开关稳压器工作原理与典型应用电路分析——LM2576、LM2596与LM2577

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整理电脑上文件时发现了几年前刚上大学时，整理的一份关于稳压电源的文档，当时是为了实验室培训之用而写，但是最后没有用到。记得那个时候刚学完了模电，有一些硬件基础，然后查了好多资料，从电子发烧友，到CSDN，再到芯片的datasheet，再到线性及开关稳压器设计320例和康老师的模拟电子技术，弄了很久才整理出了这份文档，具体参考已经不可知，侵删。当时没有开始写博客，所以就让它在电脑里一直沉睡。今天发现了，就把它放在这里了，我已经很多年不涉及硬件了，可能这些东西已经过时，而且当时查资料水平不高，理解也很粗浅甚至可能错误，并且大多只是纸上谈兵，不过总有对的点吧，希望对大家有帮助。

线性三端稳压器

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开关稳压电路

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前述的串联反馈式稳压电路由于调整管工作在线性放大区，因此在负载电流较大时，调整管的集电极损耗($P_C=V_{CE}{I}_O$)相当大，电源效率较低，一般为40 % ~60 %，有时还要配备庞大的散热装置。为了克服上述缺点，可采用开关式稳压电路，电路中的调整管工作在开关状态，即调整管主要工作在饱和导通和截止两种状态。由于管子饱和导通时管压降$V_{CES}$和截止时管子的电流$I_{CEO}$都很小，管耗主要发生在状态开与关的转换过程中，电源效率可提高到75%-95%。

由于省去了电源变压器和调整管的散热装置，所以其体积小、重量轻。它的主要缺点是输出电压中所含纹波较大，对电子设备的干扰较大，而且电路比较复杂，对元器件要求较高。但由于工艺已经成熟，而优点又突出，已成为宇航、计算机、通信、家用电器和功率较大电子设备中电源的主流，应用日趋广泛。

开关稳压电源将来自市电整流滤波不稳定的直流电压变换成交变的电压，然后又将交变电压转换成各种数值稳定的直流电压输出，因此开关稳压电源又称为DC/DC变换器。开关电源按控制原理可分为脉冲宽度调制，脉冲频率调制，脉冲密度调制和混合式调制，比较常用的是前两者。

• 串联(降压)型开关稳压电路

以串联型开关稳压电路和并联型开关稳压电路为例，简要介绍降压型和升压型开关稳压电源的基本组成和原理。

串联型开关稳压电路原理框图如图1所示。它和串联反馈式稳压电路相比，主电路增加了二极管D（一般选用开关性能好的肖特基二极管）和LC组成的高频整流滤波电路以及产生固定频率的三角波电压$v_T$发生器、比较器C、基准电压$V_{REF}$和误差放大器EA组成的控制与驱动电路。

图1 串联型开关稳压电路原理图

 

图中$V_I$是整流滤波电路的输出电压，$v_B$是比较器C的输出电压。利用$v_B$控制开关调整管T，将$V_I$变成断续的矩形波电压。当$v_A>v_T$，$v_B$为高电平，T饱和导通，输入电压$V_I$经T加到二极管D的两端，电压$v_E$等于$V_I$减去T的饱和压降$V_{CES}$ ，此时二极管D承受反向电压而截至，负载中有电流$i_o$流过，电感L储存能量，同时向电容器C充电。输出电压$v_o$略有增加。当$v_A<v_T$ 时，$v_B$为低电平，T由导通变截至，滤波电感产生自感电势(极性如图所示)，使二极管D导通，于是电感中储存的能量通过D向负载$R_L$释放，使负载$R_L$继续有电流通过，因而常称D为续流二极管。此时电压$v_E$等于$V_D$(二极管正向压降)。由此可见，虽然调整管处于开关工作状态，但由于二极管D的续流作用和LC的滤波作用，输出电压是比较平稳的。

