Hand Book 开关稳压器基础 Powered by. © 2020 ROHM Co., Ltd. TWHB-05-001 Hand Book 开关稳压器基础 － 目录 － 前言 ................................................................................................................................................... 1 1. 开关稳压器的种类 ........................................................................................................................ 1 2. 优缺点以及与线性稳压器的比较 ................................................................................................... 2 3. 降压型开关稳压器的工作原理 ........................................................................................................ 3 3.1 DC/DC 转换 .................................................................................................................. 3 3.2 PWM 和 PFM ............................................................................................................... 3 4. 非同步（二极管）整流降压型开关稳压器的电路及其工作 ........................................................... 4 5. 同步整流降压型开关稳压器的电路及其工作 ................................................................................. 5 5.1 同步整流式与非同步整流式的区别 ............................................................................... 5 5.2 同步整流降压型开关稳压器的电流路径 ........................................................................ 7 6. 控制方式 ....................................................................................................................................... 8 6.1 电压模式 ...................................................................................................................... 8 6.2 电流模式 ...................................................................................................................... 9 6.3 滞回控制（纹波控制） ................................................................................................... 9 7. 开关稳压器 IC 的辅助功能 .......................................................................................................... 10 7.1 保护功能 ..................................................................................................................... 10 7.1.1 热关断 ..................................................................................................... 10 7.1.2 欠压锁定 .................................................................................................. 10 7.1.3 过电流保护 ................................................................................................ 11 7.1.4 短路保护 .................................................................................................. 11 7.1.5 过电压保护 .............................................................................................. 