電感式DC/DC變換器在手機電源、LCD背光源、鍵盤燈、相機閃光燈等電路中應(yīng)用十分廣泛,因此,讀者務(wù)必掌握其基本工作原理及電路圖的識別,以便于正確分析電路和判斷故障。
1.電感式DC/DC變換器基本工作原理
電感式DC/DC變換器主要分為升壓式(VIN<VoUr)、降壓式(VIN>VOUT)及電壓反轉(zhuǎn)式(VIN= - VOUT),下面主要分析常用的升壓式和降壓式DC/DC變換器。
(1)升壓式DC/DC變換器
升壓式DC/DC變換器電路原理框圖如圖5-33所示。
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圖中,VIN為輸入電壓;VOUT為電源輸出的電壓;L為儲能電感;VD為整流二極管;C為濾波電容;R1、R2為分壓電阻,VT為電源開關(guān)管,常采用N溝道絕緣柵場效應(yīng)管(MOSFET); FB為誤差反饋信號,用以穩(wěn)定工作電壓和調(diào)整輸出電壓的高低。
升壓式DC/DC變換器的基本工作原理是:開關(guān)管VT在控制電路的控制下工作在開關(guān)狀態(tài),在開關(guān)管VT導(dǎo)通期間,儲能電感L上儲存能量,在開關(guān)管截止期間,儲能電感L感應(yīng)出左負(fù)右正的脈沖電壓,與VIN電壓疊加后,經(jīng)二極管VD整流、電容C濾波,產(chǎn)生高于輸入電壓VIN的輸出電壓VOUT,為負(fù)載供電。
實際電路中,電感升壓式DC/DC變換器型號很多,這里只列舉一例。圖5-34所示是電感升壓式DC/DC變換器NCP5006的外形圖和內(nèi)部框圖。
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NCP5006的①腳為電壓輸出端,②腳為接地端,⑨腳為誤差反饋輸入端,④腳為輸出使能端(高電平使能,即該腳為高電平時,①腳才有輸出),⑤腳為電壓輸入端。
圖5-35所示為NCP5006的典型應(yīng)用電路,用以驅(qū)動5只白光LED顯示。這個電路十分典型,LCD背光燈、閃光燈等電源電路都與此類似。
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電路的工作過程是:Vbat電壓一方面加到NCP5006的輸入端⑤腳,另一方面經(jīng)電感Ll加到NCP5006的①腳(內(nèi)部開關(guān)管的漏極),NCP5006內(nèi)的開關(guān)管在控制電路的控制下工作在開關(guān)狀態(tài),在開關(guān)管導(dǎo)通期間,儲能電感L1上儲存能量,在開關(guān)管截止期間,儲能電感L1感應(yīng)出上負(fù)下正的脈沖電壓,與Vbat電壓疊加后,經(jīng)二極管VDI整流、電容C2濾波,產(chǎn)生18~20V的輸出電壓,為5只LED供電。電路中,④腳接Vbat(高電平),因此,電路能持續(xù)輸出電壓。
(2)降壓式DC/DC變換器
降壓式DC/DC變換器電路原理框圖如圖5-36所示。
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圖中,VIN為輸入電壓,VOUT為輸出電壓,L為儲能電感,VD為續(xù)流二極管,C為濾波電容。電源開關(guān)管VT既可采用N溝道絕緣柵場效應(yīng)管(MOSFET),也可采用P溝道場效應(yīng)管,當(dāng)然也可采用NPN或PNP晶體三極管,實際應(yīng)用中,一般采用P溝道場效應(yīng)管。
降壓DC/DC變換器的基本工作原理是:
開關(guān)管VT在控制電路的控制下工作在開關(guān)狀態(tài)。開關(guān)管導(dǎo)通時,VIN電壓經(jīng)開關(guān)管S和D
極、儲能電感L和電容C構(gòu)成回路,充電電流不但在C兩端建立直流電壓,而且在儲能電感L上產(chǎn)生左正右負(fù)的電動勢。開關(guān)管截止期間,由于儲能電感L中的電流不能突變,所以,L通過自感產(chǎn)生右正左負(fù)的脈沖電壓。于是,L右端正的電壓一濾波電容C一續(xù)流二極管VD—L左端構(gòu)成放電回路,放電電流繼續(xù)在C兩端建立直流電壓,C兩端獲得直流電壓VOUT,為負(fù)載供電。從以上可知,降壓式DC/DC變換器產(chǎn)生的輸出電壓不但波紋小,而且開關(guān)管的反峰電壓低。