2 开关稳压电源电压，电流波形图

图2画出了电流$i_o$，电压$v_T$、$v_A$、$v_B$、$v_E(v_D)$和$v_O$的波形。图中$t_{on}$是调整管T的导通时间，$t_{off}$是调整管T的截止时间，$T=t_{on}+t_{off}$是开关转换周期。显然，在忽略滤波电感L的直流压降的情况下，输出电压的平均值为：
$$V_O=t_{on}/T(V_I-V_{CES})+(-V_D)t_{off}/T\approx V_I{t}_{on}/T=q{V}_I$$
式中$q=t_{on}/T$ 称为脉冲波形的占空比。由上式，对一定的值，在开关转换T(或开关频率$f_k$)不变，通过调节占空比即可调节输出电压，故又称电压脉冲宽度调制（简称PWM）式降压（$V_O<V_I$）型开关稳压电源。

图3 VO、VI变化时vT、vA、vB、vE的波形

 
在闭环情况下，电路能自动地调整输出电压。设在某一正常工作状态时，输出电压为某一预定值$V_{set}$，当反馈电压$V_F=F_v{V}_{set}=V_{REF}$时，比较放大器输出电压$v_A$为零，比较器C输出脉冲电压$v_B$的占空比为q=50%，$v_T、v_B、v_E$的波形如图3a所示。当输人电压$V_I$增加致使输出电压$V_O$增加时，$V_F>V_{REF}$，比较放大器输出电压$v_A$为负值，$v_A$与固定频率三角波电压$v_T$相比较，得到$v_B$的波形，其占空比q<50%，使输出电压下降到预定的稳压值$V_{set}$，此时，$v_A、v_T、v_B、v_E$的波形如图3b所示。

上述变化过程也可简述如下：

$V_I$下降时，$V_O$也下降，$V_F>V_{REF}$比较放大器输出电压$v_A$为正值， $v_B$的占空比q>50%，使输出电压上升到预定的稳压值$V_{set}$。总之，当$V_I$或负载$R_L$变化使$V_O$变化时，可自动调整脉冲波形的占空比使输出电压维持恒定。

• 并联(升压)型开关稳压电路

并联型开关稳压电路主回路如图4所示，与负载并联的开关调整管T为MOSFET，电感接在输入端LC为储能元件，D为续流二极管。图中控制电压$v_G$为矩形波，控制T的导通与截止。当控制电压$v_G$为高电平时($t_{on}$期间)T饱和导通，输入电压$V_I$，直接加到电感L两端，$i_L$线性增加，电感产生反电势$i_L=-L(d_{iL}/d_t)$，电感两端电压方向为左正(+)右负(-)L，储存能量，$v_L=V_I$，(T的$V_{DS}\approx 0$)，二极管D反偏而截止，此时电容C(电容已充电)向负载提供电流，$i_{放}=i_O$，并维持$V_O$不变；当$v_G$为低电平时($t_{off}$期间)T截止，$i_L$不能突变。电感L产生反电势$v_L$为左负(-)右正(+)，此时$v_L$与$V_I$相加，因而输入侧的电感常称升压电感，当$v_L+V_I>V_O$ 时，D导通，$v_L+V_I$给负载提供电流$i_O$，同时又向C充电电流$i_C$，此时$i_L=i_C+i_O$。显然输出电压$V_O>V_I$，称升压型开关稳压电路。

图4 并联型开关稳压电路原理图  

T导通时间越长，L储能越多，因此，当T截止时电感L向负载释放能量越多，在一定负载电流条件下，输出电压越高。在控制脉冲$v_G$作用下，整个开关周期T电感电流$i_L$连续时的$v_D$、$v_{DS}、i_L、v_L和v_O$的波形如图5所示。