11 7.1.6 输出预偏置保护 ....................................................................................... 12 7.2 时序控制功能 ............................................................................................................. 12 7.2.1 自动断电 .................................................................................................. 12 7.2.2 软启动 ..................................................................................................... 12 7.2 3 Power Good（电源正常）输出 ................................................................ 13 7.2.4 跟踪 ......................................................................................................... 13 8. 其他 ............................................................................................................................................ 14 8.1 开关频率的考虑要点 ................................................................................................... 14 8.2 当降压型开关稳压器的输入电压低于输出电压时 ....................................................... 15 9. 总结 ............................................................................................................................................ 16 修订记录 .......................................................................................................................................... 17 注意事项 .......................................................................................................................................... 18 © 2020 ROHM Co., Ltd. TWHB-05-001 Hand Book 开关稳压器基础 前言 由于非隔离型和隔离型转换器分别有各自的电路方式，因 此可以根据电路方式进行分类。图 1 中同步整流式和反激 近年来，开关稳压器因其功率转换效率高而且具有优异的 式等表达就是按照电路方式分类的。每种方式的外围电路、 转换灵活性而被广泛应用于众多设备，成为主流电源。过 电路规模以及工作原理都有所不同。 去，一提到“开关电源”便令人联想到购买模块或单元等成 品，而近年来，多种多样的开关电源用 IC 的推出，使得设 另外，还可以根据功能和工作方法进行分类，见图 2。 接 计者们能够致力于在电路板上嵌入开关电源的 On-board 下来将以 DC/DC 转换器为前提展开介绍。由于 AC/DC 转 设计。但同时，与线性稳压器不同的开关电源电路自身的 换器在第一步将 AC 整流并平滑滤波处理后基本上作为 各种需要探讨的因素，成为设计者们的重大课题也是不争 DC/DC 转换器工作，所以之后的部分可以视为与 DC/DC 的事实。 转换器相同。 本书中将以降压型开关稳压器为题材来介绍其工作和功能 等基础知识。 1. 开关稳压器的种类 开关稳压器的种类繁多，分类方法也因视角而异。在这里， 将以输入电源的类型为起点，主要按电路方式进行分类。 首先，根据输入电源是 DC（直流）还是 AC（交流），可 以分为 DC/DC 转换器和 AC/DC 转换器（图 1） 。图 1 的 图 2. 按照功能和工作方式分类 “DC/DC 转换器”是可以将直流电压作为输入电源转换为直 在 DC/DC 转换中，可以对输入电压进行降压或升压。此 流电压后输出的产品，而“AC/DC 转换器”则是可以将交流 外，在这种应用中也可以进行升降压和反相等转换。转换 输入转换为直流电压的产品。 DC/D Converter ●Non isolated －Non-sync. rectification －Sync. rectification 类型不同，电路结构和所选的 IC 也不同。 AC/DC Converter 控制输出电压的方法有 PWM（Pulse Width Modulation： ●Isolated ●Non ●Isolated －Flyback isolated －Forward －Push-Pull －Half/Full bridge 脉冲宽度调制）和 PFM（Pulse Frequency Modulation： 脉冲频率调制） 。PWM 是开关周期（频率）恒定、通过调 整 ON 和 OFF 的时间比来控制输出的方法；而 PFM 则是 使 ON 或 OFF 时间恒定、通过改变频率来控制输出的方法， 图 1. 