基于LM267X稳压器的正到负降压/升压转换器的应用技巧

工业、通信及个人系统等产品对稳压器或类似芯片的需求不断增加，但大部分开关稳压器的设计除了需要专门的设计技术外，更需增加大量外置式元件才可正常工作。本文介绍LM267X系列稳压器在极性反相转换器设计中的应用技巧。
　　极性反相转换器在开始工作时先将能量储存在电感器(L)内，后通过二极管(D)将能量传送至输出区。开关一旦启动，二极管便产生反相偏压，电感器电流也随即以线性方式增加。开关一旦关闭，电感器的极性将反过来，以确保开关电流可保持最高的流量。因此，二极管将产生正向偏压，而储存在电感器之内的能量会传送至负载及电容器。由于这类转换器可以升高或降低输入电压，因此，这种集成电路也称为降压/升压转换器。
　　设计上的考虑
　　采用LM2673芯片的极性反相稳压器的典型配置,负输出已接地，而反馈信号则传送至接地，因此无需额外的电平移位以及将反馈信号加以反相，就可适当调节负极输出。此应用方案也可采用可调型LM2673芯片，办法是将反馈电阻由接地连接至输出电压(VOUT)(与输出电容器并行连接)。由于这种电路的控制与输出传送函数的零点出现在右半平面，因此一般来说稳定性较差。因此，在输入与负
输出之间需要采用另一比输入电容器更小的电容器CC将之连接起来，以确保稳压器环路的稳定工作，100uF或以下的小电容可以发挥器件的性能。
　　若输出电流低至100mA以下，稳压器可以采用断续模式工作，这样便无需电容器CC。
　　若使用电容器CC，每当供电电压开始输入电路时，电容器充电电流会在输出的起始状态出现正电压尖峰，但一般来说，这个正电压尖峰波幅太小，不会引起任何问题。
　　电容器初始状态的充电电流会令电容器等效串联电阻(ESR)的电压下降。由于电容器CC及输出电容器可执行分压器的功能，因此电压尖峰的波幅在初始状态由CC及输出电容器的ESR数值所决定。输出电容器的ESR数值一般均远比补偿电容器的ESR为低，因此初期电压尖峰波幅很小，一般只有500mV。若传感器直流电阻高至2V以上，而启动电流在初始状态也很高，尖峰也将较高。二极管D2将正输出电压尖峰钳位在某一电平内，以肖特基二极管为例，电压大约可定在300mV内。大部份情况均无需钳位，也无需采用D2。
　　选择适用的元件
　　以下列出所选的电路元件及其详细计算结果。均以连续模式工作为基准计算。
　　占空比的计算如下：
　　D=( |VOUT|+Vd ) / (VIN+|VOUT|+Vd-VSW)
　　在上述方程式之中：Vd=二极管正向电压; VSW=晶体管导通电压; VSW=Iswmax*RDS(on);传感器平均电流为：
　　IL = IOUT/(1 - D)
　　采用不同方法可以计算出所需的电感量。较佳方法是将电感器纹波电流(△IL)选定在传感器平均电流(IL)的20%与30%之间。这样稳压器可在连续模式下工作，此设计的负载瞬态响应较好，输出纹波电压也较理想。
　　因此，峰至峰电感器纹波电流(△IL)选定为：△IL=0.2至0.3*IL，所需电感为：
　　L= VIN*D / (f-△IL)
　　电感器的额定RMS电流应等于或超过最高开关电流(Isw max)，以免电感饱和。此外，电感器的额定伏秒值至少应为：E*T= VIN/D*f
　　集成电路的额定参数计算
　　直流/直流转换器的额定功率必须支持最高电流及电压。
　　开关电流峰值为：
　　Isw max=IL+ △IL/2
　　由于芯片的接地连接输出，芯片的额定最高输入电压必须支持标称输入电压及输出电压。
　　芯片的额定最高开关电压及输入电压为：Vsw max=VIN+|VOUT|，功耗为：PD=VIN*Iq+(Isw max)2*RDS(on)，最高的开关电流取决于占空比D及电感器数值。
