基于ISL85410降压稳压器IC为例的应用设计

目前，最常见的开关调节器拓扑之一是降压开关调节器。稳压器IC通常采用内置控制器和集成FET进行降压转换。此外，降压调节器IC还可以应用于各种设计，例如具有单个或多个独立电压输出的逆变器电源、双极电源和隔离电源。本文介绍了各种降压调节器的设计，解释了它们的工作原理，并讨论了实现这些设计需要考虑的实际因素。

使用降压调节器IC的降压转换器

瑞萨电子ISL8541x系列降压稳压器IC集成了上下FET、内部启动二极管和内部补偿，可以最大限度地减少外部元件的数量，实现非常小的整体解决方案。此外，该系列稳压器IC具有3V~40V的宽输入电压范围，可支持多节电池和各种稳压输出。本文将以ISL85410降压稳压器IC为例，详细说明各种应用设计。

在电源设计中，当所需电压低于系统中的可用电压时，需要降压转换器。例如，使用12V电池作为输入电压的系统需要输出5V、3.3V或1.2V电压来为微控制器、I/O、存储器和FPGA供电。通过有效地将高电压转换为低电压，降压转换器可以延长系统中的电池寿命，减少散热并提高可靠性。图1是使用ISL85410降压调节器ic的降压转换器的简化原理图。

图一。降压转换器的简化原理图

输出电压与输入电压极性相同，连续导通模式(CCM)下的电压转换率可表示为：

(1)

其中d为占空比，范围为0至1，这意味着输出电压(VOUT)始终小于或等于输入电压(VIN)。

使用降压调节器IC的逆变电源

虽然电子系统通常使用正电压，但有时也需要使用负电压。这种情况下，需要一个逆变器电源来产生正输入的负电压。为了满足这些应用要求，一种常见的解决方案是使用反相降压-升压转换器。

图2比较了降压转换器和逆变器降压-升压转换器的功率级，并且示出了逆变器降压-升压转换器可以通过开关FET Q2和电感器L1来获得。这种拓扑变化将导致不同的电压转换比和输出电压的相反极性：

(2)

在反相降压-升压转换器中，输出电压幅度可以高于或低于输入电压，并且输出电压相对于输入电压源的接地为负。

图二。降压转换器和反相降压-升压转换器的功率级

反相升降压变换器可以通过高度集成的降压调节器IC来实现。如图3所示，简化电路使用ISL85410降压调节器。将降压调节器配置为反相降压-升压转换器时，需要注意两个重要区别。首先，输入电压的(VIN)回路(RTN)连接。在图1所示的降压转换器中，输入电压的RTN也是接地端(即降压调节器的AGND/PGND引脚)，而在反向降压-升压转换器中，输入电压的RTN和接地端不再相同。因此，实现反相降压/升压转换器时，输入电压源必须施加于VIN引脚和RTN(而不是AGND/PGND引脚)。

其次，VIN引脚上的电压应力应参考AGND引脚。无论输出电压如何，降压转换器中的电压始终等于输入电压(VIN)。相比之下，反相降压/升压转换器中的VIN引脚必须能够承受输入电压和输出电压之和(V IN V OUT)。比如在24V转换为-5V的设计中，VIN管脚上的电压应力是29V而不是24V。必须记住，VIN引脚上的电压应力不应超过IC数据手册中规定的绝对最大额定电压。

图3。简化的反相降压-升压转换器

使用降压调节器IC的双极性电源

运算放大器和数据采集系统等许多应用都需要5v或12V双极性电源。一种常见的方法是使用单个开关调节器和一个耦合电感(通常也称为变压器)来产生负电压和正电压输出。图4显示了如何使用降压转换器和反相降压-升压转换器来产生双极性电源。

如图4(a)所示，首先ISL85410降压调节器被配置为调节正输出VOUT，然后通过添加额外的耦合绕组来产生负输出VOUT-。如果正输出VOUT像在降压转换器中一样被调节，则负输出VOUT-具有与VOUT相同的值(为简单起见，忽略整流二极管D1的直流电压降)，但具有相反的极性。

图4。使用降压方法(A)或反向降压-升压方法(B)的双极性电源的简化原理图

图5示出了在DT和(1-d) t之间的时间间隔期间使用降压方法的双极电源的等效电路。在DT周期期间，上部晶体管FET Q1导通，导致整流二极管D1的反向电压偏置，使得次级绕组中没有电流流动。在(1-D)T期间，Q1关断，电流Ip续流过下管FET Q2，副边绕组两端的电压(Vs)对应VOUT，因此D1导通，对输出电容COUT2充电，向负载供电。建议使用强制CCM配置转换器，以实现负输出电压(VOUT-)的良好电压调节。

