同步降压转换器的简化原理图

2024-03-14

降压转换器是一种普遍存在的 DC-DC 转换器,可高效地将高电压转换为低电压。高效的电源转换可延长电池寿命、减少热量并允许构建更小的设备。降压转换器可用于许多很酷的应用。本文简要介绍了降压转换器,涵盖了降压转换器电路(及其同类半桥)的一些很酷的应用,并提供了资源链接,感兴趣的读者可以在其中了解有关在其设计中使用的特定芯片的更多信息。

降压转换器简介

降压转换器是一个简单的电路。图 1 是降压转换器的简化原理图。MOSFET 高压侧 MOSFET 导通和关断。控制 IC(未图示)使用闭合反馈环路来控制输出电压。直流传递函数是一个与降压转换器的输入电压、输出电压和占空比相关的方程。$Vout = Vin * D$,其中 Vout 是输出电压,Vin 是输入电压,D 是占空比,或 MOSFET 导通时间的百分比。图 1 中的电感器和电容器构成低通滤波器。该低通滤波器可以平滑 MOSFET 开关动作,并产生良好、平滑的直流电压。

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图 :非同步降压的简化原理图。TPS5430是非同步降压控制器的一个示例。

图 2 显示了降压转换器的常见变体:同步降压转换器。在同步降压转换器中,续流二极管被 MOSFET 取代。使用 MOSFET 还可以实现双向功率传输。如果降压转换器反向运行,它可以作为升压转换器运行。这需要特殊的转换器IC。它用于USB On-the-Go等应用中,让您可以使用智能手机为小型便携式电子设备供电。

这种布置中的两个 MOSFET 称为半桥。半桥也是非常有用的电路,有很多应用。

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图 :同步降压转换器的简化原理图。LM5119是同步降压转换器 控制器的示例。

降压转换器随处可见。本文的其余部分将介绍一些常见的应用程序。

USB 随身携带

USB On-The-Go 允许将键盘、鼠标和其他外围设备连接到智能手机。外围设备从手机上的 USB 端口获取电源。功率调节是使用同步降压转换器来处理的,该转换器可以在两个方向上传输功率。当手机插入电池充电器时,降压转换器作为降压转换器运行,为手机中的锂电池充电。当插入外设时,降压转换器作为升压转换器反向运行,从锂电池产生 5V 电压。查看Texas Instruments和Linear Technology提供的这些链接,了解有关支持 USB On-The-Go 的双向 DC-DC 转换器的更多信息。

适用于 PC 和笔记本电脑的 POL 转换器

负载点转换器 (POL) 是一种非隔离降压转换器,能够高效地将功率驱动至高电流负载。这对于 PC 和笔记本电脑主板尤其有用。现代微处理器的运行电压非常低,通常为 1.8V。同步降压(有时是多相)用于此目的。在主板规格中,该 POL 通常称为电压调节器模块或 VRM。Muarata 生产负载点转换器,就像这个一样。

电池充电器

每个人都希望他们的智能手机、平板电脑或便携式电池组能够快速充电,而不会加热便携式设备。同步降压转换器是实现此目的的最佳方法。通常,移动设备的充电端口是微型 USB 端口。它接受稳压 5V。充电电路位于移动设备的内部,通常是降压转换器。一些降压控制器具有内置电池控制器智能功能,例如Linear Technology 的这款芯片。

太阳能充电器

高效地将高电压转换为低电压是降压转换器的强项。有许多产品可以通过更高电压的太阳能电池板为电池充电。该太阳能充电器具有其他降压转换器所没有的功能,称为最大功率点跟踪。太阳能电池具有非线性电流-电压曲线。太阳能充电器通常是带有微控制器控制的降压转换器。微控制器告诉降压转换器通过改变负载电流来汲取最大电量,以便在尽可能短的时间内为电池充电。一些降压转换器具有内置最大功率点跟踪和锂电池充电器智能功能,例如 Linear Technology 的LT3652 。

功率音频放大器

D 类功率音频放大器的功率级是同步降压转换器。DC-DC 转换器和 D 类音频放大器之间的一大区别是,虽然 DC-DC 转换器在线路和负载上产生固定的 DC 电压,但 D 类放大器有意产生 AC 信号。区别在于反馈循环。请注意,输出级是一个半桥,后接一个 LC 滤波器。NXP 的TDA8954就是 D 类放大器的一个很好的例子。

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图 :D 类放大器的简化原理图。

纯正弦波逆变器

纯正弦波逆变器从电池等直流电压源产生正弦波。您可以使用电源逆变器通过大型电池或汽车为家用电子设备供电。功率逆变器的逆变功率级看起来像 D 类放大器。

四轴飞行器

降压转换器用于四轴飞行器。四轴飞行器通常由多节锂电池组供电。典型的电池组配置是串联 2-6 节电池。这些电池组产生 6V-25V 范围内的电压。降压转换器将电池电压降至 5V 或 3.3V,供飞行控制器(四轴飞行器的大脑)使用。四轴飞行器行业通常将降压转换器称为BEC(电池消除电路的缩写)或UBEC(通用电池消除电路的缩写)。BEC 和 UBEC 经常出现在驱动四轴飞行器上无刷电机的电子速度控制器上,或配电板上,将电池电力路由到需要的地方。

无刷电机控制器

说到四轴飞行器,四轴飞行器使用无刷电机进行飞行,因为其效率高且重量轻。三个半桥用于驱动无刷电机的感应线圈。请参见图 9,这是无刷电机驱动器的简化原理图。它看起来像没有滤波电容器的 3 个同步降压转换器。图 10 是四轴飞行器爱好者使用的实际电子速度控制器的图片。

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图 :无刷电机控制器的简化图。

同步的功率级允许电力从电机流向电池。这是一个称为再生制动的过程,用于火车和电动汽车,包括特斯拉跑车。

有刷电机控制器

有刷电机可以使用称为高端电机控制的配置来驱动。它基本上是一个没有输出电容器的同步降压转换器。

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图 :有刷电机控制器的简化原理图。请注意与降压转换器的相似之处。

结论

本文简要介绍了降压转换器。降压转换器及其半桥用于许多很酷的应用,包括智能手机、笔记本电脑、平板电脑、便携式电池组、手电筒、四轴飞行器。音频放大器和电机控制电路与降压转换器有很多共同点。

 

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