本文介绍了降压稳压器基础、电流模式控制的操作、模拟电流模式控制的操作以及散热问题。最后，讨论了回路补偿设计的方法，并给出了降压-升压应用的实例。

降压稳压器基础

图1给出了降压稳压器的典型电路，包括功率管电流、续流二极管电流以及电感电流。图中忽略了功率管、续流二极管、电感等寄生电容，以及输出电容的ESR。这样有利于获得降压稳压器的一些关键特性，包括非绝缘接地、输出纹波电流以及高输入纹波电流，高端（浮动）门驱动电路等。

图1 降压稳压器波形和特性(略)

此外，应该指出降压型稳压器的输入电流是不连续的，但输出电流是连续的。了解这一点更有利于理解开关电源噪声的来源，提供PCB元件摆放和布线的理论基础，这在应用中非常重要。在降压稳压器工作在电流连续模式时，输出电流的纹波来源于电感纹波与电容ESR之积，基本上与负载无关。另外一个特性是在电压控制模式下，当工作在电流连续模式时，输出电感和电容构成一个LC滤波器，引入双极点，因此必须加以补偿。而工作在非连续模式时，电感电流的平均值的平方与控制电压、误差放大器的输出成正比。

电流控制模式

电流控制模式具有很多优点，这也是它应用广泛的原因。首先，无论采用哪种传导模式（连续或非连续模式），电流模式控制都是单极点系统，采用简单的补偿即可获得大带宽和稳定裕量，且电流回路可以迫使电感器充当一个受输入电压控制的恒流源。其次，电流控制模式是一种输入前馈系统，具有高动态响应速度，可以将输入电压瞬变对输出电流的影响降至最小。此外，它可以通过误差信号的外接，实现峰值电流控制和多个转换器的均流控制。

电 流控制模式的缺点也是显而易见的，首先电流信号容易受到噪声影响，降低了处理小导通时间的能力。其次，当占空比达到50%时，电流模式控制会出现次谐波震荡。
传统电流模式控制中常见的一个问题是前沿尖峰（如图2所示），它是由于续流器件的寄生电容引起的。当降压FET接通而二极管断开时，会产生一个大的反向恢复电流，该电流可触发PWM比较器。这时需要额外的滤波和前消隐电路，来防止过早触发PWM。前沿尖峰限制了开关电源开关频率的提高，不利于电源体积的减小。

图2 前沿尖峰(略)

模拟电流控制模式

模拟电流控制模式不是对电感电流进行真实的采样，而是基于法拉第感应定律，得到电感电流与输入、输出压差的关系，即dV/dt= (Vin - Vout)/L。如图3所示，将输入和输出电压的差值作1：1的电压电流转换，用来控制一个压控电流源对斜波电容进行充电，图中给出了得到的电容上的波形。这个波形的斜率就是电感电流的上升斜率，而电感电流的基底电流则通过续流二极管上串联的电流检测电阻以及采样保持电路在开关打开之前进行检测。将这两个电流信号进行叠加，即可得到电感电流，该电流就是用于占空比控制所需的信号。

图3 模拟电流模式控制原理图(略)

这种模拟技术由于采用了恒流源对电容充电的方法，避免了前沿尖峰和噪声的影响。图中25μA的 恒 流源用于斜波补偿，防止开关振荡。图4显示了这种控制模式下的时序图，有助于理解其工作原理。在模拟电流控制模式下，开关最小导通时间可以达到80ns。但是由于需要留出时间对续流二极管电流进行采样保持，限制了最大占空比，其计算公式为：Vin min =\frac{V_{OUT+VD}}{1-Fsw×500ns}。

图4 模拟电流模式控制时序图(略)

模拟电流控制模式的另外一个优势是“超前电流限制”，这是因为电感器电流的测量发生在接通降压开关之前。在高输入电压、极端短路情况下，如果电感器电流未降至电流限阈值以下，则降压开关会跳过数个周期，这样即可防止电感器电流的失控。

NS公司提供了Simple Switcher系列控制芯片，除了具有模拟电流模式控制外，还提供了同步引脚控制，可以轻松实现同步控制，有效避免拍频现象。

散热控制

结到环境的热阻θJA 取决于应用条件。实际热阻随器件封装类型、裸露垫盘下的通孔的数量和直径、接地面的面积和厚度、强制空气冷却风量和PC板总功耗的变化而变化。热阻的单位是℃/Watt。如已知设备的功耗PD ，则结温的计算公式为TJ=TA +（P D +θJA ）。

结到外壳的热阻 θJC 部分取决于应用。已知功耗P D 和器件外壳的温度Tc，则可以通过下面的公式计算结温T J =Tc+(P D + θ JC ) 。

补偿回路设计

对于电流控制模式，补偿回路的设计相对简单。根据给定的输出滤波器的参数，计算或实测出它的频率特性，得到与目标频率特性的差值，作为补偿回路的设计目标。图5给出了计算方法和公式。另外NS公司网站上提供了便捷的全新辅助设计软件，该软件可以进行热仿真。

图5 误差放大器设计(略)

降压-升压应用实例

如图6所示，一个降压稳压器可以通过改变配置，实现正输入电压到负输出电压的转换。降压-升压稳压器与降压稳压器的基本元件非常类似，只是电感器和整流二极管的位置进行了互换。因为每个配置的主开关Q1都在相同的位置上，所以这两种拓扑都可以使用降压稳压器控制电路。当Q1接通时，可以跨过功率电感器L1施加输入电压Vin。在导通时间内，电感器的电流上升。Q1断开时，电感器电流仍流过C1、负载电阻和D1，建立一个负输出电压。在下一个Q1导通时间内，由输出内容为负载供电。