基于输入电源类型的开关稳压器分类示例 详细内容将在后面介绍。 DC/DC 转换器和 AC/DC 转换器又分别有非隔离型和隔离 另外，用来稳定输出的反馈控制方式包括电流模式、电压 型产品。隔离型是输入（一次侧）和输出（二次侧）被隔 模式和滞回控制方式，详细内容也会在后面进行介绍。 离的类型，主要使用变压器进行隔离。在工业设备和医疗 设备等要求发生故障时具有高度安全性的设备中，隔离型 前面大致介绍了开关稳压器的种类，具体需要根据用途、 转换器通常被作为标配使用。非隔离型在输入输出间有导 输入输出条件、设计规格和性能目标、以及成本或尺寸等 通，能够在无需绝缘的同一电路板内进行电压转换（例如 方面的需求和限制来选择更合适的产品，为此，需要事先 从 5V 生成 3.3V）的产品几乎都采用非隔离型转换器。 了解每种方式的特点及其优缺点。 © 2020 ROHM Co., Ltd. -1- TWHB-05-001 Hand Book 开关稳压器基础 ＜小结＞ ・开关稳压器包括 AC/DC 和 DC/DC 两种，其中每种又有 降压 升压 升降压 反相 效率 不同的转换方式。 ・要想选择适合设计的方式，就需要了解每种方式的优缺 点。 输出功率 2. 优缺点以及与线性稳压器的比较 在开始电源设计时，一旦确定了大概的规格，下一步便是 选择使用开关稳压器还是线性稳压器的工作。某些情况下， 噪声 设计 元器件数量 成本 线性 稳压器 可 不可 不可 不可 输出电压÷输入电压 低的情况较多 通常为几 W 受散热设计影响 小 简单 少 ○ 开关 稳压器 可 可 可 可 ～95%左右 通常较高 可输出大功率 有开关噪声 复杂 多 △ 表 2. 开关稳压器与线性稳压器的比较 很明显必须选择其中某一个才能满足要求的规格，这种情 况还好处理；但两者皆可的情况也不在少数。在这种情况 缺点在于除了电容器和电阻等有源部件、以及二极管和晶 下，就需要根据各自的特点和优缺点进行研究与探讨。表 体管等半导体部件之外，还需要磁性部件，这使得部件数 1 中汇总了开关稳压器的优点和缺点。 量增加，设计变得更复杂。如今，开关电源用 IC 技术发展 优点 ‧ 可降压、升压、反相、 升降压 ‧ 效率高 ‧ 发热量少 ‧ 可输出大电流 迅速，所需电路的集成度越来越高，调整也更加容易，所 缺点 以与以前相比，电源设计变得更简单。尽管如此，比线性 ‧ 设计复杂 ‧ 元器件数量多 ‧ 有开关噪声 / 纹波 ‧ 成本高于 LDO 稳压器复杂是不争的事实。此外，由于进行开关工作，因 此会产生与其相关的噪声和纹波。事实上如果噪声很多， 在有些应用中便难以使用。此外，可能还要花费很多时间 表 1. 开关稳压器的优点和缺点 和精力来评估是否符合 EMI（电磁干扰）等要求。 开关稳压器最大的优点在于可以自由转换。降压是最常用 就 IC 和组件而言，目前的成本比线性稳压器要高。 但是， 的，还可以对电池等低电压进行升压、使正电压反相生成 当线性稳压器需要带散热器时，就会涉及到面积和体积问 负电压、或者在从锂离子二次电池（例：4.2V～2.8V）到 题，因此要处理的功率较大时，有时候用开关稳压器整体 3.3V 输出这类输入电压跨越输出电压的情况下进行升降 的成本会更便宜。 压处理。 在设计过冲中，重要的是要仔细地探讨它们各自的优缺点， 其次是效率高。虽然不同的类型其效率也不一样，不过最 然后再选择符合目的的方式。 高转换效率可达 95%左右。但是，开关稳压器的效率受负 ＜小结＞ 载电流大小的影响很大。基本上当负载电流变小时，效率 ・开关稳压器最大的优点是效率高，但在使用之前也需要 会大幅度下降。由于近年来对降低待机功耗的要求日趋严 好好了解它的缺点。 格，使得这一点成为开关稳压器的课题。 © 2020 ROHM Co., Ltd. -2- TWHB-05-001 Hand Book 开关稳压器基础 3. 降压型开关稳压器的工作原理 在实际的 PWM 工作中，平均输出的负载电流会发生波动， 如果导通时间恒定，则电压会随负载电流上下波动，而且 下面以最常用的降压型开关稳压器为例来说明工作原理。 由于不是调节器，因此当输出下降时导通时间会增加，并 3.1 DC/DC 转换 且从输入发出更多的能量，使输出电压上升。当输出电压 充分恢复后，导通时间缩短，输出电压停止上升。 图 3 是降压 DC/DC 转换的示意电路示例，通过开关按时 间对 DC 电压（VIN）进行分割，并通过电感器和电容器进 可以将通过开关进行的 DC/DC 转换视为“从输入只获取输 行平滑滤波处理后将其转换为所需的 DC 电压。 出所需的功率”。与之相对，线性稳压器由于不进行 ON/OFF 控制，因此呈现占空比 100%、即始终保持输入 的状态。同样，当希望将 10V 转换为 2.5V 时，相当于 7.5V 差数的功率将被作为热量舍弃。开关稳压器效率高的原因 就在于这种机制的差异。 ＜小结＞ ・了解开关稳压器效率高的原因在于将 DC 电压斩波（开 关）并且只将必要的功率传送给输出的工作机制。 When S1 is on and S2 off, VIN is applied to L1. When S1 is off and S2 on, L1 is connected to GND. VIN (DC) is converted to VIN/GND level pulses. The voltage is averaged in C1 and converted to DC. 3.2 PWM 和 PFM 典 型 的 开 关 控 制 方 法 包 括 PWM （ Pulse Width 图 3. 降压 DC/DC 转换的示例电路示意图 Modulation：脉冲宽度调制）和 PFM（Pulse Frequency 简单地讲，DC/DC 转换的过程就是将直流暂时转换成交流， 对其进行平滑滤波处理后再转回直流。例如，在 PWM 工 Modulation：脉冲频率调制） （参考图 5） 。 PWM 是开关周期（频率）恒定、通过调整 ON 和 OFF 的 作中，当 S1＝ON、S2＝OFF 时，VIN 的供电时间为 25%， 时间比（占空比）来控制输出电压的方法。 