这篇文章的类似版本出现在1994年1月20日的EDN上。

介绍

电源可能是电池供电系统中最关键的元素。了解一些基本的稳压器拓扑结构将有助于您根据需要选择和设计正确的电源配置。本教程概述了电池供电设备的稳压器拓扑结构。讨论涵盖线性稳压器，电荷泵，降压和升压稳压器，逆变器和反激设计。说明了峰值电流的重要性，并给出了每种拓扑结构的原理图。

稳压器拓扑概述

台式电脑、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不止一个电源。这些设备可能需要AC/DC适配器、电池充电器、用于背光的高压DC/AC转换器，以及用于激光器、蜂窝或发射机和辅助设备的其他电源。表1显示了七种最常见的调节器拓扑结构，从最简单的(线性调节器)开始，到更专业的类型(如反激式调节器)。该表还列出了每种拓扑的优缺点。

交换基本开关稳压器布局中的元件改变电路拓扑结构，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可产生至少两个以上的调节电路或辅助输出电压。

表1 DC/DC拓扑结构

	优点	缺点
线性稳压器	·便宜 ·非常小 ·低静态电流(I(Q)) ·低噪声/ EMI	·V(OUT)必须小于V(IN) ·在高输入电压和/或大负载下效率低下
电荷泵	·便宜 ·非常小 ·可升压或反转	·输出功率有限 ·输入/输出电压比限制范围
降压(巴克)	·任何开关稳压器配置的最低峰值电流 ·只有一次开关压降 ·低纹波电流在输出滤波电容器 ·简单电感 ·低开关应力电压	·V(OUT)必须小于V(IN) ·高位开关
升压(提高)	·低峰值电流 ·低侧开关 ·简单电感 ·低开关应力电压	·V(OUT)必须大于V(IN) ·输出不能完全关闭 ·无短路保护
逆变器	·简单电感	·仅负输出 ·高位开关 ·峰值电流高
回扫	·隔离输出 ·多输出 ·上升/下降，反转 ·低侧开关	·用变压器代替电感 ·峰值电流高 ·高开关应力电压

表1省略了谐振模式调节器等复杂的拓扑结构，因为它们的控制电路对于小型电池供电系统来说消耗了太多的功率。这些系统的规则是简单:电路越简单越好。简单的电路没有磁性、简单的电感或1:1的变压器。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Cuk转换器，它结合了降压和升压拓扑，以及正向转换器，它结合了降压转换器和推挽转换器的一半。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和最便宜的电源电路，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，该网络监测输出电压，并通过控制内部通型晶体管(BJT或FET)来调整输出电压。当输入电压大大超过输出电压时，这个通管在高负载下耗散大量的能量(以热的形式)。这导致效率低于可比的开关稳压器。

当与开关稳压器一起使用时，线性稳压器在产生多个电压时特别有用。开关调节器可以提高低电池电压。然而，与其在一块小电路板上集成多个开关，设计师可以使用线性稳压器，因为它们的低压降电压可以为下游电路产生电压。

当在电池供电系统中使用线性稳压器时，重要的是要考虑静态电流(典型和满载时)、降压、热特性和关机能力。表2显示了一些可用调节器的简要比较。

表2 线性稳压器比较

有关在电池供电电路中使用线性稳压器的详细讨论，请参阅应用说明751，“便携式应用中的线性稳压器”。

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。调节电荷泵也可以反转输入电压。

一般来说，从电荷泵中提取的负载电流被限制在几十毫安。非调节电荷泵的输出电压依赖于输入电压，并随着输出负载的增加成比例地下降。调节电荷泵不依赖于输入电压来设置输出电压，因为它们是可调节的，所以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(如MAX1595)和少数能够驱动高达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产生噪声。由于轻负载限制和缺乏电感，这种噪声通常比可比的开关稳压器的幅度小。

切换监管机构

开关模式调节器比线性调节器更高效、更通用;然而，它们也明显更加复杂。影响开关调节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水平，以及磁性和电容储能的必要性。

开关式稳压器有两种基本的工作模式: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到零，这使得存储的能量在每个开关周期内被转移到输出滤波器。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降低了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对峰纹波电流并降低了铁芯损耗。

峰值电流至关重要

在电池供电的变换器中，电感电流的峰值很重要，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，该电流随调节器拓扑结构、控制电路以及电感电流是否连续而变化。表3显示了升压、降压和逆变稳压器的峰值电感电流的一些示例方程。

