使用開關穩壓器用的IC，對電路基板進行包括開關穩壓器在內的板載化已經不再罕見。開關穩壓器由于為高速進行開關工作的模擬反饋電路，因此應掌握關鍵要點以便進行工作或特性的優化。理解這些，應該能使開關穩壓器的設計更駕輕就熟。

要理解開關穩壓器的特性并進行評估，掌握開關穩壓器相關基本知識非常重要。

在這里，先重溫一下開關的種類、降壓轉換器的工作原理、同步式和異步式兩個主要控制方式的的區別、可提高效率的自舉原理、輸出穩定化即主宰穩壓器工作的反饋控制方式、PWM和PFM這兩種輸出電壓調整方法以及作為重要特性的IC規格和電源特性。

開關穩壓器的基礎

• 開關穩壓器的種類
• 降壓工作原理
• 同步式和異步式的區別
• 自舉
• 輸出反饋控制方式
• PWM和PFM
• 重要特性－IC的規格
• 重要特性－電源特性

開關穩壓器的基礎：開關穩壓器的種類

開關穩壓器有許多種類，分類方法也視其觀點而各有不同。在這里，根據輸入電源的區別、電路方式以及功能和工作的區別來分類。

根據開關穩壓器的電路方式來分類

DC/DC轉換器 ▼非絕緣型

• 異步整流式
• 同步整流式

▼絕緣型

• 反激式
• 正激式
• 推挽式
• 半橋式/全橋式

AC/DC轉換器 ▼非絕緣型 ▼絕緣型

首先，輸入電源可以利用DC（直流）或AC（交流）分成DC/DC轉換器和AC/DC轉換器，各自再分為非絕緣型和絕緣型。

絕緣型為輸入（一次）和輸出（二次）可絕緣的類型，絕緣主要可利用變壓器。在工業設備或醫療設備等要求發生故障時具有高安全性的設備中，標準上使用絕緣型。非絕緣型在輸出輸入間有導通，尤其是同一電路基板內無須絕緣的電壓轉換等幾乎都為非絕緣型。

架構非絕緣型及絕緣型的轉換器，各自有適合的電路方式。有同步整流式或反激式等稱呼，構造零件或電路規模不同，工作原理當然也不同。

其次，根據功能和工作方式來分類，不過，從這里開始便進入DC/DC轉換器的話題。AC/DC轉換器由于會在初段將AC整流－平滑后基本上以DC/DC轉換器工作，故以后請一視同仁思考。

根據開關穩壓器的功能和工作分類

DC/DC轉換方面，可以對輸入電壓進行降壓或升壓。此外，應用上也可進行升降壓、反轉等轉換。根據所需功能，電路構造和所選的IC是不同的，

控制輸出電壓的工作模式有PWM（Pulse Width Modulation：脈沖寬度調制）和PFM（Pulse Frequency Modulation：脈沖頻率調制）。PWM的開關周期（頻率）恒定且為通過調整ON和OFF時間比進行穩定化的模式，而PFM則是ON或OFF時間恒定的頻率變更方法。詳細內容后述。

而且，為使輸出穩定化的反饋控制方式有電流模式、電壓模式、遲滯等，這幾種詳細內容也將后述。

開關穩壓器由這些組合構成，可通過探討用途、輸出輸入條件、要求規格或性能目標、以及成本或尺寸等限制事項來選擇最佳產品，為此，必須事先了解各方式的特征和優缺點。

開關穩壓器的基礎：降壓工作原理

現在接著以最廣泛利用的降壓型開關穩壓器為例說明工作原理。

降壓DC/DC轉換是借著開關將DC電壓VIN做時間分割后以電感和電容器使其平滑化來轉換成所希望的DC電壓。降壓DC/DC轉換的概念電路和工作如右所示。

以PWM工作來說明，以S1=ON/S2=OFF將VIN供電時間設為25%、以S1=OFF/S2=ON將0V（GND）狀態設為75%的脈沖周期，當該脈沖平均化時將為25%的DC。如果VIN為10V，則Vo將為25%的2.5V。

實際的PWM由于被平均化的輸出負載電流會變動，故ON時間會一定程度一直依賴負載電流來上下移動電壓。如此一來，穩壓器輸出下降時會增加ON時間，從輸出傳送更多的能源而使輸出電壓上升。輸出電壓充分恢復的話，接著便會縮短ON時間來停止輸出上升。

