DC―DC 电源的应用设计研究

摘要：通过分析DC-DC稳压器的基本原理和特性，分别对线性稳压器和开关稳压器进行性能和结构原理的分析比较，并根据实际情况对DC-DC电源的设计应用提供所需要考虑的各种因素。对直流电源电路设计中电源芯片选型基本方法进行详细的介绍，为实际直流电源电路的芯片应用和设计提供参考方案。

关键词：线性稳压器；开关稳压器；电源

中图分类号：TP303+.3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）11-2656-04

Abstract： Analyzes the basic principles and characteristics of the DC-DC regulator， analyzes and compares the performance and structure of the principle of linear regulator and switching regulator， and provides a variety of important factors in the actual situation of the DC-DC design. Describes to the basic method of power chip selection， and provides a reference for the DC power circuit design.

Key words： linear regulator； switching regulator； power supply

电源的应用无处不在，所有的电子系统都需要恒压电源或者恒流电源的支持。输出直流称为直流电源，由前端直流转后端直流的称为DC-DC变换器，而直流转交流的变换器称为逆变器。所以，DC-DC变换器是用于提供DC电源的电路或模块。

1 DC-DC变换器的主要分类

1.1 线性型（Linear）

线性型变换器：可以从电源向负载连续输送功率的DC-DC变换器。线性型变换器通过在线性区域内运行的晶体管或场效应晶体管（Field Effect Transistor或FET），电路的输入电压中减去超额电压，调节从电源至负载的电流流动，从而产生经过调节的输出电压。

1.2 开关电源型（Switcher）

开关电源型变换器：以脉宽方波的形式从电源向负载输送功率。其特点是开关器件的周期性开通和关断（定频型、变频型、定变混合型）。将原直流电通过脉冲宽度调制PWM（Pulse Width Modulation）或脉冲频率调制PFM（Pulse Frequency Modulation）来控制有效的直流输出。PWM调制稳定电压的方式是，在开关频率不变化的前提下，依靠脉冲宽度的增大或缩小改变占空比例，进而调节电压达到稳定，它核心部件是脉宽调制器。在PFM调制方式运作的时候，脉冲宽度是固定的，开关频率的增加或减少控制了占空比，使得电压保持稳定，脉频调制器是它的核心部件[1]。

2 线性稳压器（Linear Regulator）

线性稳压器如78XX系列三端稳压器等，是一种无需使用开关元件而能提供恒定电压恒定电流输出的DC-DC转换器。

2.1 线性稳压器的工作原理

线性稳压器和输出阻抗形成了一个分压网络。线性稳压器等效于受控的可变电阻器，可根据输出负载自行调解以保持一个稳定的输出。输出电压通过连接到误差放大器反相输入端的分压电阻采样，误差放大器的同相输入端连接到一个参考电压Vref。误差放大器试图使其两端输入相等2.2 线性稳压器的类型

线性稳压器中的元件是双极型晶体管或场效应管MOSFET。双极型线性稳压器具有较高的压降电压，并能支持较高的输入电压并拥有更好的瞬态响应。MOSFET低压差线性稳压器LDO（Low Dropout Regulator）能支持非常低的压降，低静态电流，改善噪声性能和低电源抑制。为使线性稳压器处在正常工作状态之下，Vin和Vout之间最小压差称为压降电压（Drop-out Voltage），不同的稳压器结构会产生不同的压降电压，这也是几种线性稳压器的最大区别。如LM340和LM317这些稳压器使用NPN达林顿管，称其为NPN 稳压器（NPN Regulator）。然而低压差（Low-dropout）稳压器（LDO）和准LDO稳压器（Quasi-LDO）为新型电源设计提供了更高性能[2]。

2.3 LDO的应用选择

开关稳压器是一种采用开关组件与能量存贮部件（电容器和感应器）一起输送功率的DC-DC转换器，它提高了电源转换效率和设计灵活性。开关稳压器主要分为以下两类：电感储能开关稳压器和无电感型开关稳压器（充电泵）。

3.1 电感储能开关稳压器的工作原理

电感用于储存能量及向负载释放储能，电感在开关管开通状态下从Vg获得能量。

4 DC-DC变换器的应用选择

5 结论

通过分析比较最常见的两类三种直流稳压电源，了解了直流稳压电源的结构及构成原理，提出了电源电路环路控制的设计方案，为直流稳压电路正确合理的设计提供了参考方案。根据不同的实际设计需要和参数选用不同类型直流稳压电源，有利于整个系统平稳安全的工作。

参考文献：

[1] 杨建伟.谈开关电源的原理和发展趋势[J].科技与企业，2012（22）：359.

[2] Tulte D.Low-V in buck regulator toggles fast-switching/very low-dropout modes[J]. Electronic Design，2005，53（21）：27.

[3] Oliver N. Charge pump versus boost converter the great battle between white LED driver solutions[J].Global Electronics China.2005（9）：49-50.

[4] 王学智.开关电源的原理和发展趋势[J].黑龙江科技信息，2007（11）：21.

[5] 严惠琼，都思丹.新型National系列半导体电源芯片分析综述[J].南京大学学报，2007（43）：35-46.

[6] 李爱文，张承慧.现代逆变技术及其应用[M].北京：科学出版社，2000.

[7] Simpson C.Linear regulators： Theory of operation and compensation[J].National Semiconductor Application Note，2000（5）：8-11.