工作于截止区，电阻很大，流过的电流很小； 当调整管处于闭合状态时，调整管工作于饱和区，饱和压降很小。在这两种状态下，调整管的功耗都较小，所以开关稳压器通常可以达到比较高的效率。如何实现能量从输入到输出的间歇式传递呢？图3.1（a）将调整管简化为一个开关，接在输入Vin和负载R之间［1］。可以看出，当开关闭合时，输出电压与输入电压相同； 当开关断开时，输出电压为0。输出电压的波形如图3.1（b）所示。
图3.1简易开关稳压器模型
如果以某种方式控制开关周期性通断，周期为T，占空比为D，则输出电压的平均值为VOUT(avg)=Vin×D。在周期T不变的前提下，调节占空比D，一个周期内开关闭合的时间长度t(on)将发生变化，输出电压的平均值也随之线性变化。这种调制方式称为脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）。在上述模型下，输出电压和电流都不连续，显然无法为后续的负载提供稳定的直流电源。为了得到平滑的电压和电流输出，可以在后面加LC滤波电路。修改后的开关稳压器模型如图3.2所示［1］。
图3.2改进的开关稳压器模型
利用图3.2所示的开关稳压器模型，由于电容两端的电压不能突变，流过电感的电流不能突变，当L、C参数合适时，可以获得连续的输出电压和输出电流，分析如下： 图3.2（a）中，当开关置于位置1时，L、C储存能量； 当开关置于位置2时，L、C释放能量。等效电路分别如图3.2（b）和图3.2（c）所示。若在合适的L、C取值下，输出电压VOUT比较平滑，纹波可以忽略不计，则在图3.2（b）中，电感两端的电压近似恒定为VIN-VOUT，流过电感的电流iL(t)线性增加。在图3.2（c）中，电感两端的电压近似恒定为-VOUT，流过电感的电流iL(t)线性减小。流过电容的电流iC(t)=iL(t)-VOUT/R，当VOUT足够平滑时，它的斜率和iL(t)相同。假设开关控制信号的占空比D和L、C的取值合适，当流过电感的电流未减小到0时又开始进入储能，则称为连续电流模式（Continuous Current Mode,CCM）。此外还有断续电流模式（Discontinuous Current Mode,DCM）和临界电流模式（Boundary Current Mode,BCM）［5］。
在CCM模式下，图3.2中的各信号波形如图3.3所示［1］。
图3.3图3.2开关稳压器的波形示意图
图3.3中的TS为开关控制信号的周期，D为占空比，D′=1-D。由图3.3可以看出，电感L的工作情况如下： 当开关置于位置1时，流过L的电流iL(t)线性增加，L工作于储能状态。当开关置向位置2时，流过L的电流iL(t)线性减小，L工作于释能状态。在CCM模式下，iL(t)始终大于0。电容C的工作情况如下：当开关置于位置1时，流过C的电流iC(t)线性增加，且电流方向先负后正。刚开始时，iC(t)<0，电容C工作于释能状态，继续释放上一开关周期储备的能量，为负载提供电流，电容两端的电压vC(t)减小。之后，iC(t)>0，电容C工作于储能状态，电容两端的电压vC(t)增大。当开关置于位置2时，流过C的电流iC(t)线性减小，且电流方向先正后负。刚开始时，iC(t)>0，电容C工作于储能状态，继续充电，电容两端的电压vC(t)继续增大。之后，iC(t)<0，电容C工作于释能状态，为负载提供电流，电容两端的电压vC(t)减小。输出电压VOUT为vC(t)的平均值。根据伏秒法则［6］，在图3.3的个波形图中：
(VIN -VOUT)×DTs=VOUT×(1-D)Ts
可以得出：
VOUT=VIN×D
由此，通过该开关稳压器模型，仍然可以得到和输入电压及占空比成正比的输出电压。而且从图3.3中的vC(t)波形可以看出，通过LC滤波，与图3.1(b)中的波形相比，输出电压变得连续平滑。但较之第2章的线性稳压器，开关稳压器输出电压的纹波还是要大一些。图3.3中的输出电压纹波峰值为Δvo。通过上述电路得到的输出电压VOUT=VIN×D，它总是小于输入电压VIN，这样的电路称为降压（Buck）变换电路。为了实现升压（Boost）变换，只需将图3.2（a）稍作修改，将电感L移至单刀双掷开关的前端，如图3.4所示［1］。