下面的電路為取代概念圖的實際的電路。開關S1以MOSFET置換，S2則被置換成肖特基二極管，也顯示被省略的比較電路和控制電路。對此，代表性開關式降壓電路，也稱為異步或二極管整流式。

降壓開關穩壓器的工作

1. 與基準電壓進行比較，檢查輸出電壓是否為設定電壓
2. 低于設定電壓時，開關變為ON，從輸入向輸出供電
3. 此時，電感會蓄積磁能
4. 如果輸出電壓高于設定電壓，則開關OFF
5. 電感所蓄積的磁能變為電流被供往輸出負載，再返回電感
6. 電感的磁能消失，輸出電壓開始下降時，開關會再度為ON

實際電流及電壓的開關波形也有記載。S1為MOSFET的開關晶體管、D1為肖特基二極管、L1為電感、C1為輸出電壓、VIN為輸入電壓。

在這里，重溫說明開關穩壓器的基本工作。在進行實際評估時，檢查各節點的電流或電壓波形等，此際，也有必要理解此種基本工作。

同步式和異步式的區別

繼開關穩壓器的種類和工作原理之后，接著要說明所謂同步整流式和異步整流式DC/DC轉換器變壓器方式的區別。由于各自有優缺點，故根據電源的要求規格區分使用是一大要點。

電路構造上的區別如下的圖的通，不同點在于開關2是二極管或是晶體管。

異步整流式，也稱為二極管整流式，通過上側晶體管的ON/OFF，二極管進行導通/關斷，使電流流向或不流向二極管。這在工作原理部分已經說明。異步式是簡單且牢固的方式，在工業設備等中有極高的實績。

另一方面，同步整流的方式雖然基本工作相同，但是下側開關的ON/OFF也由控制電路進行。如果雙方同時為ON，則電流將從VIN直接流向GND，使晶體管有破壞的可能性，故雙方必須制造OFF，停滯時間的時序等進行復雜的控制。不過，同步整流式的效率比異步式高，對于延長電池驅動設備的工作時間有極大貢獻。

1. S1為ON的時S2設為OFF
2. S1為OFF的時S2設為ON
3. 電流路徑與異步型相同，但S2的ON/OFF 由控制電路進行
4. 下段的電路是實際電路S1、S2使用晶體管

• 高效率
• 電路比異步式復雜

1. S1為ON時電流不流向D1（關斷）
2. S1為OFF時電流正向流向D1（導通）
3. 下段的電路是實際電路，S1可使用晶體管，D1可使用肖特基二極管

• 效率比同步式差
• 電路比較簡單

同步整流式的所以效率高，原因在于將異步整流式的二極管置換成晶體管，故可以將輸出段開關的損耗壓低。眾所周知，二極管的VF會因電流而改變，不過即使VF為低肖特基也有0.3～0.5V。與之相對，例如Nch-MOSFET的ON電阻極低至50mΩ，如果計算電壓下降的話則將遠比二極管的VF來得低。

有關“開關穩壓器的特性和評估方法”這個主題，了解DC/DC轉換工作因方式的區別或特征非常重要。

自舉

自舉電路是在輸出開關上側晶體管使用Nch MOSFET時所必要的電路。最近許多電源IC都搭載該電路，因此在評估電源電路時最好事先理解其工作。

Nch MOSFET的導通電阻低，作為開關使用的話可提升效率。此外，如果導通電阻相同的話，價格應該比PchMOSFET便宜。不過，如果要使用Nch MOSFET作為上側開關并使其完全為ON，則必須有充分的VGS，也就是電壓必須高于漏極電壓。通常，漏極電壓是VIN（輸入電壓），在電路內會變成最高的電壓，因此在外部只能準備比漏極電壓還高的電壓。而產生該電壓的便是自舉式電路。