图5 波形  

为了提高开关稳压电源的效率，开关调整管应选取饱和压降$V_{CE}(V_{DS})$及穿透均小的功率管BJT或者MOSFET，而且为减小管耗，通常要求开关转换时间$t_S\le 0.01f_k$，开关调整管一般选用$f_T\ge 10\beta f_k$的高频大功率管，当$f_k>50$ kHz时，可选用绝缘栅双极型功率管(IGBJT)和VMOS功率管。续流二极管D的选择也要考虑导通、截止和转换三部分的损耗，所以选用正向压降小。反向电流小及存储时间短的开关二极管，一般选用肖特基二极管。输出端的滤波电容使用高频电解电容。

开关稳压电源的控制电路一般用得较多的是“电压一脉冲宽度调制器(简称脉宽调制器PWM)"，产品种类很多。开关频率$f_k$的选择对开关稳压器的性能影响也很大。$f_k$越高，需要使用的L，C值越小。这样，系统的尺寸和重量将会减小，成本将随之降低。另一方面，开关频率的增加将使开关调整管单位时间转换的次数增加，开关调整管的功耗增加，而效率将降低。随着开关管、电容、电感材料及工艺性能的改进，$f_k$可提高到15 - 500 kHz以上。目前已有$f_k$=2 MHz的PWM集成芯片，如MC34066/MC33066。实际的开关型稳压电源电路通常还有过流、过压等保护电路，并备辅助电源为控制电路提供低压电源等

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DC-DC典型应用电路设计

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集成开关型稳压电路有两大类，一类是控制与驱动器，需外接开关调整管，滤波电路和续流二极管，一般用于功率较大的场合；另一类就是单片开关稳压电源，集成芯片包括图2的所有单元电路。比较典型的单片集成开关稳压电源，降压型有LM2576系列，AE2576和LM2678等；升压型有LM2733，MAX1709和LM2577等。

• LM2576系列

LM2576系列是一种高效率，3A大电流输出，降压式开关稳压器，它能输出3A电流，并具有优良的线性度和负载调节能力，转换效率可达75%~88%（与产品型号的输出电压有关），可取代低效率的7800系列三端线性稳压器。LM2576-XX的使用方法非常灵活。不仅能构成降压式DC/DC电源变换器，还可构成负压输出式DC/DC电源变换器、升压式DC/DC电源变换器、降压/升压式DC/DC电源变换器。
LM2576固定输出式开关稳压器典型应用电路如图6所示。输入电压范围是+7.0~40V，输出电压则取决于所用的LM2576的具体型号。将通/断控制端 ON/OFF接地。$C_I$为输入端的滤波电容，$C_o$为输出端的滤波电容，二者均可采用铝电解电容。L为储能电感，可选国产功率电感，电感量约100uH。$V_D$为续流二极管可采用MBR360型肖特基二极管，其反向峰值电压$U_{RM}=60V$，平均整流电流$I_d$=3A，反向恢复时间$t_r$<10ns

图6 LM2576固定输出式开关稳压器的典型应用电路  

设计要点：

（1）储能电感可选择铁氧体磁芯和铁粉芯，其外形有罐形，绕线形等。其中，绕线形将导线绕制在铁氧体磁棒上，价格最便宜，但因它的磁通没有完全包在磁芯里，容易产生电磁干扰。有条件的最好采用罐形磁芯。电感的工作电流必须大于最大额定电流，避免造成磁饱和，导致开关电流迅速增大而损坏开关式稳压器。

（2）输出电容起到输出滤波和保证环路稳定的作用。为降低输出纹波和提高稳定性，应选用等效串联电阻很低的电容。推荐用100~680uF的电容作为输出电容，其耐压值应至少为输出电压的1.5倍。例如，+5V固定输出时CO的耐压值不低于8V。为留出一定的余量，推荐使用耐压为10V或15V的铝电解电容。

（3） 续流二极管应采用肖特基二极管或超快恢复二极管。在低压输出时（低于+5V），使用低压降的肖特基二极管能提高电源效率。续流二极管的导通电流至少为最大负载电流的1.2倍，反向耐压值（UR）至少为输出电压的1.25倍。