图3.4升压开关稳压器模型
在图3.4中，当开关置于位置1时，L储存能量，C释放能量； 当开关置于位置2时，L释放能量，C储存能量。若在合适的L、C取值下，输出电压VOUT比较平滑，纹波可以忽略不计，则在开关置于位置1时，电感两端的电压恒定为VIN，流过电感的电流iL(t)线性增加； 当开关置于位置2时，电感两端的电压近似恒定为VIN -VOUT，流过电感的电流iL(t)线性减小。根据伏秒法则：
VIN×DTs=(VOUT-VIN)×(1-D)Ts
可以得出：
VOUT=VIN/(1-D)
由此，实现了升压变换。3.2节和3.3节将重点对Buck开关稳压器的基本组成和基本实现电路进行介绍。3.4节将分别结合一个Buck和Boost开关稳压器产品进行实例分析。3.2Buck开关稳压器的基本组成及工作特点图3.2的开关稳压器模型给出了从一个直流电压输入得到另一个平滑的直流电压输出的原理，但它还不足以构成一个完整的开关稳压器。
首先，需要解决开关通断控制的问题。电路中应该有一个波形振荡电路，产生占空比D的矩形波，控制开关的通断。另外，更重要的，开关稳压器的核心作用是在输入电压或负载变化时，能给出稳定的输出电压。为此，和线性稳压器类似，负反馈的引入是必不可少的。当某种原因引起输出电压发生变化时，通过采样电路，将此变化引回到电路，并转换为控制开关通断的矩形波占空比D的变化，从而抵消输出电压原来的变化。Buck开关稳压器的基本组成如图3.5所示，它包含调整管、开关控制电路、采样电路、基准电压电路、比较放大电路和LC滤波电路六个部分［2］。
图3.5Buck开关稳压器的基本组成
与线性稳压器相比，Buck开关稳压器的基本组成增加了开关控制电路和LC滤波电路这两个模块。图3.5中的调整管不再工作于线性放大区，而是在开关控制电路的作用下，工作在截止区或者饱和区。这样，调整管上所消耗的能量大大减少。能量不再连续地从输入端向输出端传递，而是以脉冲的形式间歇传递，再通过LC滤波电路在输出端平滑地释放。这就是开关稳压器和线性稳压器的根本区别所在。与线性稳压器类似，Buck开关稳压器仍然通过负反馈来实现稳压。当输入电压或负载发生变化时，将引起输出电压的变化。通过采样电路，将变化后的输出电压和基准电压进行比较，其误差经放大后到达开关控制电路的输入端，引起控制调整管通断的矩形波占空比D的变化，进而导致输出电压往相反的方向变化，抵消因输入电压或负载变化而引起的输出电压的变化。同样的，和线性稳压器类似，通过调节采样电路的参数，输出电压可以在的范围内调节。此外，与线性稳压器不同，Buck开关稳压器电路中需要电容和电感等储能元器件，应用电路的体积增大。3.3Buck开关稳压器的基本实现电路3.3.1基本实现电路
图3.6为Buck开关稳压器的一个基本实现电路。
图3.6Buck开关稳压器的基本实现电路
对照图3.5所示的Buck开关稳压器基本组成，在图3.6中，调整管Q1采用JFET 2N5486。它在开关控制电路的作用下周期性地导通和关断。当Q1导通时，输入电压Vin加到二极管D1的负极，使其截止，相当于图3.2中的开关置于位置1； 当Q1截止时，电感L1上的感应电动势使得二极管D1导通，起到续流的作用，相当于图3.2中的开关置于位置2。于是，就可以在Q1的源极得到脉冲电压。开关控制电路由三角波振荡器和比较器构成。用作比较器的集成运算放大器，其反相端接三角波，同相端接来自比较放大电路的输出，从而产生占空比D受控于采样电压的开关控制信号。基准电压电路采用前面所述的稳压管稳压电路，稳压管采用BZX55C5V1，稳压电压约为5.1V。采样电路由电阻R1和R2组成。和线性稳压器类似，通过调整采样电路中R1和R2的阻值，使得输出电压不同。比较放大电路中的集成运算放大器采用TI 公司的LF347，构成加减运算电路。当输入电压或负载发生变化时，将引起输出电压的变化。比如，当输出电压有所减小时，通过采样电路将这个变化后的电压引入到运算放大器的反相输入端，和基准电压比较后获得一个正向误差，然后通过比较放大器进行放大。放大后的正向误差到达比较器的同相端，引起开关控制信号占空比D的增大，导致输出电压增加，从而保持输出电压的稳定。LC滤波电路由电感L1和电容C1构成。在合适的参数取值下，可以在输出端获得平滑的输出电压。如前所述，输出电压的平均值和输入电压Vin及开关控制信号的占空比D成正比。以下先通过Multisim对该电路的各项性能进行仿真，然后对实际电路做性能测试。3.3.2性能仿真在Multisim中搭建如图3.7所示的仿真电路。