　　二极管额定值的计算
　　续流二极管D1必须满足以下参数要求：IDmax=Iswmax VDmax=VIN+|VOUT| PD=IDmax*VD*(1-D)
　　一般均会采用低正向导通电压的肖特基二极管，以便获得理想的转换效率。
　　选择适用的输出电容器
　　选择输出电容器时必须以其ESR数值的大小为主要的取舍标准，且其电容必须够大，足以在接通电源后提供负载电流。ESR数值的大小对输出电压纹波有决定性的影响。ESR的计算方法如下：
　　ESR = △VOUT/Iswmax
　　在以上方程式中：△VOUT=需要的输出纹波电压
　　电容器的电容必须达到某一最低的数值，才可提供所需的输出纹波及负载电流，其计算方法如下：
　　COUT min= IOUT*D/f-△VOUT
　　选择适用的输入电容器
　　选择输入电容器时必须以其ESR数值及额定RSM电流为主要取舍标准，以便为输入的高电流转变提供支持。

在实际应用中，选用低ESR电容器较理想，因为它有助于减低输入电压纹波，及减少对同一系统内的其他电路造成的干扰。至于部分对电磁干扰极为敏感的应用方案，可考虑添加L-C输入滤波器。
　　稳定性的考虑
　　由于开关模式的直流/直流转换器包含频率响应控制环路，因此其设计必须符合控制环路的稳定性标准。
　　由于电感数值、输出电容和ESR以及补偿电容器CC会影响稳压器环路的稳定性，因此所用的转换器必须通过稳定性测试。
　　首先需要进行的稳定性测试是检查半导体开关(即LM2673芯片的输出管脚) 的开关电压波形。这个波形应该是稳定的，而且并无颤动的现象，如图3和图4的波形所示，分别采用连续及断续工作模式。
　　无论输入电压及负载电流如何变动，如果波形仍能保持稳定，便足以显示这是一个稳定的设计。
　　此外，要进行脉冲负载测试或量度其负载瞬态响应。测试时，最低及最高负载之间的负载电流分别以脉冲分隔(矩形波形，快速上升时间)，并利用示波器监察输出电压波形。在这些情况下，输出电压应该对负载电流变动做出稳定而并无任何振荡的响应。这些测试必须反复验证以证明无论输入电压为何，输出电压仍然做出同样的响
应。
　　若进行测试时稳压器出现稳定性的问题，输出电容器及/或补偿电容器CC必须随即更换。对于采用LM267X芯片的反相降压/升压应用方案来说，电容器CC的电容值越高，系统稳定性便越高。
　　启动问题
　　即使输入电压低至5V，LM267x系列开关稳压器仍可充分利用降压/升压设计的优点，虽然开关稳压器通常均规定输入电压VIN最低必须为6.5V，但这款集成电路的内置式5V稳压器可以为芯片提供内部偏压。
　　由于芯片的接地连接输出，因此输入电压VIN至接地之间的实际电压是输入电压加输出电压的总和，一般来说这个总和会超过8V。由于在初始状态芯片的输入为5V以便启动芯片，一旦输出变为负电压，芯片的输入电压最后会升高至等于输入电压与输出电压的总和(VIN+ VOUT)，电压总和超过6.5V，符合相关技术标准。
　　反相稳压器在启动时通常需要高峰值输入电流。若使用这款开关稳压器芯片的软启动功能，便可将高峰值输入电流减至最低。
　　本文总结
　　以下所示的每一个系统几乎全部都需要在电路板上加设稳压器或类似的芯片，而且其中不少系统还需要加设转换器以提高系统效率。但大部分开关稳压器的设计均需要专门的设计技术，而且还要加设多达十四个外置式元件才可正常工作。本文介绍的高集成度芯片所需外置式元件只有四个，而且已免费预装Switchers Made Simple软件，使应用厂商无需专门的设计技术也可开发开关稳压器。这可以确保设计工程师在短短数日内便能完成高性能开关电源的设计。因而在笔记本型计算机、台式计算机、手持式设备、LCD/TFT监视器、打印机、扫描仪、上网设备等领域获得广泛的应用。