（4）PCB必须布局合理。应该使电感的接地回路面积为最小， $C_I、V_D以及C_O$的引线尽量短，并将它们单点接地（即接地端焊在地线区域的同一点上）。反馈引线也应尽量短。取样器要尽可能的靠近稳压器。

LM2576-ADJ可调输出式开关稳压器典型应用电路如图7所示。$R_1、R_2$均为外部分压电阻（亦称为取样电阻），应选误差为±0.1%的精密电阻。输出电压由下式确定：
$$U_O=U_{REF}(1+R_2/R_1)=1.23(1+R_2/R_1)$$
例如，将$R_1=2.0k\Omega 、R_2=6.12k\Omega$代入上式，得到$U_O=5.00V$。

图7 LM2576-ADJ可调输出式开关稳压器的典型应用电路  

由LM2576HV-12构成负电压输出式开关稳压器电路如图8所示。其输入电压的范围是+12-45V，输出为-12V、0.7A。该电路的特点是GND端不接地，而是将反馈端接地，利用自举电路把稳压器原来的地变成负电压的输出端，输出电压就被稳定在-12V上，此时最大输出电流约700mA。对于更轻的负载，最低输入电压可降到4.7V左右。为实现Buck-boost变换，推荐的电感量范围是68~ 220uH，输出电容必须大于降压式变换的要求。对于低输入电压或大输出电流，输出电容应不小于1000uF。必要时还应给LM2576-12接散热器。

图8 -12V、0.7A开关稳压器电路  

一种能降低输出纹波的可调式开关稳压器电路如图9所示。LM2576HV- ADJ是属于高压型开关稳压器，输出为+12-50V、3A。$R_2$为可调电阻。在输出级又增加了一级LC型后置滤波器，可进一步减小输出纹波。

图9 能降低可调式开关稳压器输出纹波的电路  

由LM2576- ADJ和数字电位器构成的可编程开关稳压器电路如图10所示。现利用10kΩ数字电位器$R_{DCP}$来代替可调电阻$R_2$，改变$R_{DCP}$的值即可设定稳压器的输出电压。例如当$R_2=R_{DCP}=7.76k\Omega$时，$U_O$=6.00V。该电路的$U_O$可在+1.23V~6V范围内变化。

图10 LM2576-ADJ和数字电位器构成可编程开关稳压器电路  

设计要点：

（1）由于在开关稳压器中通过数字电位器的电流很小，因此一般不需要对其工作电流进行扩展。

（2）为提高输出电压的稳定性， R2应采用误差为0.1%的金属膜电阻。

（3）为降低输出纹波，可在输出级增加一级LC后置滤波器。LM2576还可配线性集成稳压器构成复合式稳压电源。具体方法是将LM2576作为前级，线性集成稳压器（如7805）作为后级。这样能充分发挥开关式稳压器，线性稳压器各自的优点，设计成效率高，输出纹波电压又小的稳压电源。

（4）当LM2576-ADJ的工作结温超过110度时，必须给LM2576加一个较大的散热器。

（5）设计PCB时要布局合理。应使电感的接地回路面积为最小，$C_1，V_D及C_O$的引线尽量短，并将它们单点接地（即将所有的接地端焊到地线区域的同一点上）。反馈引线也应尽量短捷。取样电阻要尽可能靠近稳压器。

• LM2596系列

LM2596是继LM2576之后推出的第二代3A大电流输出的降压式开关稳压器，具有很好的线性和负载调节特性。其电源效率最高可达94%，比LM2576大约提高5%。固定输出版本有3.3V、5V、12V和可调版本可以输出小于37V的各种电压。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150kHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件由于该器件只需4个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了LM2596的使用，极大地简化了开关电源电路的设计

LM2596-5.0在降压式/升压式（Buck-boost）变换中，利用+4.5V~20V正电压产生-5V，3A输出电压电路如图11所示。该电路的特点是GND端不接地，而将反馈端接地，利用自举电路把稳压器原来的地变成负电压输出端，输出电压就被稳在-5V上。VD1为隔离二极管，能对输入电压中的纹波及噪声起到隔离的作用。推荐使用肖特基二极管，所选型号为1N5833。VD2为续流二极管，可选1N5825型肖特基二极管。VD3为保护 二极管，当输入端发生短路时可防止输出变为正电压。