图5。采用降压法的双极电源等效电路

下面详细介绍用ISL85410建立和仿真双极电源的SIMPLIS模型的工作原理。关键参数见表1。

表1。双极电源的关键参数

仿真波形如图6所示。在Q2开启的(1-D)T期间，次级绕组电流(Is)的耦合电流使总初级电流(Ip)变为负值。通过适当的设计，确保负电流足够低，以避免在正常工作条件下触发降压调节器的负电流限值。

图6。降压法双极电源的仿真波形

图4(b)示出了另一种方法，其使用逆降压-升压转换来产生双极电源。与降压转换相比，逆降压-升压转换是将降压调节器IC配置为逆降压-升压产生负电压输出，利用耦合绕组产生正电压输出。与使用降压转换的双极性电源不同，当输入电压低于输出电压时，反相降压-升压转换可以调整输出(升压转换)。然而，在反向buck-boost转换中，FET的电压应力高于buck转换。表2比较了这两种转换，并提供了为特定应用选择最佳解决方案的设计指南。

表二。具有降压转换和反向降压-升压转换的双极性电源的比较

使用降压调节器IC的隔离电源

通常，需要隔离电压输出来提供电流隔离，并增强安全性和抗扰度。常见的应用包括可编程逻辑控制器(PLC)、智能电能计量和IGBT驱动电源。反激式和推挽式转换器是两种常见且经济的解决方案。然而，反激式转换器通常需要一个光耦合器或一个辅助绕组来调整输出电压。此外，反激式开关受高压尖峰影响，因此通常需要RCD缓冲器。推挽式直流变压器以50%的固定占空比工作，这可能会影响输出电压调节。有时，需要额外的LDO来实现精确的输出调节。

在上述双极性电源(图4)中，通过在降压或反相降压-升压转换器中使用电感添加磁耦合绕组，可以实现额外的输出电压。只需隔离两个输出环路，就可以实现隔离电压输出(见图7)，这种方法越来越普遍。

具有单隔离电压轨的隔离电源

图7。使用降压方法(A)或反向降压-升压方法(B)的简化单隔离电压轨

利用降压调节器产生隔离电压输出的两种方法如图7所示。这些配置类似于图4所示的双极性电源，只是两个输出环路(基准)是分开的。与变压器匝数比为1:1的双极电源不同，该方法可以通过优化隔离电源的匝数比来设定副边所需的输出电压。此外，控制器可以调整为在最佳占空比下运行。

带降压调节器的隔离电源有很多优点。如图7(a)所示，以这种降压方式为例说明其优点。首先，它消除了反激式转换器中所需的光耦合器和辅助续流电路。其次，与反激式转换器相比，降压配置在原边FET中提供低电压应力，这意味着更低的导通电阻和更高的效率。第三，原边输出(VOUT1)调节良好，隔离输出(VOUT2)对应VOUT1，可以在较宽的输入电压范围内，在副边提供良好的输出电压调节。与没有附加LDO的推挽式直流变压器相比，可以实现更好的电压调节。高度集成的降压调节器IC，如带内部补偿的ISL85410，可以很容易地实现上述方法在电源设计中的应用。

在表2中，降压转换和反向降压-升压转换设计的双极性电源的优缺点也适用于使用降压调节器IC的隔离电源，电源设计人员应针对其具体应用选择最合适的方法。

具有多路隔离电压输出的隔离电源

如图2中的两种情况所示，通过增加更多的耦合绕组可以实现多路隔离电压输出，其工作原理类似于单路隔离电压输出。

图8。使用降压方法(A)或反降压-升压方法(B)的多个隔离电压输出

结论

高度集成的降压调节器IC可以轻松实现不同的功率转换，满足不同的应用需求。本文介绍如何使用这些降压调节器IC来产生反相电源、双极性电源以及单个或多个隔离电源。高度集成的ISL8541x系列降压调节器IC具有宽输入电压范围、集成启动二极管和内部补偿。利用这些降压调节器IC设计的逆变器、双极性和隔离电源解决方案具有许多重要优势，例如外部元件数量少、整体解决方案尺寸小且易于使用。