图3.7Buck开关稳压器仿真电路
1. 参数设计通过选取采样电路中R1和R2的阻值、基准电压及比较放大电路中的各电阻取值，使输出电压为5V。2. 输入电压调节特性仿真对输入电压Vin进行直流扫描分析，得到图3.8所示的输入电压调节曲线。输入电压扫描范围为0~20V。
图3.8图3.7仿真电路的输入电压调节曲线
从该输入电压调节曲线可以看出，当输入电压为6~20V时，输出电压具有很好的稳定度。当输入电压变化时，开关稳压器通过调节开关控制信号的占空比来获得稳定的输出电压。进一步对开关控制波形进行观测，在负载电阻RL=10kΩ时，得到输入电压Vin分别为6V和12V时调整管源极的电压信号，如图3.9（a）和图3.9（b）所示。从图3.9可以看出，当输入电压在允许的波动范围内变化时，为了得到稳定的输出电压，Vin越大，开关控制信号的占空比越小。
图3.9输入电压变化时占空比调节示意图
图3.9(续)
图中每个周期的占空比并不完全一致，这是由于输出电压存在波动，电路对占空比进行即时调节的结果。3. 负载调节特性仿真当输入电压Vin=12V时，对负载电阻RL进行参数扫描分析，得到图3.10所示的负载调节曲线。
图3.10图3.7仿真电路的负载调节曲线
从图3.10可以看出，当负载电阻大于1kΩ时，输出电压具有很好的稳定度。当负载变化时，开关稳压器通过调节开关控制信号的占空比来获得稳定的输出电压。进一步对开关控制波形进行观测，当输入电压Vin=12V时，得到负载电阻RL分别为1kΩ和10kΩ时调整管源极的电压信号，如图3.11(a)和图3.11(b)所示。
图3.11负载变化时占空比调节示意图
从图3.11可以看出，当负载在允许波动范围内变化时，为了得到稳定的输出电压，负载电流越大，开关控制信号的占空比越大。4. 纹波及电源纹波抑制比仿真用Multisim中的虚拟示波器对输出电压的交流分量进行观测，得到输出纹波电压波形如图3.12所示。
图3.12输出电压纹波
从图3.12可以看出，当输入电压为纯净的12V直流电压时，输出端可以观测到峰�卜逯翟嘉�17mV的纹波电压，这是由开关稳压器内部电路产生的，这也是开关稳压器和线性稳压器的一个重要区别。和第2章类似，为了研究电路的电源纹波抑制比，对仿真电路进行修改，在图3.7的基础上增加一个交流小信号源V1，用来模拟输入电压纹波，如图3.13所示。
图3.13开关稳压器PSRR仿真电路
当V1是峰值为50mV、频率为1kHz的正弦波时，用虚拟示波器对输出电压的交流分量进行观测，波形与图3.12几乎相同。可见开关稳压器电路的PSRR是比较高的，能够有效地滤除输入电压中的纹波，它的输出电压纹波主要来自电路内部。5. 瞬态响应仿真对图3.7的开关稳压器进行仿真，当输入电压在9~10V之间变化时，输出电压的瞬态响应曲线如图3.14所示。
图3.14输入电压瞬态响应
从图3.14可以看出，当输入电压从9V跳变到10V时，输出电压会产生约38mV的超调，然后再过渡到新的稳态值（确切地说是稳态值的误差允许范围）。由于仿真电路中的开关频率较低，仅为1kHz，于是瞬态响应速度就会比较慢，调整时间约为32ms。实际的开关稳压器产品中，开关频率通常远远大于1kHz。3.3.3电路中各点的波形用虚拟示波器对电路中各点的波形进行测量，如图3.15所示。
图3.15电路中各点的波形
为了在输出端获得平滑的电压和电流，L、C的取值非常关键。在电感电流临界连续的情况下，电感的小取值可以按（Vin-Vout）/（0.3~0.5）IOmax进行估算［5］。图3.7的仿真电路中，由于开关频率仅为1kHz，电感的取值比较大，不太现实。实际的开关稳压器中，开关频率为几百千赫到几兆赫，电感的取值可以大大减小。3.4Buck和Boost开关稳压器产品实例本节以TI的Buck开关稳压器芯片TPS62290和Boost开关稳压器芯片TPS61500为例，对其内部电路结构进行分析，并对其性能指标进行测试。3.4.1TPS622901. TPS62290概况