图6 降压-升压变换器原理图(略)

图7中给出的是利用LM5576实现的正输入、-10V输出的降压-升压应用实例。

图7 应用实例(略)

应当注意的是，由于模拟电流控制芯片在内部模拟了电感电流，模拟出的电流信号非常干净，对外部噪声具有很高的免疫力，因此它不能表现出实际板上的输出电流的噪声情况，因此在布局布线时仍需仔细工作，以更好发挥芯片的性能。

总之，模拟电流模式控制保留了传统电流模式控制的所有内在性能和简便易用的优势，同时具有更低的噪声敏感度和高工作频率。NS公司新一代的Simple Switcher降压器采用了模拟电流模式控制，为用户提供了优化的解决方案。这些新型的产品提供了4种输出电流选项即0.5A、1.5A、2.5A和3A。同时最大输入电压有42V和75V两种选择。每一个器件都可以使用在线设计和仿真工具Webench进行辅助设计。

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http://seminar.eccn.com/070403/jchf.asp


问答选编

问 ：新的模拟电流模式（ECM）控制的集成降压稳压器系列能否用于功率LED驱动？成本上是否具有优势？

答：可以，但这是恒压设计，反馈电压仍为1.225V，所以在LED应用时，要外加运放来降低反馈电压值，建议选用NS的LM3402或LM3404，电路会更加简单。

问 ：相对于其它模式，这种模式实现的转换有何优势?

答：最主要的优势是它的电流检测信号完全没有前沿尖峰和噪声干扰。因此可以实现比其他模式更小 的 占空比，也就是在更高的开关频率下实现大的输 入输出压差。

问：该系列稳压器的PCB布线方面有哪些地方需要注意？

答 ：它 的布线其实和普通降压稳压器一样。降压型稳压器的PCB 布线，要注意地线的走法，在降压型电路里最干净的地是输入电容的地，因此在功 率布线 里 ，续流二极管的地和芯片的地要紧紧地和输入 电 容 的地靠在一起。同时，两个功率路径的面 积要尽 量缩小。

问：电流模式控制和电压模式控制有何区别？对降稳压器的控制，哪种更具优势？

答：电流模式与电压模式的区别主要是，是否检测开关电流参与每一周期的控制。
电 流模式的优势是更好的输 入瞬态响应和输出瞬 态响应。

问：对于功率LED而言，采用哪种电源工作模式更有利于它的寿命和可靠性，是恒压型还是恒流型？

答：LED是要求工作在恒流模式下，因为峰值电流的变化会引起LED颜色(色温)的变化，而这与寿命和设 计可靠性无关。

问：在设计电路板时，有多个DC/DC转换器，如何减小其对电路板布线的干扰，对元器件放 置和布线有何 要求？

答：对于多个DC/DC转换器，一个最重要的减小干扰的方法是同步频率，减小拍频的影响。要注意每个单独的DC/DC转换器的地线，功率地线最好单独连接输入电容，而后汇总。电源在布线 里要和模拟电路 分 开，如果有RF电路， 电源也要和RF电路分开，中 间插入数字电路是比较理想的解决方法。

问：DC/DC转换器的短路保护有几种方式？效果如何？

答：有逐周期保护、打嗝模式（间歇工作）保护、降频率 保护、通过欠压实现短路保护及自锁保护等。

逐周期保护便于自恢复，同时瞬间过载能力较强，但器件热应力较大；打嗝模式可以减小热应力，同时又能实现自恢复，但会表现出较 弱的瞬 间过载能 力 ；降频率是一种折中方法，但有可能产生音频噪声；通过欠压实现保护是较便宜的一种设计方式， 可以实现保护但自恢复能力较差；自锁保护是最安 全的一种方式，但同样不适用于需要自恢复的场合。

问：影响DC/DC转换器的工作频率有哪些因素？

答：选择工作频率时，首先应根据系统的噪声要求限定工作频率的范围。另外选择较高的工作频率可使用较小的电感和电容，有利于减小系统板的尺寸。但较高的工作频率使IC本身及对外部场效应管的门极驱动损耗增大，有可能降低轻载下的转换效率。

问：当PCB内同时有开关电源和线性电源时，开关电源模块的地和线性稳压模块的地如何处理？

答：这取决于对噪声的具体要求。一般情况下开关电源的地可以与线性稳压器的地以地平面的方式连接，这样相互间受到电流瞬变带来的基准电平变化的影响较小。但前提是，开关电源的脉冲电流回路要尽量小，以保证其产生的开关噪声最小。

在对输出噪声要求极高，而线性稳压器的负载与开关电源的负载无关时，可以以共模电感或磁珠将二者的地和连接隔离。

问：如何防止EMI倒灌到反馈回路及输入电源中？

答：主要注意以下几个方面：

1．减小功率环路面积；

2．在高di/dt和dv /dt的地方，连接线一定要短而宽。如，降压的SW到电感的连接处；
3．电感磁芯的选择。

问：一般来说，如何抑制DC/DC转换器的尖峰电压？

答：输出电压的尖峰有两种，我们称之为输出纹波和输出噪音。输出纹波是由电感的纹波电流在输出电容的等效串联电阻上产生的，可以通过减小 输出电容的等效串联电阻和加大电感量来减小。而输出 噪 音比较复杂，但主要是因为PCB布线 引起的，只要注意地的布线，减小功率环路的面积即可减小这种噪音。