开关稳压器工作原理及类型

与线性稳压器相比，开关稳压器在设计，结构和操作方面有所不同。在开关稳压器中，通过控制反馈电路的开关时间（包括参考电压）来调节输出电压；通过调节占空比，上面讨论的调节器都是线性稳压器，需要串联传输晶体管来调节有源区。尽管它们被选择用于不同目的，但它们确实具有串联传输晶体管的高功率耗散的缺点。主要原因是因为串联传输晶体管被用作A类功率放大器，其以低效率和热量形式的功率损耗而着称。当负载电流增加时，串联传输电阻必须承载重负载。这导致串联传输晶体管变得笨重，具有更大的散热器。这反过来又增加了总体成本。这种线性稳压器还需要一个降压变压器，它再次增加了整个电路的尺寸。应消除电路产生的大波纹，这需要大尺寸滤波电容器。

所有这些问题都可以通过使用开关稳压器来解决。与线性稳压器相比，整个操作完全不同。这里，串联传输晶体管不用作放大器，而是用作开关。也就是说，代替在有源区中工作的晶体管，使其在饱和区或截止区之间切换。因此，功耗降低，可以在低电压下承载重负载电流，同时具有较小的散热器。因此，该调节器在个人计算机中得到广泛应用。

基本开关稳压器设计用于三种配置，各类型开关稳压器工作原理电路图和说明如下。

降压开关稳压器

如上图所示，矩形脉冲被提供给晶体管的基极。在脉冲的每个周期期间，晶体管在饱和和截止之间变化。这会在LC滤波器的输入端产生矩形电压。阻断滤波器输入电压的交流分量，允许直流分量通过滤波器。当晶体管保持开关时，平均值总是小于输入电压。这就是我们称之为“降压”开关稳压器的原因。

升压开关稳压器

如上图所示，矩形脉冲被提供给晶体管的基极。在脉冲的每个周期期间，晶体管在饱和和截止之间变化。当晶体管饱和时，电流流过电感器。当晶体管切换到截止时，由于其周围的磁场突然崩溃，将在电感线圈上感应出大的电压。因此，电流保持在相同方向上流动。该电路称为“升压”开关调节器，因为电感器感应的电压将大于输入电压。

极性反转开关稳压

如上图所示，当晶体管饱和时，电流流过电感。当晶体管切换到截止时，由于其周围的磁场突然崩溃，将在电感线圈上感应出大的电压。因此，电流保持在同一方向流动。由于晶体管截止，唯一的路径是通过电容器。如果检查通过电容器的充电电流的方向，则发现输出电压为负。


一个简单的开关稳压器设计有我们已经知道的混合电路。工作从张弛振荡器开始，产生方波。方波的频率由R5和C3的值决定。方波作为积分器的输入给出，并产生输出三角波。这是作为三角形到脉冲转换器的正端子的输入。然后输出脉冲将驱动传输晶体管的基极。这些脉冲的占空比将决定输出电压。

占空比D是导通时间W与时间段T的比率。通过控制脉冲发生器的占空比，控制LC滤波器的输入电压的占空比。LC滤波器的输出是直流电压，只有很小的纹波。这个输出

Vout = DVin

由于D可以在0到1之间变化，因此Vout可以在0到Vin之间变化。

一个简单的分压器用于采样LC滤波器的输出。然后将该电压反馈到比较器电路，其中参考电压Vref与输出电压进行比较并传递到三角形到脉冲转换器的负输入端。

当输出电压增加时，比较器电路产生较高的输出电压，因此三角形到脉冲转换器的反相输入将具有高值。这将缩小传输晶体管的基极输入处的脉冲。由于占空比较低，滤波后的输出电压较小，这往往会抵消输出电压的几乎所有原始增益。这意味着任何尝试增加输出电压都会产生负反馈电压，几乎消除了原始增益。如果输出电压下降，则反向发生。

系统中有足够的开环增益，以确保良好调节的输出电压。由于比较器的误差电压接近零，因此R2两端的电压约等于Vref。所以通过电阻器R2的电流是：

I = Vref / R2

该电流流过R1，这意味着输出电压为

Vout = Vref（R1 + R2）

开关稳压器有不同的配置，如反激配置，前馈，推挽和非隔离单端或单极类型。

在上述配置中用作开关稳压器的一些常见IC是LM 1577 / LM 2577 IC。

使用LM 2575和LM 2577的开关稳压器

这些IC由美国国家半导体公司设计。这两款IC都以其最小的元件制造和简单易用的设备而闻名。这些IC还具有内部频率补偿和固定频率振荡器的优点。

以下是使用LM 2575的开关稳压器的电路图。该IC以其高效率而着称，并且将明显取代所有3端子线性稳压器。即使没有散热器，也可以获得IC的高效率。

LM 2577开关稳压器电路图如下。这两款IC都有不同的电压等级，如12伏和15伏，可调节。

使用LM 1578A IC的开关稳压器

LM 1578A IC也是由National Semiconductors开发的，用作DC-DC电压转换器，反相配置和降压 - 升压转换器等应用的开关稳压器。作为开关稳压器的IC的功能框图如下所示。

从功能图中我们可以看到，IC有一个比较器电路，具有反相和反相输入以及每个输入的1伏内部基准电压，这显然简化了电路设计和PCB布局。通过为集电极（引脚6）和发射极（引脚5）提供输出引脚，IC以其设计灵活性而闻名。IC的输出可以切换到最大750毫安。根据IC的使用类型，外部限流端子可以参考接地端子（引脚4）或Vin端子（引脚8）。IC的工作电压可以在（2-40）伏特之间变化。该IC还具有限流和热关断功能。此外，LM 1578 A还有一个板载振荡器，它通过一个外部电容设置开关频率 1 Hz至100 kHz（典型值）。占比高达90％。