1) 基本特点数据手册的开头部分介绍了该开关稳压器的主要特点如下： (1) 高效率的降压转换器； (2) 输出电流可达1A； (3) 输出电压可调，小可至0.6V，输出电压精度可达± 1.5%； (4) 宽输入电压范围（2.3~6V）； (5) 固定的2.25MHz开关频率； (6) 适用于电池供电的移动产品； (7) 外接较小电感和电容即可组成应用电路，体积较小。2) 外观及引脚定义TPS62290提供SON等封装形式，SON封装的芯片引脚排列如图3.16所示，引脚功能定义如表3.1所示。
图3.16TPS62290引脚排列
表3.1中的PFM（Pulse Frequency Modulation,脉冲频率调制）是和PWM不同的调节模式，它在开关通断控制信号的占空比不变的情况下，根据FB引脚的反馈电压输入自动调节开关通断控制信号的频率，从而达到调整输出电压的目的。
表3.1TPS62290引脚功能定义
引脚名称功能定义
VIN输入电压，2.3~6VEN芯片使能端，高电平使能，低电平关断GND芯片接地引脚SW开关输出引脚，内接MOSFET源极FB反馈输入端，外接采样电路MODE调节模式输入引脚。该引脚为高电平时，芯片工作于固定频率的PWM模式； 低电平时工作于节能模式，该模式下系统自动在PWM和PFM模式之间切换
2. TPS62290的内部结构数据手册中给出了TPS62290的内部结构框图，如图3.17所示。
图3.17TPS62290内部结构框图
对照图3.5的Buck开关稳压器基本组成，TPS62290的各组成部分及其实现情况如下： 1) 调整管及保护电路TPS62290内部采用了一对MOSFET。上拉的NMOS管作为调整管； 下拉的PMOS管作为续流管，相当于图3.7中的二极管D1。NMOS管导通时，PMOS管截止； NMOS管截止时，PMOS管导通。NMOS管的漏极接输入电压Vin，当NMOS管导通时，输入电压传递到NMOS管的源极，即芯片的SWI引脚。当NMOS管截止时，PMOS管导通，为外接的LC滤波电路提供续流通路。从图3.17可以看出，上拉和下拉部分都带有过流比较器（current limit parator）。当检测到过限的电流时，开关控制逻辑电路将输出相应的控制信号，将NMOS管或PMOS管关断，起到保护的作用。2) 开关控制电路由PWM/PFM比较器（PWM/PFM parator）、控制级（control stage）和门驱动器（gate driver）组成。芯片内部有一个2.25MHz的振荡器（oscillator）及锯齿波发生器（sawtooth generator）。PWM比较器根据误差放大器（error amplifier）的输出和锯齿波发生器的输出，为控制级提供占空比的开关控制矩形波。PFM比较器根据基准电压VREF和采样电路反馈的电压，为控制级提供频率调节参数。控制级根据调节模式引脚MODE的输入信号，综合PFM比较器和PWM比较器的输出，生成频率和占空比的开关控制信号。门驱动器负责驱动MOSFET开关，它带有防止上拉管和下拉管同时导通而引起输入端和地直通的功能（anti shoot�瞭hrough），可以保护MOSFET的正常工作。3) 基准电压电路TPS62290内部的电压基准电路（reference）产生0.6V的基准电压，供PFM比较器和误差放大器使用。4) 采样电路TPS62290的采样电路外置，采样电压通过反馈输入端FB引入。5) 误差放大器误差放大器又称比较放大电路，将FB引脚的输入电压和参考电压进行比较和放大，为PWM比较器提供阈值电压。该阈值电压将影响开关控制信号的占空比D。6) LC滤波电路LC滤波电路外置，其中电感L跨接在开关引脚SW1和输出之间，电容C跨接在电感的另一端和地之间。7) 其他保护电路为了保证芯片安全稳定的工作，和线性稳压器芯片TPS79533类似，TPS62290内部设有各种保护电路。