图11 -5V、3A开关稳压器电路  

LM2596构成的可调开关稳压器电路如图12所示。其中$C_{IN}$，470uF/50V；$C_{OUT}$，220uF/35V；$R_1$，1k/1%；$D_1$，5A/40V IN5825；$L_1，68uH；C_{FF}$，参照相关的应用信息而定，也可以省略。$R_2$由输出电压和基准电压算得，输出由$R_1，R_2$以及基准电压决定。
$$UO=U_{REF}(1+R2/R1)=1.23(1+R2/R1)$$

$$R_2=R_1(U_{OUT}/U_{RET}-1)$$

图12 LM2596可调开关稳压器电路  

注：反馈线要远离电感，电路中的粗线一定要短，最好用地线屏蔽，调节输出电压的电阻R1， R2要靠近LM2596的4脚。在开关调节器中，PCB版面布局图非常重要，开关电流与环线电感密切相关，由这种环线电感所产生的暂态电压往往会引起许多问题。要使这种感应最小、地线形成回路，图中所示的粗线部分在PCB板上要印制得宽一点，且要尽可能地短。为了取得最好的效果，外接元器件要尽可能地靠近开关型集成电路，最好用地线屏蔽或单点接地。最好使用磁屏蔽结构的电感器，如果所用电感是磁芯开放式的，那么，对它的位置必须格外小心。如果电感通量和敏感的反馈线相交叉，则集成电路的地线及输出端的电容$C_{OUT}$的连线可能会引起一些问题。在输出可调的方案中，必须特别注意反馈电阻及其相关导线的位置。在物理上，一方面电阻要靠近IC，另一方面相关的连线要远离电感，如果所用电感是磁芯开放式的，那么，这一点就显得更加重要。

• LM2577系列

LM2577是升压型单片开关稳压器，可广泛用于电子产品的电源电路中。其有三种不同的输出电压版本：12V，15V，和可调。具有软启动功能，启动时冲击电流小。片内有过流保护和过热保护等。

图13 LM2577-ADJ构成输出电压可调的升压式稳压器电路  

由LM2577-ADJ构成的电压可调的升压式稳压器的电路如图13所示。当LM2577-ADJ内部功率开关管闭合时，整流二极管VD截止，输入电压U1经过电感L直接返回，使电感电流线性的增大。与此同时输出端滤波电容CO向负载放电。当功率开关管断开时，L上产生反向电动势，电感电流通过$V_D$向$C_O$充电。$R_C，C_C$为相位补偿网络。$R_1，R_2$为取样电阻，输出电压由下式决定：

$$U_O=U_{REF}(1+R_2/R_1)=1.23(1+R_2/R_1)$$

例如当$R_1=17.4k，R_2=2k$时，根据上式可以求出$U_O$=11.93V。改变$R_1$的电阻值即可调节输出电压，但最大输出电流不超过800mA。

• 小结

开关稳压器使用输出级，重复切换“开”和“关”状态，与能量存贮部件(电容器和感应器)一起产生输出电压。它的调整是通过根据输出电压的反馈样本来调整切换定时来实现的。在固定频率的稳压器中，通过调节开关电压的脉冲宽度来调节切换定时，这就是所谓的 PWM 控制。在门控振荡器或脉冲模式稳压器中，开关脉冲的宽度和频率保持恒定，但是，输出开关的“开”或“关”由反馈控制。根据开关和能量存贮部件的排列，产生的输出电压可以大于或小于输入电压，并且可以用一个稳压器产生多个输出电压。在大多数情况下，在同样的输入电压和输出电压要求下，脉冲(降压)开关稳压器比线性稳压器转换电源的效率更高。

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参考

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线性及开关稳压器设计320例
电子技术基础 模拟部分