電源IC的選型與應用研究

粟小娓

（貴州航天智慧農業有限公司，貴州 貴陽 550000）

對于電子設備來說，電源是最重要的組成部分，關系到電子設備的技術性能，確保電子設備安全可靠地工作。由于開關電源效率高、體積小，在計算機、通訊、家用電器等領域得到了廣泛的應用，由此研究電源IC的選型和應用具有較強的現實意義。

1 開關電源的分類

開關電源在分類上相對來說比較復雜，分類標準不同，開關電源的類型也不同。電源開關根據管激勵方式可以分為自激法和外激法。自激法不需要設置振蕩器、開關管和振蕩管，它是一個高頻變壓器的反饋環路，自身可以產生振動。外激法與自激法不同，需要額外添加一個特殊的振蕩器，這個振蕩器產生的脈沖可以控制開關的開和關。根據開關電源的輸入和輸出可分為隔離和非隔離型；電源開關根據連接的方式可以分為并聯連接與串聯連接，并聯連接開關的輸入電壓和負載是并聯的，該系列是一種穩壓電路，是一個并聯升壓調壓器電路，串聯連接的輸入電壓與負載是串行的，穩定性稍弱；按照輸入和輸出電壓的類型可分為DC-DC開關電源，AC-AC開關電源，AC-DC開關電源，DC-AC開關電源。DC-DC開關電源應用范圍廣泛，主要是改變電壓和電流。DC-DC開關電源可分為boost開關電源、buck開關電源以及Buck/Boost變換器。

（1）BOOST開關電源。Boost開關電源的主電路由功率開關N1組成，負載電容C，連續二極管D1，電感系數負載電阻器nmos開關裝置，NMOS開關控制信號ctrl控制，控制周期是T，當n1電源開關打開時，比的頻率為D。電流由電感增加，能量存儲在磁能的電感中。連續二極管d1是反向的，處于截止狀態；電容器C為負載提供了負載負荷的能量。當電源開關n1結束時，緩慢減小電感電流，反向電感是在電流流二極管d1上和雙端電壓上進行的，通過二極管的d1電感負載釋放出磁能量，如圖1所示。

圖1 Boost電路圖

（2）BUCK開關電源。Q開關管及其驅動電壓通常為PWM信號，TS為信號周期，信號頻率為F，傳導時間為Ton，停止時間為 Toff，循環 ts=ton+toff，占空比循環 dy=Ton/TS。

在公式中，ton處于正常狀態，而v時間處于斷開狀態。T是開關周期，α為占空比，簡稱為導通比或占空比（α=ton/T）。因此，如果負載的平均電壓平均值為U0，最大值為Ui，如果α占比低，因為輸出電壓比輸入電壓低，所以稱作buck電路。

（3）Buck/Boost變換器。Buck/Boost變換器是一種輸出電壓，也被稱為降壓轉換器，電壓低于直流變換器，但輸出電壓與輸入電壓是相反的。Buck/Boost變換器可以看作是一系列降壓變換器和升壓變換器。Buck/Boost變換器還有DCM與CCM兩種模式，開關管Q也是PWM控制模式，如圖2所示。

圖2 Buck/Boost變換器

2 電源IC的應用選擇

（1）在集成電路上的選擇。集成電路看起來很簡單。然而，隨著新的消費電子產品的推出，這項任務變得更加復雜。在選擇合適的集成電路工作時，必須平衡解決方案的功率、成本、大小、空間比和輸出功率。在選擇電力應用集成電路時，必須根據產品需求的重要性對這些因素進行排序。

（2）選擇最佳拓撲。首先，應查看每個功率軌的功率是否達到要求，然后確定DC-DC變換器的類型，如線性調節器、感應開關或充電泵。電感開關通常是有效應用的最佳選擇。感應開關電路由開關元件、整流器、輸入和輸出電容、以及電感組成。集成電路如果帶有內置開關和整流器，那么集成器應減少尺寸。集成電路的效率主要取決于負載，一般的范圍是80%～96%。由于電感尺寸，開關通常需要更多的空間，價格也比較高。由于電感，開關變換器產生EMI輻射，輸出端產生開關噪聲。低壓差分線性穩壓器（LDO）通過減少旁路設備兩端的輸入電壓來降低直流電壓。該拓撲只需要3個設備（旁路設備和輸出電容）。通常比較便宜，噪音比感應開關小得多。由于該裝置的輸入電流等于負載電流，其效率等于輸入電壓比的輸出。但當輸入電壓較高時，效率較低。所有的功耗都是在旁路設備中，這意味著LDO不是大規模電流應用的理想解決方案，具有較大的輸入輸出差壓。

大型功率應用需要散熱裝置，從而增加了尺寸。電荷泵的輸出功率不高，得到了瞬態響應。另外，在輸入電壓接近輸出電壓的情況下，效率通常極低。為了進一步減小解決方案的規模，有多種功率輸出設備可供選擇。這些器件通常有MOS場效應晶體管和最小的外部組件。但由于這些設備價格高昂，在實際中應減少這些外部元件的應用，從而降低集成電路的成本。

（3）選擇最佳LDO。然而，由于功耗和效率，LDO并不總是最佳的選擇。對于5V和2A的電源線，應選擇開關變換器。在這種情況下，消費的耗電量最大（14W），因此，感應降壓變換器是這種情況下的最佳選擇。在實踐中，充電電壓用于單鋰電池。考慮空間限制的應用，第一線充電器。這忽略了對充電效率的重視，而電池充電器只有在12V電源適配器工作正常時才起作用。然而，當選擇電池峰值充電電流放電時，電壓降至3V，電池充電器的散熱量應受到限制。

對于1.5V的電源，可以選擇開關——還原變換器或LDO。在選擇時，效率將在25%以內，需要100mA輸入電流。而開關變換器效率超過90%，需要30mA輸入電流。許多使用微型開關變換器的解決方案提供所需的輸出功率，不能超過電路。只有選擇合適的降壓轉換器，才能最大限度地提高電池的壽命。2.5V電源可以適用兩種拓撲，LDO具有較低的電流需求和低的損耗/輸出壓差。這是一個小應用的最佳選擇。對于1.25V電源，開關變換器是最好的選擇。LDO要求大負載電流（300mA），大輸入輸出差壓，功耗過高，效率不高。這兩種拓撲都符合要求。基于1.5V電源的邏輯分析方法，選擇開關變換器，為3.3V電源，由于大輸出電流，開關變換器是最好的選擇。

3 結語

由于開關電源IC效率高，體積小，在計算機、通訊，家用電器等領域得到了廣泛的應用，在便攜式電子設備中更是備受青睞，隨著人們便攜式電子設備的需求增大，電源IC應在技術和性能上得到進一步提升。

［1］胥銳.高速負載響應DC-DC開關電源IC設計［D］.成都：電子科技大學，2008.

［2］亦光.電源 IC 發展趨勢綜述［J］.電子測試，2007，（12）：4-6.