从图3.17可以看出，除了前面提到的MOSFET过流保护电路之外，还有过热保护电路（thermal shutdown）和压锁定电路（undervoltage lockout）。此外，图3.17中还有一个模块，即Softstart Vout Ramp Control。软启动也是一种保护。输入电压接入以后，输出电压将从0V开始上升到额定值。这个上升的过程如果太快，即Vout的斜率太大，就会给负载带来较大的冲击电流。TPS62290内部的软启动电路保证输出电压平稳上升，从而起到保护作用。3. TPS62290的性能指标TPS62290的主要性能指标数据如表3.2所示。
表3.2TPS62290性能指标数据
参 数 名 称性 能 指 标测 试 条 件
输入电压范围2.3~6V压锁定电路阈值1.85VVIN下降过程中测试EN/MODE端高电平>1V,
图3.18TPS62290的主要特性曲线
从图3.18可以看出，TPS62290的效率可高达90%； 在负载电流小于1A时，输出电压稳定； 负载变化时瞬态响应快速。4. TPS62290的使用方法基于TPS62290芯片，外接必要的电感、电容和电阻，即可构成实用的Buck开关稳压器应用电路。图3.19为TPS62290的典型应用电路。输出电压随采样电路的参数可调：
VOUT=(1 R1/R2)×VREF
和线性稳压器应用电路类似，需要在输入端并接一只电容CIN，以便有效滤除输入电压中的高频谐波成分。图3.19中的输入端电容的大小为10μF。为了保证电路的环路稳定性，同时平滑输出电压，减小输出电压纹波，需要在输出端也并接一只电容COUT。图3.19中的输出端电容的大小为10μF。
图3.19TPS62290典型应用电路
除此以外，在电阻R1两端并接一只小的补偿电容C1，以保证开关稳压器的环路稳定性。图3.19中的该电容的大小为22pF。3.4.2TPS615001. TPS61500概况
1) 基本特点数据手册的开头部分介绍了该开关稳压器的主要特点如下： (1) 高效率的升压转换器； (2) 输出电流可达3A； (3) 输出电压40V； (4) 宽输入电压范围（2.9~18V）； (5) 开关频率可通过外部电阻编程设置（200kHz~2 MHz）； (6) 适用于显示器背光及LED供电。2) 外观及引脚定义TPS61500提供HTSSOP封装形式，该封装的引脚排列如图3.20所示，引脚功能定义如表3.3所示。
图3.20TPS61500引脚排列
表3.3TPS61500引脚功能定义
引 脚 名 称功能定义
VIN输入电压，2.9~18V。电感的一端接此引脚SW开关引脚，电感的另一端接此引脚FB反馈输入端。在该引脚外接一只电阻，对LED的电流进行编程EN芯片使能端，高电平使能，低电平关断。当此引脚上的电平低于使能阈值电压10ms后，芯片关断P误差放大器的输出端。可外接RC补偿网络，以改善环路稳定性SS软启动编程端。在此引脚接一只电容可对软启动时间进行编程FREQ开关频率编程端。通过一只外接电阻对开关频率进行设定续表
引 脚 名 称功能定义
AGND芯片的信号地PGND芯片的电源地，它和调整管的源极相连OVPLED驱动器的过压保护。通过在该引脚外接一只电阻，可对过压保护的阈值进行编程； 缺省为1.229VDIMC模拟和PWM调光模式选择端。悬空为PWM调光模式； 外接一只电容则为模拟调光模式，并可对模拟调光的时间常数进行设置2. TPS61500的内部结构数据手册中给出了TPS61500的内部结构框图，如图3.21所示。
图3.21TPS61500内部结构框图
1) 调整管及保护电路和TPS62290不同，TPS61500内部只有一只MOSFET，它的源极接电源地PGND，相当于TPS62290内部下拉的PMOS管。续流的二极管则需要外接。2) 开关控制电路开关控制电路由PWM控制级（PWM control）和门驱动器（gate driver）组成。芯片内部有一个波形振荡器（oscillator）。振荡器的频率可以通过开关频率编程引脚FREQ外接的电阻R4进行编程。电阻阻值和开关频率之间的对应关系如表3.4所示。