構造簡單。以開關、電容器、二極管所構成的升壓電荷泵并利用加入開關電壓（VIN）和內部電壓的電壓作為上側Nch MOSFET的柵極驅動。

無須自舉式電路的Pch＋Nch構造

利用自舉式電路的Nch＋Nch構造

1. Nch MOSFET的導通電阻低，有助于提升效率，價錢也便宜

2. 如果要使上側晶體管為Nch MOSFET的話，VGS必須比漏極電壓高

3. 內部電路用的內部電源的電壓并不充分

4. 以開關、電容器、二極管構成升壓電荷泵，產生上側的Nch MOSFET用驅動的高電壓

   上側柵極驅動電源電壓＝VIN＋內部電源電壓－二極管的VF

近來，中功率以上的電路，輸出的開關晶體管以Nch MOSFET為主流。盡管零件數稍微增加，然而卻有重視效率的傾向。最近，為了減少零件數，也有將外置二極管納入IC的類型

另外，自舉電路也以相同理由被利用于異步整流型不僅Nch MOSFET，也被利用來降低使用雙極性NPN晶體管類型的飽和電壓。

輸出反饋控制方式

開關穩壓器的輸出電壓基本上呈現穩定化，也就是說，具備讓已設定電壓值維持恒定的功能。為了維持電壓穩定，開關穩壓器會將輸出反饋（feedback）至控制電路。

大致可分為電壓模式控制、電流模式控制、遲滯控制等3種方式。

?電壓模式控制（PWM例）

電壓模式控制是最基本的方式。反饋環路只反饋輸出電壓。通過以誤差放大器和基準電壓做比較后所差距的電壓再進一步與三角波做比較，決定PWM訊號的脈沖寬度來控制輸出電壓。

此方式的優點在于純電壓的反饋環路可進行較簡單的控制、可縮短ON時間、抗噪好、抗干擾好。其缺點是，相位補償電路復雜。外置相位補償電路，故設計可能較花時間。

電壓模式控制

• 純電壓反饋環路控制簡單
• ON時間縮短
• 抗噪好
• 相位補償電路復雜

?電流模式控制

電流模式控制是對電壓模式控制的改良，是以檢測電路電感電流的方式取代電壓模式控制環路使用的三角波。或檢測晶體管的電流取代電感電流、通過插入電流檢測電阻進行檢測。

反饋環路分電壓環路和電流環路兩者，控制雖變得比較復雜，不過有相位補償電路設計大幅簡單化的優點。

其他優點還有反饋環路的穩定性高，負載瞬態響應比電壓模式快速。其缺點是，電流檢測敏感，噪聲多，會影響PWM控制。

電流模式控制

• 是對電壓模式控制的改良，
• 是以檢測電路電感電流的方式取代三角波。
• 反饋環路的穩定性高
• 大幅度簡化相位補償電路設計
• 負載瞬態響應比電壓模式高速
• 要注意電流檢測反饋環路的噪聲

?遲滯控制（紋波控制）

遲滯控制方式是引腳對需要更高速負載瞬態響應的負載，例如CPU、FPGA等電源要求而開發的方式。因其檢測并控制輸出的紋波，故也稱為紋波控制方式。

該方式，不通過誤差放大器而以比較器監控輸出電壓。檢測超過或未超過已設定的閾值后，由比較器直接控制開關ON/OFF。方法有兩種，一為在ON時間固定下檢測不超過的閾值，一為在OFF時間固定下檢測超過的閾值，利用上下雙方閾值窗口的方式。

其優點，在于由比較器進行直接控制，故瞬態響應極為高速、無須相位補償。其缺點是，雖然有開關頻率會變動、抖動大、檢測輸出紋波需要ESR（等價串聯電阻）較大的輸出電容器，隨著技術革新，采用此方式的IC逐漸増加。

遲滯（紋波）控制

• 以比較器直接監控輸出
• 負載瞬態響應速度非常快
• 反饋環路的穩定性高
• 無需相位補償
• 開關頻率會變動
• 抖動大
• 檢測紋波需要ESR較大的電容器

PWM和PFM

針對開關穩壓器的基礎，介紹電壓控制方法。不論開關穩壓器與否，電壓穩壓器的功能為產生穩定化的輸出電壓。為此，已在“反饋控制方式”一項中說明，必須將輸出電壓反饋至控制電路來進行環路控制。在這里，要說明的是、有關電壓控制的方式，例如該進行何種控制才能將輸入電壓調整為5V等。

開關穩壓器如名稱所示，是借著開關輸入電壓，也就是ON/OFF來轉換成所希望的輸出電壓。此結構已在“工作原理”一項中說明，簡單來說就是開關后平均化以均衡已設定輸入電壓的輸出電壓。此輸入電壓的開關法主要有2個方法。