實際電路中,電感降壓式DC/DC變換器型號很多,這里只列舉一例。圖5-37所示是電感降壓式DC/DC變換器AP1510的外形圖和內(nèi)部框圖。
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AP1510的①腳為誤差反饋信號輸入端,②腳為輸出使能端(高電平使能,即該腳為高電平時,①腳才有輸出),⑧腳為振蕩設(shè)置端(通過外接電阻來設(shè)置最大輸出電流),④腳為電壓輸入端,⑤、⑥腳為電壓輸出端,⑦、⑧腳接地。
圖5-38所示為AP1510的典型應(yīng)用電路。
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電路的工作過程是:AP1510內(nèi)部的開關(guān)管在控制電路的控制下工作在開關(guān)狀態(tài)。開關(guān)管導(dǎo)通時,AP1510的④腳輸入電壓VIN加到內(nèi)部的開關(guān)管S極,開關(guān)管的D極接輸出端⑤腳,因此,輸入電壓VIN經(jīng)內(nèi)部開關(guān)管S和D極、儲能電感L和電容COUT構(gòu)成回路,充電電流不但在COUT兩端建立直流電壓,而且在儲能電感L上產(chǎn)生左正右負(fù)的電動勢。開關(guān)管截止期間,由于儲能電感L中的電流不能突變,所以,L通過自感產(chǎn)生右正左負(fù)的脈沖電壓。于是,L右端正的電壓一濾波電容COUT一續(xù)流二極管VDI →L左端構(gòu)成放電回路,放電電流繼續(xù)在COUT兩端建立直流電壓,COUT兩端獲得直流電壓VOUT,為負(fù)載供電。
2.輸出負(fù)電壓的電感式DC/DC變換器
輸出負(fù)電壓的電感式DC/DC變換器電路原
理框圖如圖5-39所示。
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圖中,VIN為輸入電壓;VOUT為電源輸出的電壓;L為儲能電感;VD為整流二極管;C為濾波電容;VT為電源開關(guān)管,常采用N溝道絕緣柵場效應(yīng)管(MOSFET); R1、R2為分壓電阻,經(jīng)分壓后產(chǎn)生誤差反饋信號FB,用以穩(wěn)定工作電壓和調(diào)整輸出電壓的高低。
電路基本工作原理是:開關(guān)管VT在控制電路的控制下工作在開關(guān)狀態(tài),在開關(guān)管VT導(dǎo)通期間,儲能電感L上儲存能量,在開關(guān)管截止期間,儲能電感L感應(yīng)出上負(fù)下正的脈沖電壓,經(jīng)二極管VD整流、電容C濾波,產(chǎn)生負(fù)的輸出電壓VOUT,為負(fù)載供電。
3.電感式DC/DC變換器的特點
電感式DC/DC變換器的開關(guān)管工作于開關(guān)狀態(tài),所以開關(guān)管上的損耗很小,因此效率就很高,一般可達(dá)80%~93%。
電感式DC/DC變換器不僅效率高,并且可以組成降壓式、升壓式及電壓反轉(zhuǎn)式等形式,使用比較靈活,在手機、LED液晶彩電電源電路中應(yīng)用較多。另外,開關(guān)管和控制器一般集成在集成電路中,這樣,集成電路外部僅3個元器件:L、VD和C(采用同步整流時可省掉VD),電路簡單,所占印制板面積?。惠斎腚妷河休^大變化時不影響開關(guān)管的損耗,所以特別適用于VIN和VOUT差值很大的場合。
電感式DC/DC變換器的主要缺點在于電源方案的整體面積較大(主要是電感和電容),輸出電壓的紋波(一種噪聲電壓)較大,一般有幾十毫伏到上百毫伏(低噪聲的也有幾毫伏),而線性穩(wěn)壓器僅有幾十微伏到上百微伏,相差約千倍。因此,采用電感式DC/DC變換器進(jìn)行印制板布線時必須格外小心,以避免電磁干擾。
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