表3.4开关频率的编程设定
R4/kΩfSW/kHz
443240256400176600801200512000如前所述，TPS62290的PWM控制级根据波形振荡器和误差放大器的输出，生成占空比的开关控制波形。在TPS61500内部，还存在电流反馈。从图3.21可以看出，芯片内部有一个电流传感器（current sensor），它通过接在调整管的源极和地之间的小电阻进行电流采样。由此，电流传感器获得对流过调整管（也就是电感储能期间流过电感）的电流采样。PWM控制级依据波形振荡器的输出，在每个周期一开始控制开关导通，之后将电流传感器的采样值和误差放大器的输出（流过电感的大的电流设定值）进行比较，如果采样值大于设定值，则将开关关断。这种模式称为电流控制模式，而之前介绍的为电压控制模式。电压控制模式采用电压反馈，可以稳定输出电压。电流控制模式采用电流反馈，可以稳定输出电流。这也是TPS61500芯片适合为需要恒流驱动的LED电路供电的原因。在电流控制模式中，为了保证电路的稳定工作，还需包含斜率补偿电路［5］，即图3.21中的Ramp Generator。它输出的斜率补偿信号和电流传感器的输出信号叠加后，送到PWM控制级的输入端。图3.21中开关控制电路中的门驱动器负责驱动MOSFET开关。3) 基准电压电路TPS62290内部的电压基准电路产生0.2V和1.229V的两个基准电压。前者接至误差放大器的同相输入端，从而将接在FB引脚的反馈输入电压控制在200mV。该反馈输入电压是LED驱动器过压保护电路的缺省过压阈值。4) 采样电路TPS61500的采样电路外置，采样电压通过反馈输入端FB引入。5) 误差比较器误差放大器将FB引脚的输入电压和参考电压进行比较和放大，为PWM比较器提供阈值电流。该阈值电流将影响开关控制信号的占空比D。6) LC滤波电路LC滤波电路外置。其中电感L跨接在输入电压引脚VIN和开关引脚SW之间，电容C跨接在续流二极管的负极和电源地PGND之间。3. TPS61500的性能指标TPS61500的主要性能指标数据如表3.5所示。
表3.5TPS61500性能指标数据
参 数 名 称性 能 指 标测 试 条 件
输入电压范围2.9~18V压锁定电路阈值2.5VVIN下降过程中测试EN/MODE端高电平> 1.2V2.9V
图3.22TPS61500主要特性曲线
从图3.22可以看出，TPS61500在驱动一组4个LED时，效率可高达90%以上。在的温度范围内，FB引脚的电压可稳定在200mV左右。4. TPS61500的典型应用电路基于TPS61500芯片，外接必要的电感、电容、电阻或二极管，即可构成实用的LED调光电路。
图3.23为TPS61500的典型应用电路。
图3.23TPS61500典型应用电路
在图3.23中，TPS61500用于LED调光控制。DIMC引脚外接电容，表示接成了模拟调光方式。图中的电阻R1和R2对过压保护电路的阈值进行编程，电阻 R3对LED驱动电路的电流进行编程，电阻R4对开关频率进行编程。此外，和线性稳压器应用电路类似，需要在输入端并接一只电容C1，在输出端也并接一只电容C2。3.5开关稳压器的应用开关稳压器的显著特点是能量传递效率高。这是由于调整管工作在开关状态，其上消耗的能量大大减少。开关稳压器的效率一般可达80%。此外，开关稳压器还具有稳压范围宽、稳压精度高等优点。开关稳压器的缺点是输出电压有较大纹波。另外，由于应用电路中需要外接电感和电容，电路的整体体积比线性稳压器应用电路要大。自开关稳压器出现以来，已经在业界得到了越来越广泛的应用。它适用于输入电压和输出电压压差大，对输出电压纹波要求不高而对电源效率要求较高的场合。目前，开关稳压器已经在电子产品中得到广泛的应用。开关稳压器的种类纷繁复杂，比如按输入电压和输出电压的关系来分，除了本章介绍的Buck稳压器和Boost稳压器之外，还有Buck�睟oost稳压器。从开关控制方式来分，有PWM和PFM。从反馈控制方式来分，有电压控制方式和电流控制方式。3.6动手实验1. Buck开关稳压器基本实现电路的研究