当 S1＝OFF、S2＝ON 时，零伏（GND）状态为 75%的开 关周期，将该脉冲平滑滤波后，得到 25%的直流（参考图 PFM 是使 ON 或 OFF 时间恒定、通过改变频率来控制输 4） 。当 VIN 为 10V 时，则 VO 为 2.5V（25%） 。该过程通过 出电压的方法（图 5 为导通时间恒定的示例） 。 面积来思考会更容易理解。 图 4. 通过 PWM 进行降压 DC/DC 转换的示意 图 © 2020 ROHM Co., Ltd. -3- TWHB-05-001 Hand Book 开关稳压器基础 4. 非同步（二极管）整流降压型开关稳压器的电路及其工 作 降压型开关稳压器的主要整流方法包括非同步（二极管） 整流和同步整流。首先，从非同步整流方法开始介绍。 图 6 与图 3 所示的降压 DC/DC 转换的示例电路示意图相 同。通过将 S1 替换为晶体管，将 S2 替换为二极管，就构 成了被称为“非同步整流式”或“二极管整流式”的降压型开 图 5. PWM 和 PFM 的工作比较 （PFM 为导通时间恒定时的示例） 关稳压器电路。 PWM 由于频率恒定，因此无论负载如何都会恒定切换， 故在负载轻时效率会显著降低。而 PFM 则能够在轻负载 时减少开关次数（频率变慢） ，从而可以保持效率。 在效率方面，PFM 更具优势，但由于 PFM 的开关频率会 随负载的变化而变化，因此开关噪声的频率不确定，从而 难以滤除噪声。另外，如果频率发生变化并进入可听频段， 图 6. 降压 DC/DC 转换的示例电路示意图 有可能会产生振铃问题。而 PWM 由于频率恒定，可推测 产生噪声的频率，故易于滤除噪声。 图 7 和图 8 是具体的电路示例，显示了开关 ON 时和 OFF 具体应该使用 PWM 还是 PFM，需要根据这些特点，并根 时的电流路径。在该示例电路中，开关 S1 被替换为 据应用的情况区分使用。此外，某些开关稳压器 IC 具有通 MOSFET，S2 被替换为肖特基势垒二极管。同时也给出了 过正常时用 PWM 工作、负载轻时切换到 PWM 工作来保 在图 6 中被省略的比较电路和控制电路。该电路是反馈控 持效率的功能。 制电路，输出电压被反馈到比较电路，并与基准电压进行 比较。比较结果被应用于开关（MOSFET）的 ON/OFF 时 ＜小结＞ 间（占空比）控制。 ・PWM 是开关频率恒定、通过调整 ON 和 OFF 的时间比 （占空比）来控制输出电压的方法。 ・PFM 是使 ON 或 OFF 时间恒定、通过改变频率来控制 输出电压的方法。 ・PWM 虽然在轻负载时效率明显下降，但噪声的滤除相 对容易。 ・PFM 虽然在轻负载时仍能保持效率，但由于频率不确定 而很难滤除噪声。 图 7. 非同步整流降压型开关稳压器 开关导通时的电流路径 © 2020 ROHM Co., Ltd. -4- TWHB-05-001 Hand Book 开关稳压器基础 5. 同步整流降压型开关稳压器的电路及其工作 接下来介绍同步整流降压型开关稳压器的电路及其工作。 5.1 同步整流式与非同步整流式的区别 首先介绍同步整流降压型开关稳压器与非同步整流降压型 开关稳压器的区别，以加深理解。 非同步整流式是较早被使用的方式，作为开关稳压器，电 图 8. 非同步整流降压型开关稳压器 路简单效率却达到 80％以上的程度。其后，随着笔记本电 开关关断时的电流路径 脑等由电池驱动且需要较大功率的应用的日益普及，要求 工作模式如下。句子开头的编号与图 7、图 8 中标出的数 提高电源效率以延长工作时间，能够获得更高效率的同步 字一致。 整流式开关稳压器用 IC 相继被开发出来。IC 化技术的发 展使控制和电路都较复杂的同步整流式的设计变得更加容 ①与基准电压进行比较，确认输出电压是否达到设置电压 易，并且同步整流式已逐渐成为各个领域的主流方式。同 ②当输出电压低于设置电压时，开关导通，从输入向输出 步整流式最大可以获得近 95%的效率。 供电 图 10 和图 11 分别为两种方式的电路及其工作示意图。 ③此时，电感中会积蓄磁能 ④当输出电压高于设置电压时，开关关断 ⑤电感中所积蓄的磁能变为电流被供往输出负载，再返回 电感 ⑥当电感中的磁能消失且输出电压下降时，开关会再次导 通 图 9 是开关（MOSFET） 、二极管以及电感的电流波形。 ・当 S1 导通（ON）时，电流不流经 D1（OFF） ・当 S1 关断（OFF)时，正向电流流经 D1（ON） ・效率比同步式差 ・电路比较简单 图 10. 非同步整流式降压电路及其工作 图 9. 非同步整流降压型开关稳压器 主要节点的电流波形 开关导通时，电流流过 MOSFET，而当开关关断时，电流 会流过二极管。电感电流是其复合电流。 © 2020 ROHM Co., Ltd. -5- TWHB-05-001 Hand Book 开关稳压器基础 尤其是在降压比很高时（例如从 12V 降压至 1.5V 时） ，低 边开关的导通时间变长，占据了近 90％的周期时间。由于 非同步整流式的低边开关是二极管，因此其工作过程中约 90%的时间会存在 VF 损耗。对于 1.5V 输出， 电压降达 0.5V， 对效率的影响很大（图 12）。 ・当 S1 导通（ON）时，S2 关断（OFF） ・当 S1 关断（OFF）时，S2 导通（ON） ・电流路径与非同步式相同 ・由控制电路来控制 S1 和 S2 的 ON/OFF ・相当于非同步式二极管的 S2 的损耗小，效率高 ・电路比非同步式复杂 When the step-down ratio is high, the conduction time of D1 is long When VO is low, the percentage of loss due to VF in D1 becomes large 图 11. 同步整流式降压电路及其工作 从这两种电路图中可以看出，非同步整流式的低边（下部） 开关使用的是二极管，而同步整流式的高边（上部）和低 图 12. 非同步整流式的二极管带来的损耗 边开关都使用的是晶体管。非同步整流式是由控制电路控 制高边开关的导通/关断，电流根据高边开关的导通/关断流 另一个很大的区别在于轻负载时的动作。