表3 样品峰值电感电流方程

配置	设备	电感峰值电流(A)
降压/巴克	MAX8566
升压/推动	MAX15059
逆变器	MAX1846

*LIR是电感纹波电流与最小占空率时平均连续电流的比值。周期。为了获得最佳的性能和稳定性，建议选择20% ~ 40%的LIR。
**T(S)为器件的开关周期，η为效率。
***D(MAX)为最大占空比。

在电池供电的转换器中，开关晶体管上的电压应力通常不是问题。标准逻辑级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、连接器和布线中的电阻。耗散损耗与峰值电流的平方成正比，因此减小峰值电流可以极大地减少这些损耗。此外，内部加热会降低电池的化学性质;因此，过大的峰值电流会缩短电池的寿命。

其他的拓扑结构

buck稳压器是大多数电池供电应用的最佳选择，前提是您可以负担得起产生高于输出电压的电池电压所需的几个电池。在开关周期的两个阶段，电感电流都流向负载，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较少。假设开关的导通压降比输入电压小得多，低输入电压可以降低交流开关损耗和有效值输入电流。

升压或升压拓扑产生大于输入电压的输出电压。这些拓扑结构适用于电池数量有限的系统。由于源电压和电感是串联的，所以电感平均电流等于直流输入电流，由下式给出:

I = p (in)/ v (in)

有时称为降压升压电路，逆变器拓扑结构产生与输入电压极性相反的输出电压。当考虑峰值电流和电压应力时，反相和反激稳压器在电气上是等效的。这些拓扑结构最适合需要负极或镀锌隔离输出的应用。然而，在一般情况下，高峰值电流使得反相和反激拓扑成为最不吸引人的简单稳压器。

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产生负输出电压，这不是源电压的辅助。逆变稳压器的开关元件经历较大的电压波动，对晶体管施加高开关损耗和压力。此外，反相和反激稳压器具有输入和输出滤波电容器，必须吸收具有大而急剧过渡的电流波形。在升压稳压器的输入电容器或降压稳压器的输出电容器中不存在快速移动的波形边缘。

倒置拓扑具有低侧开关

您可以通过将传统的降压、升压和反向拓扑颠倒连接来实现三种负拓扑。由于输入源是反向的，因此必须反转开关和整流器的极性(图1)。尽管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，并具有低侧开关的额外优点。低侧开关配置采用低R(ON) n沟道MOSFET，驱动要求简单。负降压稳压器有一些吸引力，作为一个替代主正稳压器，只要电池可以相对于系统接地浮动。如果可能出现电池浮接，可以参考接地到负极输出，电池正极到V(OUT)。

通常，在电池供电的系统中，建立几个独立的电源是设计多个输出的最佳方法。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生成剩余的输出。

耦合电感电路(图2)在基本降压、升压和反相拓扑结构上增加了一个额外的反激绕组。这些混合电路很重要，因为它们结合了反激电路的优点(隔离和廉价的多输出)与降压和升压电路的优点(低峰值电流和开关上的低电压应力)。耦合电感电路将反激电路所需的绕组数减少了一个。这种降低允许使用便宜的1:1变压器来产生双输出电压。

具有反激绕组的降压调节器是许多电池供电应用的高性能拓扑结构。该配置具有优异的稳定性，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上的差分电压。这两个参数决定了触发反激机制的堆芯通量的变化。

作为一般规则，可用的总辅助功率等于或小于主输出功率的一半。本准则仅适用于高输入电压。当输入电压小于输出电压的1.5倍时，应减小二次功率的估计值。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。当一次电流反转时，同步整流器有一个短暂的周期，这使得电路表现为正激变换器而不是反激变换器。在这种正向传导模式下，为了有效地传输功率，必须最小化漏感，减小绕组和整流阻抗，并使二次输出的滤波电容尽可能小，使纹波电压允许。

二极管电容充电泵提供了另一种廉价的方式来产生多个输出电压。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很好的候选。例如，升压稳压器可以在开关节点处于高位时通过接地二极管对飞行电容器充电(图3a)。打开升压晶体管迫使开关节点和飞行电容器的正电压端为0V。当升压晶体管接通时，飞行电容器通过向辅助输出电容器放电而产生负电压。

二极管电容电荷泵与升压开关稳压器一起工作最好，因为开关节点在定义良好的电压V(OUT)和地之间摆动。因此，线路调节良好。然而，当你轻敲降压或反相稳压器的开关节点时，调节效果就不那么好了，因为高压V(IN)随电池电压而变化。负载调节主要依赖于二极管的正向压降。在非常低功耗的应用(20mA或更低)中，输出功率为运放或场效应管栅极驱动器供电，您可以使用便宜的1N4148二极管和1mF电容器构建电荷泵。