(1） 利用笔记本电脑电源适配器作为输入源，根据开关稳压器的基本实现电路结构，设计一个可以输出5V电压的开关稳压器。(2） 利用Multisim仿真工具对该开关稳压器电路的各项性能进行仿真研究。(3） 搭建实验电路，对所设计的开关稳压器电路进行验证和测试。2. 输出电压可调的Buck开关稳压器电路的设计和制作(1） 利用TPS62290，设计输入电压为5V，输出电压为0.6~4.5V可调的Buck开关稳压器电路。(2） 利用WEBENCH研究不同的外围电路参数对电路性能指标的影响。(3） 完成电路的PCB制作，使电路的效率在85%以上。(4） 对不同输出电压下的电路性能指标进行测试。
序言
几乎所有的电子产品的制作都离不开直流（DC）电源。在TI公司电源技术会议和TI 教育者年会上，许多高校的一线教师共同就电源教学展开深入讨论。很多老师认为目前电源方面的教学存在缺失，开展相关的教材和课程建设是非常有必要的。在高等学校电子信息大类基础课程教学中，模拟电子技术相关课程对直流电源的基本原理和相关概念进行了初步介绍； 之后，学生利用业界新的产品进行DC�睤C变换电路设计。这中间存在一条鸿沟。电源是电子技术中比较难的一个分支。通过和一些学生进行交流发现，大部分学生可以基本上理解模拟电子技术教材中关于直流电源的内容，但是去阅读相关的电源产品手册或电源方面的专业书籍时却看不懂。而之后学生在进行实际的电源电路制作时，往往只是一知半解地照猫画虎，照搬现成的设计，而不知其所以然。本书尝试前承模拟电子技术课程中介绍的直流电源基础知识，结合TI公司的电源管理芯片和WEBENCH仿真工具，对DC�睤C变换电路的原理和应用进行入门性质的、深入浅出的阐述。TI公司将电源方面的教学支持列为2015年大学计划的重点。本书既可作为电源类选修课程的教材，也可作为学生进行电源制作的入门读物。电子设备对DC�睤C变换电路的一个基本需求是在输入电压有波动和输出端负载有变化的情况下，为其内部各模块电路提供稳定的直流电源供电。本书分别对线性稳压器和开关稳压器电路及其工作原理进行介绍，并结合WEBENCH设计工具介绍基于TI电源管理产品线的选型和设计。后结合作者的产品开发经历介绍三个实际的应用实例，并对开关稳压器电路的布局布线进行介绍。全书共分为6章，每章后一部分设有动手实验内容。章到第5章的内容由清华大学自动化系任艳频编写，第6章的内容由TI电源工程师编写。清华大学自动化系2008级本科生涂光炜同学基于TI的电源管理芯片制作了大量实验板，并进行性能测试和比较。清华大学自动化系2011级本科生李奇、宫崎、刘金祥和龚远峰同学阅读了TI的多款电源管理产品数据手册，并对WEBENCH仿真设计工具进行了试用。
各章内容简要介绍如下： 章DC�睤C变换电路及其分类对DC�睤C变换电路的一个基本需求是在输入电压有波动和输出端负载有变化的情况下，为电子设备各模块电路提供稳定的直流电源供电。衡量DC�睤C变换电路性能的主要指标包括稳压系数或电源电压调节率、输出电阻或负载调节率、输出纹波或电源纹波抑制比、环路稳定性、瞬态响应、效率等。在电源理论和应用的学习中，了解主要性能指标及其测试方法是非常重要的一环。目前主要使用两大类DC�睤C变换电路： 线性稳压器（Linear Regulator）和开关稳压器（Switching Regulator）。线性稳压器和开关稳压器的主要区别在于： 线性稳压器，从输入到输出，能量的传输是连续不断的； 而开关稳压器，从输入到输出，能量的传递是间歇式的，间歇式的脉冲能量到达输出端后再进行平稳的释放。第2章线性稳压器线性稳压器在稳压管稳压电路的基础上发展而来。线性稳压器的基本组成包括调整管、基准电压电路、采样电路和比较放大电路四个部分。为了加深对线性稳压器基本实现原理的理解，本章首先基于分立元件搭建了一个线性稳压器基本实现电路，并利用Multisim对其主要性能进行仿真，同时进行实际测试。接着，以TI的线性稳压器芯片TPS79533为例，对其数据手册获取方法、内部电路结构、性能指标、使用方法、应用电路的制作和测试进行介绍。在介绍电路结构时，与前面的线性稳压器基本实现电路进行了对比，以加深理解，并通过解读芯片内部结构和仿真波形，加深对基本概念的了解。