图 13 的波形表 过或不流过二极管。而同步整流式虽然电流路径基本上与 示轻负载时的非同步整流式（橙色）和同步整流式（绿色） 非同步整流式相同，但是由控制电路控制高边和低边两边 的电感电流。 开关的导通/关断。这种控制很复杂。例如，当两边开关同 时导通时， 则称为“直通电流”的电流将直接从 VIN 流向 GND， 因此需要制造使两边开关都关断的死区时间，这就需要更 如图所示，电感电流因开关而成为三角波。当负载电流变 得非常低时，电感电流会下降到零的程度。当到达这种状 态时，由于非同步整流式的低边开关是二极管，故电流只 高级的控制。 能沿一个方向流动（图 12 中的橙色箭头） ，因此如图 13 然而，低边开关使用晶体管（特别是 MOSFET） ，可以大 中的橙色波形所示，进入负区域的波形的电流变为零，电 大减少二极管产生的损耗并提高效率。在这两种电路中， 流波形成为零周期中断状态，称为“不连续模式”。 电流都经由开关流动，故会因开关而产生损耗，以致影响 效率。二极管的损耗为正向电压 VF，晶体管的损耗为饱和 电压或导通电阻。二极管的 VF 随着流过的导通电流而增加， 即使是 VF 低的势垒二极管在 1A 时的 VF 也有 0.3～0.5V 左右。与之相对，例如 Nch MOSFET 的导通电阻非常低， 仅为 50mΩ 左右，通过计算得出在 1A 时的电压降为 50mV， 远低于二极管的 VF。 © 2020 ROHM Co., Ltd. -6- TWHB-05-001 Hand Book 开关稳压器基础 5.2 同步整流降压型开关稳压器的电流路径 首先需要了解的是非同步整流式和同步整流式在工作时的 电流路径基本相同。这是因为同步整流方式的电路是将非 同步整流电路中的低边开关二极管替换为晶体管的电路方 式。下面将在这个前提下来介绍同步整流降压转换器的电 流路径。 图 14 表示同步整流降压型开关稳压器的高边开关 Q1 导通 （低边开关关断）时流动的主要电流（红色实线） 。为了便 于比较，用灰色虚线来表示低边开关导通时的电流路径。 Under light load, the inductor current remains at 0A for some time In the non-synchronous type, a current flows through the diode only in one direction, resulting in a discontinuous operation and a ringing condition In the synchronous type, a current can flow in a reverse direction in the transistor, for a continuously regulated operation at the expense of lower efficiency 图 13. 轻负载时的电感电流差异 图 14. 同步整流式降压的高边开关导通时的电流路径 而同步整流式由于开关为晶体管，因此电流可反向流动， 在负区域电流会继续流动。这种工作模式称为“连续模式”。 在不连续模式下，开关电压会产生振铃，并释放出高次谐 CBYPASS 是高频用的去耦电容器，CIN 是大容量电容器。高 边开关 Q1 导通后的瞬间流过的大部分急剧的电流来自 CBYPASS，其次来自 CIN。变化较缓和的电流来自输入电源。 波噪声。同步整流式会保持连续模式，因此可持续稳定工 接下来，在图 15 中用红色虚线表示低边开关 Q2 导通（高 作。但是，由于反向电流需要由输出电容器供给，故效率 边开关关断）时的电流路径。 会略有降低。 总体而言，需要在电路的复杂性、成本、效率、振铃引起 的高次谐波噪声之间进行权衡，来确定哪种方式更适合于 目标应用。 ＜小结＞ ・了解两种典型整流方式在结构和工作方面的差异。 – 同步工作和非同步工作 – 连续模式和不连续模式 © 2020 ROHM Co., Ltd. 图 15. 同步整流式降压的低边开关导通时的电流路径 -7- TWHB-05-001 Hand Book 开关稳压器基础 为了便于比较，用灰色实线来表示高边开关导通时的电流 每当高边开关 Q1 从 OFF 变为 ON 以及从 ON 变为 OFF 路径。 时，这种差异电流都会急剧变化。因此，在这种路径中会 出现含有很多高次谐波的波形，在进行电路板布局时，需 为了便于了解开关电流和电感电流之间的关系，在图 16 要尽可能地减少这些影响。关于电路板布局，请参阅 Tech 中给出了 ON/OFF 工作期间各电流的波形。 Web 基础知识 DC/DC 设计篇中的“DC/DC 转换器的 PCB 板布局”或 Tech Web Hand Book 中的“降压型 DC/DC 转换 器 电路板布局基础和案例”。 ＜小结＞ ・同步整流和非同步（二极管）整流降压型开关稳压器工 作时的电流路径基本相同。 ・在进行电路板布局时，需要先了解电流路径和发生急剧 电流变化的线路。 6. 反馈控制方式 开关稳压器的输出稳压工作基本上使用反馈环路来处理， 反馈控制方式有电压模式、电流模式和滞回控制三种。下 面介绍每种方式的功能。每种方式都有其优点和缺点，具 图 16. 同步整流式降压的开关电流和电感电流 体选用哪种方式需要根据实际情况进行权衡。 请将 SW 引脚电压的波形视为表示高边和低边开关的 ON/OFF 的波形。IHG 是高边开关的电流波形，ILG 是低边 6.1 电压模式 开关的电流波形。IL 是电感电流，是 IHG 和 ILG 的合成波形。 电压模式控制是最基本的方式。通过反馈环路仅反馈输出 输出电流 IO 是 IL 的平均值。 电压，然后利用误差放大器将输出电压与基准电压比较后 之所以需要了解这些电流路径和所流电流的特点，原因之 的电压差再与三角波进行比较，来确定 PWM 信号的脉冲 一是它们与安装电路板的布局密切相关。应特别注意图 17 宽度并控制输出电压（参考图 18） 。 中蓝色线所示的 ON 和 OFF 时的差异电流。 图 17. 同步整流式降压导通和关断时的电流差异 © 2020 ROHM Co., Ltd. 