第3章开关稳压器开关稳压器与线性稳压器大的不同是调整管工作在开关状态，能量以间歇式的脉冲形式从输入端传递到输出端。当调整管处于断开状态时，调整管工作于截止区，电阻很大，流过的电流很小； 当调整管处于闭合状态时，调整管工作于饱和区，饱和压降很小。于是在这两种状态下，调整管的功耗都较小，所以开关稳压器通常可以达到比较高的效率。本章首先介绍实现脉冲式能量传递的开关稳压器模型及其工作原理。开关稳压器的种类纷繁复杂，比如按输入电压和输出电压的关系来分，有Buck降压稳压器、Boost升压稳压器和Buck�睟oost升�步笛刮妊蛊鳎� 从开关控制方式来分，有PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制和PFM（Pulse Frequency Modulation，脉冲频率调制）； 从反馈控制方式来分，有电压控制方式和电流控制方式。本章在内容上不求全，以Buck稳压器为重点开展系统介绍，同时结合具体的例子对一些重要的概念加以说明，以求突出重点，以点带面。Buck稳压器的基本组成包括调整管、开关控制电路、采样电路、基准电压电路、比较放大电路和LC滤波电路六个部分。和第2章的结构类似，先基于分立元件搭建了一个简单的开关稳压器基本实现电路，并利用Multisim对其主要性能进行仿真，同时进行实际测试，并观测电路中各点的波形。接着，以TI的Buck开关稳压器芯片TPS62290和Boost开关稳压器芯片TPS61500为例，对其内部电路结构、性能指标、使用方法和典型应用电路进行介绍。第4章选型与设计在实际应用中，如何从纷繁复杂的产品中选择合适的芯片进行自己的DC�睤C变换电路的设计呢？本章首先对TI的电源管理产品线进行梳理； 然后对DC�睤C变换电路在线设计仿真工具WEBENCH的使用方法进行详细介绍。通过基于LDO的Buck稳压器设计和基于开关稳压器的Buck电路设计示例，对WEBENCH的启动方法、电源管理芯片选择、外围电路设计、电路性能的仿真等进行描述。本章还对DC�睤C变换电路设计和实现中的环路稳定性问题进行了理论分析，并利用WEBENCH的波特图仿真功能进行补充说明。分别基于线性稳压器和开关稳压器的结构分析了环路增益的频率响应特性，并给出增强环路稳定的方法。在本章的后，对DC�睤C变换电路设计和实现中存在的元器件正确选型问题进行了简要介绍。第5章应用实例本章结合三个实际的例子，对其中电源部分的解决方案进行介绍。个例子是FPGA供电电路，第二个例子是LED照明供电电路，第三个例子是基于FPGA的综合电子实验平台的整体电源解决方案。结合三个例子，分别介绍了WEBENCH中针对FPGA电源、LED电源和多路电源进行辅助设计的功能。第6章开关稳压器电路的PCB布局布线PCB布局布线的好坏将直接影响DC�睤C变换电路的性能，特别是基于开关稳压器的DC�睤C变换电路的性能。本章讨论了PCB中的电流分布、高di/dt环路的PCB设计、接地问题及元器件的布局布线问题，并结合一个实例进行分析。TI在电源管理方面的产品线是非常丰富的，基本上覆盖了线性稳压器和开关稳压器的大部分产品。在产品种类上，既有通用部件，又有针对特定应用（如LED照明）的专用解决方案，同时也涉及数字电源、无线充电等新领域。TI为这些电源管理芯片的样片申请提供了快速便捷的通道，为DC�睤C变换电路的设计和制作提供了有力的支持。WEBENCH是一款非常的在线设计仿真工具，无须在客户端安装仿真软件，甚至还可以将自己的设计保存在服务器上，这样方便使用者随时随地进行设计和仿真。利用WEBENCH，可以在搭建实际电路前对电路的性能有更多的了解，并初步完成器件的选取和电路参数的设计； 同时，还可以让初学者快速启动自己的DC�睤C变换电路设计，并在WEBENCH环境中进行直观验证。电源方面的知识是一个浩瀚的海洋，本书所及只是DC�睤C变换电路的冰山一角。书中的论述和示例，还存在诸多不足之处，在此恳请各位读者批评指正。编者2015年6月于北京
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