图 18. 电压模式控制 -8- TWHB-05-001 Hand Book 开关稳压器基础 这种方式的优点包括：由于是纯电压的反馈环路，因而控 制比较简单；可缩短导通时间；抗噪声性好。 缺点是相位补偿电路更复杂，设计可能更麻烦。 6.2 电流模式 图 20. 滞回控制示意图 电流模式控制是对电压模式控制进行改进后的控制方式， 这种方式由比较器来直接监控输出电压，无需借助误差放 这种方式是检测并使用电路中的电感电流，而不是电压模 大器。比较器通过检测输出电压是否已超过或低于设置的 式控制方式中使用的三角波。还有一种方法是使用晶体管 电流或电流检测电阻器取代电感电流来检测电流（图 19） 。 阈值来直接控制开关的 ON/OFF。具体包括两种方式，一 种是导通时间恒定，检测是否低于阈值；另一种是关断时 间恒定，检测是否超过阈值（图 21） 。 图 19. 电流模式控制 优点是反馈环路具有电压环路和电流环路两种环路，虽然 控制变得相对复杂，但是可以大大简化相位补偿电路的设 计。其他优点还包括反馈环路的稳定性更好，瞬态响应速 图 21. 滞回控制示意图 度比电压模式更快等。 这种方式的优点是因为由比较器直接控制，所以瞬态响应 缺点是对电流检测很敏感因而抗噪能力弱，但如果是 IC， 则这部分在内部，因此问题较少。 速度非常快，而且不需要相位补偿。 缺点是开关频率波动；抖动（Jitter）大；为了检测输出纹 6.3 滞回控制（纹波控制） 波需要使用较大 ESR（等效串联电阻）的输出电容器。但 是由于这些缺点已经逐步得到改善，所以采用这种方式的 滞回控制方式是针对需要极快负载瞬态响应的负载（例如 IC 正在增加。 CPU 和 FPGA 的电源）的需求而开发出来的一种方式。因 其可以检测并控制输出纹波，故也被称为“纹波控制”方式 （图 20） 。 © 2020 ROHM Co., Ltd. -9- TWHB-05-001 Hand Book 开关稳压器基础 下面的表 3 总结了每种控制方式的特点。 控制方式 电压模式 电流模式 滞回控制 特点 一直以来的 控制方法 将电压模式改 进后的控制方 式，是当前主 流控制方式 负载响应性能 良好 负载瞬态响应 △ ○ ◎ 图 22. 热关断 开关频率 恒定 恒定 随负载波动 相位补偿电路 复杂 容易 不需要 输出电容器 （降低纹波） 支持 or 不支持 陶瓷电容器 支持 陶瓷电容器 支持 or 不支持 陶瓷电容器 热关断后的工作模式有两种：自动恢复型和锁存型。自动 多相并联工作 容易 容易 困难 设定值时自动恢复 IC 的工作。锁存型是即使温度下降至设 恢复型是当温度上升到设置的阈值时关断，当温度下降至 表 3. 各种反馈控制方式的特点 定值，IC 的工作也仍保持关断状态。要使 IC 再次工作需 ＜小结＞ 要重启 IC 的电源。具体采用这两种热关断处理模式中的哪 ・需要根据每种控制方式的特点和优缺点选择更适合设计 种，需要根据应用产品的安全设计要求来决定。 的方式。 热关断功能是非常重要的确认项目，是用来在发生故障时 防止开关稳压器 IC 本身冒烟或着火的功能，并不是保护供 电电路板或应用设备的功能。 7. 开关稳压器 IC 的辅助功能 7.1.2 欠压锁定 近年来的开关稳压器 IC 大多都配备了必要的各种保护功 能以及具备可以调整电源接通顺序和定时的序列功能等辅 欠压锁定功能通常称为“UVLO”，是英文“Under Voltage 助功能。 Lock Out”的首字母缩写。当输入电压低于开关稳压器 IC 的输入电压范围时，UVLO 功能会强行停止电路工作，以 尽管可以通过外部电路实现 IC 中配备的辅助功能，但是需 要比电源复杂得多的电路设计并需要增加很多元器件，因 防止电路发生意外动作并造成异常输出，从而保护自身和 负载（图 23） 。 此并不可行。在这里将介绍代表性的保护功能和时序控制 功能。 7.1 保护功能 不仅限于开关稳压器，各种电源都需要确保可靠性和安全 性。如今的开关稳压器 IC 几乎具备所有基本的保护功能。 有些保护功能可以由用户调整阈值等以适应各种条件。 7.1.1 热关断 图 23. 欠压锁定（UVLO） 热关断是一种通过在 IC 的结温过高时停止电路工作并关 断输出的机制。启动该功能的结温因 IC 而异，通常被设置 在 Tjmax 左右（图 22）。 © 2020 ROHM Co., Ltd. - 10 - TWHB-05-001 Hand Book 开关稳压器基础 7.1.3 过电流保护 “SCP”。 过流保护功能是在输出电流超过限制值时限制输出电流以 过电流状态发生后，上述过电流保护功能会启动，降低输 防止 IC 和负载损坏的功能。是“Over Current Protection” 出电压，但是如果输出电压低于短路保护电路的阈值电压 的首字母缩写，因此也被称为“OCP”。OCP 功能当在监测 的时间超过一定时间，则短路保护电路会停止开关工作， 线圈电流过程中检测到超过限定值时，会通过缩短高边开 输出变为零（图 25） 。 关的导通时间并降低输出电压来限制电流。 如果过电流状态持续，则 OCP 功能将使该时间段内持续 流过设定的限定值电流。因此，请记住，负载将继续承载 相应的（应该比正常电流大）的电流。 当电流值恢复 正常时，IC 的工作也会恢复正常（图 24） 。 图 25. 短路保护（SCP） 这种短路保护功能又分为自动恢复型和锁存型。自动恢复 型会在几毫秒后再次开始开关工作并输出电压。此时如果 消除了过电流的原因并且不再流过过电流，则正常工作， 图 24. 过电流保护（OCP） 但是如果再次进入过电流状态，则输出将重复这种 7.1.4 短路保护 ON/OFF。锁存型将保持输出为零的状态，直到重启 IC 电 短路保护通常与过电流保护一起使用，因此某些 IC 并不区 分这两种保护功能，而是合称为“过电流保护功能”。是 源才会恢复工作。这两种保护类型的选用也与热关断功能 一样，应根据应用产品的安全设计要求进行选择。 “Short Circuit Protection”的首字母缩写，因此也被称为 © 2020 ROHM Co., Ltd. - 11 - TWHB-05-001 Hand Book 开关稳压器基础 7.1.5 过电压保护 7.1.6 输出预偏置保护 过电压保护也称为“OVP”，是“Over Voltage Protection”的 基本上认为开关稳压器启动时的输出引脚电压为零伏，但 首字母缩写。当在监测输出电压的过程中检测到超过规定 实际上由于电路构成和短时间内的重新启动等因素影响， 值的电压时，该功能会关断高边开关，停止供电。 启动前输出引脚可能存在电压，也就是说可能并非为零。 但是，如果只是停止供电，那么电感中存储的电荷将被释 放，电压将会继续上升，因此该功能还会接通低边开关， 以使电感电荷释放到 GND，从而防止输出电压上升（图 26）。 这是由于与输出引脚相连接的输出电容器、或负载（正在 供电的 IC 等）的输入电容器中有残存电荷，或者来自其他 路径的漏电流或来自上拉电阻的偏置电压导致的。 如果在存在这种预偏置的情况下接通同步整流降压型开关 稳压器的低边开关（MOSFET），则可能会吸入过大电流 并导致 MOSFET 损坏。为防止这种情况发生，预偏置保 护功能在输出电压超过预偏置电压之前会控制低边开关使 之不导通（图 27）。 图 27. 输出预偏置保护 7.2 时序控制功能 需要 CPU 和 FPGA 等多个电源的设备对于上电时间点和 顺序是有规定的，需要通过电源电路来处理。为满足这种 需求，出现了具备时序控制功能的电源 IC 和电源用的时序 器 IC。 7.2.1 自动断电 图 26. 过电压保护（OVP） 自动断电功能是对 IC 的工作进行 ON/OFF（导通/关断） 的功能。当电路不需要电源时，另外在 POL（Point Of Load： 仅电路板上的部分电路或元器件的电源）的情况下，与负 © 2020 ROHM Co., Ltd. - 12 - TWHB-05-001 Hand Book 开关稳压器基础 载请求联动实现断电，有助于降低功耗和待机功耗。 7.2.4 跟踪 7.2.2 软启动 跟踪是一种可以设置多个电源的启动时间点和顺序的功能。 软启动是一种为了防止启动时流入输出电容器的浪涌电流， 使输出电压的上升按时间常数缓慢提升的功能。当有浪涌 通过按要求的顺序启动多个电源输出，来确保电路和设备 的安全。跟踪分为同步跟踪、比率跟踪和偏移跟踪三种。 电流时，可能会激活 IC 的过电流保护功能而发生无法上电 同步跟踪是所有电源同时导通，并以相同的斜率上升，按 （锁存状态）的问题。软启动时间常数有两种，一种是固 照从低电压到高电压电源的顺序依次达到设置电压。这种 定在 IC 内部，另一种是具有调节引脚，可以通过外部电容 功能在必须启动 FPGA 等低电压内核电源后再启动外围 器进行设置（图 28） 。 I/O 电源的应用中很有用（图 30） 。 图 28. 软启动 7.2 3 Power Good（电源正常）输出 Power Good 是在输出达到设定电压值的时间点输出标志 的功能。通过通知 CPU 电源已经正常启动，或者通过与 使能功能结合使用，可以创建多个电源的启动顺序。图 29 是使用 Power Good 和使能功能创建时序（按照从电源 1 到电源 3 的顺序上电）的示例。 图 30. 同步跟踪 比率（Ratiometric）跟踪是电源分别以不同的斜率上升。 这是一种通过调整斜率而确保大浪涌电流不流过每条电源 线路中的去耦电容器的方法（图 31） 。 图 31. 比率（Ratiometric）跟踪 图 29. Power Good 及创建上电时序的示例 偏移跟踪是保持各电源之间的失调电压（电压差）恒定的 同时启动电源的方法。对于电源电压之间具有指定差的设 备来说，这是一种很有效的方法（图 32） 。 © 2020 ROHM Co., Ltd. - 13 - TWHB-05-001 Hand Book 开关稳压器基础 8. 其他 在设计或使用开关稳压器时，有一些应该事先了解的实用 提示和注意事项。下面列举了两点，仅供参考。 8.1 开关频率的考虑要点 开关稳压器 IC 常用的开关频率范围从几十 kHz 到几 MHz， 最近也有一些开关频率更高的产品出现。在设计过程中确 定开关频率时，需要考虑开关频率与各种特性之间的关系， 并根据应用需求进行选择。 图 32. 偏移跟踪 通常使用时序器 IC 或跟踪控制器 IC 来执行这些控制（图 常见的考虑因素之一是效率和尺寸之间的权衡。如果提高 33）。 开关频率，则外置的电感和电容器就可以使用电感值和电 容值较小的产品，当然产品尺寸也会随之减小。这使得包 括安装面积和高度在内的形状因数减小，从而有助于节省 空间。然而，高速开关会使开关损耗增加，进而可能导致 效率下降几个百分比。尤其是对于小型便携设备来说，这 些是不希望进行权衡取舍的项目，但还是需要平衡效率和 尺寸进行优化。表 4 列出了一般考虑因素与开关频率之间 图 33. 使用时序器 IC 的控制示例 的关系。 某些电源 IC 内置有跟踪功能，可以使用主电源的输出电压 开关频率 ～数百 kHz 元器件尺寸 大 小 效率 上升 下降 噪声（EMI） 小 大 输出纹波 大 小 瞬态响应 慢 快 来控制从电源（图 34） 。 1MHz～ 表 4. 开关频率与各种特性之间的关系 另一个考虑因素是应用产品固有的“麻烦频率”。例如，在 车载设备中，AM 广播频段（500kHz～1.8MHz 左右）就 图 34. 使用电源 IC 中配备的跟踪功能的控制示例 是这种频率。以这个范围内的频率工作的开关电源，会降 ＜小结＞ 低 AM 广播的灵敏度和 S/N。因此，在车载设备中一般采 ・IC 中配有很多辅助功能，但配备的功能因 IC 而异。 取避开该频段的设计和对策。 ・需要了解保护功能保护的是输入侧、输出侧还是 IC 本身， 这就涉及到要权衡取舍，在设计之前需要充分考虑应用产 以及每种保护功能的工作机制。 ・时序功能、跟踪功能等简单的会内置在 IC 中，复杂的设 品和使用环境等情况。虽然有很多种 IC 可以改变开关频率， 但是要注意，改变开关频率必须重新确认诸如电感和电容 置则需要有不同的 IC。 ・选择内置所需功能的 IC 比单独设计并添加辅助功能更可 器等外置元器件的常数。 行。 © 2020 ROHM Co., Ltd. - 14 - TWHB-05-001 Hand Book 开关稳压器基础 ＜小结＞ ・优化工作通常需要在效率、尺寸和噪声之间进行权衡。 ・如果要更改开关频率，就需要重新确认外置元器件的常 数。 8.2 当降压型开关稳压器的输入电压低于输出电压时 降压型开关稳压器可将输入电压转换为更低的电压。然而， 由于输入电压的波动，有时输入电压可能会低于设置的输 出电压。下面举例说明在这种情况下可能会发生的动作。 在降压型开关稳压器中，输入电压＞输出电压是正常的关 系。严格来讲，将输入和输出之间的电压降与输出电压相 图 35. 同步整流降压型开关稳压器的反馈电路 加所得的电压就是正常工作的输入电压。例如，对于 3.3V 输出，能正常工作的最小输入电压为 3.8V。 Error Amp（误差放大器）通过将基准电压与来自电路图中 然而，由于某些原因，输入电压可能会在很短时间内下降 到输出电压以下。例如，因共享相同输入电压的其他元器 件突然吸入大电流而导致电压瞬间下降的情况。 与 Vo 连接的分压电阻的反馈电压进行比较， 来控制开关， 从而使输出稳定。当输出电压低于设置值时，误差放大器 的输出 Error out 变为 High，通过开关控制电路，使高边 开关（晶体管）ON、低边开关 OFF。这样，通过反馈控 通常，当输入电压低于输出电压时，输出电压也会下降， 制，由输入电压供电，当 Vo 上升达到设置电压时执行相 无法保持设置的电压。一般来说，下降程度在一定范围内 反的动作，以使 Vo 保持设置电压。 的情况下，从下降的输入电压中减去开关（晶体管）电压 降的量之后的电压会被输出至输出电压，但如果输入电压 进一步下降，则可能会导致工作异常，输出电压可能会处 于不稳定状态。这种状态不仅会致使所供电的元器件或系 图 36 左侧的波形图是当输入电压在不低于输出电压（电 路图中的 Vo）的范围内下降时的动作。通常，即使输入电 压波动，输出电压也几乎不会受到影响。 图 36 中间的波形图是这里要关注的动作。条件是“虽然输 统运行不稳定，而且在某些情况下还可能导致损坏。 为避免这种情况，近年来大多数降压型开关稳压器 IC 都具 有被称为“UVLO（Under Voltage Lock Out，欠压锁定）” 入电压下降 到输出 电压设 置值以下 ， 但不降 至足以 让 UVLO 功能工作的程度（红线）”。 的保护功能，可以在输入电压下降进行保护。通常，当输 如前所述，当输入电压低于输出电压设置值时，输出电压 入电压低于 UVLO 阈值时，IC 会自动断电，并在输入电压 的动作大约是输入电压-开关的电压降的程度。从反馈电路 恢复后重新启动以保护系统。 的角度看，这种状态是输出电压低于设置值的状态，误差 然而，有时输入电压虽然会低于输出电压，但可能是不足 以激活 UVLO 功能的程度。在这种情况下，可能会在输入 电压恢复时发生某些动作。 图 35 是同步整流降压型开关稳压器控制稳定输出的反馈 电路示意图。 © 2020 ROHM Co., Ltd. 放大器检测到这种状态，输出 Error out 变为 High，使高 边开关 ON、低边开关 OFF，处于给输出供电的状态，也 就是使输出电压上升的状态。 问题在于，在这种状态下，如果输入电压突然恢复，则来 自高边开关的供电量会急速增加，输出电压也会急剧上升， 并且虽然时间很短，但输出电压会大幅上升，甚至有可能 - 15 - TWHB-05-001 Hand Book 开关稳压器基础 会大大超过设置值。 图 36. 输出电压降至输入电压以下时的动作 其后，检测到这种状态的误差放大器会关断高边开关，并 进行降低输出电压的控制，使输出电压恢复到设置值，但 是当这种输出电压升高程度超过供电器件的电源额定值时， 可能会造成损坏。 9. 总结 本书以非同步整流和同步整流降压型开关稳压器为例，作 为开关稳压器的基础知识，介绍了其工作原理和电路工作 等内容。希望先理解本书中的基础性的内容，然后再开始 这种现象与输入电压恢复的急剧程度和误差放大器的响应 速度等因素有关，因此应该在实际使用条件下确认是否发 生这种现象。如果可能存在问题，则需要重新确认输入电 压和电源 IC 的响应特性。 设计工作。 了解开关稳压器工作的最好方法是实际运行开关稳压器并 观察其电压、电流和波形。目前，有免费提供的仿真软件 和元器件模型，再现性和精度都很高，因此使用仿真器也 顺便提一下，图 36 右侧的波形表示当输入电压低于 UVLO 是非常好的方法。 阈值时，利用 UVLO 功能，电源 IC 自动断电并在输入电 压恢复时，输出电压随着软启动而重新启动。 ＜小结＞ ・如果降压型开关稳压器的输入电压降至输出电压设置值 以下但却是不足以激活 UVLO 功能的程度，则输出电压 可能会在输入电压恢复的时间点大幅上升。 ・如果存在不良影响，就需要重新确认输入电压条件和电 源 IC 的响应特性。 © 2020 ROHM Co., Ltd. - 16 - TWHB-05-001 Hand Book 开关稳压器基础 修订记录 日期 版本 2020.11.10 001 © 2020 ROHM Co., Ltd. 变更内容 初版 - 17 - TWHB-05-001 Hand Book 开关稳压器基础 注意事项 1) 本资料中的内容可能会有优化，如有变更，恕不另行通知。 2) 本资料中的应用电路示例及其常数等信息，是用来对本产品的标准工作和使用方法进行说明的。在进行量产设计时， 请对外部各种条件进行充分考量。 3) 本资料中的技术信息用来说明产品的代表性工作以及应用电路示例等内容，并非明示或默示允许实施或使用 ROHM 或其他公司的知识产权以及其他所有权利。对于因使用上述技术信息而引起的任何纠纷，ROHM 公司概不负责。 4) 对于因不遵守本资料中的记载而引起的任何事故或损坏，ROHM 公司概不负责。 5) 本资料在编写过程中已经力求信息准确，但万一因信息错误或误排而造成任何损害，ROHM 公司概不负责。 6) 未经 ROHM 许可，严禁复制或转载本资料的全部或部分内容。 Powered by. © 2020 ROHM Co., Ltd. - 18 - TWHB-05-001