一文带你了解降压型稳压芯片原理

在电路系统设计中，总是离不开电源芯片的使用，林林总总的电源芯片非常多，比如传统的线性稳压器7805、低压差线性稳压器(LDO)、开关型降压稳压器(Buck DCDC)等，那么它们到底有什么区别呢？Excelpoint世健的工程师Wolfe Yu在此对各种降压型稳压芯片的原理进行了科普。

降压型稳压芯片的主要分类

串联线性稳压电路原理

串联线性稳压电路主要思路来自于基本线性调整模型。在输入直流电压和负载之间串入一个三极管，其作用就是当输出阻抗发生变化引起输出电压同步变化时，通过某种反馈形式使三极管的发射极也随之变化，从而调整输出电压值，以保持输出电压基本稳定。由于串入的三极管是起着电压调整作用的，所以，这个三极管也称为调整管。

图1 LDO基本模型

基本线性调整管的输出电压，主要由稳压管的电压来决定，无法实现自动调节。为了让输出电压可以自由设定，从而不受稳压管影响，一般会加入运算放大器，通过比例系数调节输出电压。

图2 可调LDO模型

LDO直流输入电压和负载调整率、输入电压和负载瞬态响应、电源抑制比(PSRR)、输出噪声和精度在各种降压型稳压器中，都是最优，对于高精度模拟前端应用场合十分必要。所以，产品应用的核心电源，都会采用高精度LDO供电。

图3 LDO主要功耗模型

LDO也会面临另一个问题，效率比较低。主要是稳压调整管所需击穿饱和电流、运放反馈回路电流、以及输出电压与压差和电流产生的热能损耗等等。一般来说，我们把输入电流和Iin输出电流Iout的差值，称为接地电流（IGND），接地电流包括静态电流（IQ），LDO的效率公式如下。

接地电流是影响LDO效率的一个因素，但是，相对于调整管的压降来说，如同九牛一毛，可以忽略不计。真正影响LDO效率的是输入输出之间的电压差。

一般来说，市面上常用的串联线性稳压电路通常会采用五种常用的结构，大体分为：经典NPN型结构LDO(A)、基于PNP驱动的NPN输出型低压差结构LDO(B)、PNP型低压差结构LDO(C)、P沟道低压差LDO(D)、N沟道低压差LDO(E)。

图4 常见LDO产品架构

初步分析：经典NPN型结构LDO，输入输出压差基本要求满足3V左右。基于PNP驱动的NPN输出型低压差结构LDO，输入输出压差需要达到1.5V。PNP型低压差结构LDO、P沟道低压差LDO和N沟道低压差LDO属于真正的低压差LDO，P沟道低压差LDO对于散热要求很高，N沟道低压差LDO相对工艺复杂。PNP型低压差结构LDO相对简单，输入输出压差基本控制在0.3V——0.6V之间。市面上，选择C和D方案作为LDO架构的厂商较多。

串联开关稳压电路原理

前面我们提到，LDO有着较大的负载调整率、输入电压和负载瞬态响应、电源抑制比(PSRR)、输出噪声和精度。但是由于效率太低，随着节能减排、PCBA的布局布线等要求，在很多高压差的场合，人们不得不寻求新的替代方案。

随着半导体技术和磁性材料的发展，通过调整开关管通断、采用换能的方式，输出相对稳定的电压的DCDC应运而生。

图5 Buck DCDC基本拓扑

正常工作状态下，BUCK型DCDC主要工作在连续导通模式（CCM），这种模式下，电感器上有连续电流，这种情况也称为重载模式，DCDC主要是通过电感电压伏秒平衡原理，来实现降压功能。

图6 Buck DCDC连续导通模式及输出波形

从上图来看，我们可以计算出BUCK型DCDC的输出电压和输入电压之间的关系，主要依赖于开关管的导通时间。

对于开关电源来说，影响开关电源功耗的因素，主要集中在开关管MOSEFET、门极驱动、电感磁芯损耗和线损上面。

图7 Buck DCDC主要损耗因素

相对于线性稳压电源来说，开关稳压电源的效率可以达到90%以上，相对损耗几乎忽略不计。所以，在很多应用场合，特别是较大输出压差和较大输出功率的情况下，工程师几乎统一都是采用这种Buck电源。

开关电源Buck电路的控制方案

PWM脉冲调制技术

传统电流模式的开关电源，采用的方式是将采样电流与电压反馈环路中误差放大器的输出进行比较，以生成控制MOSFET的PWM脉冲。

图8 PWM核心控制机理

电压模式是PWM脉冲调制一种常用的调制方式，主要采用固定频率三角波和误差做比较，采用三角波和误差幅值调整占空比。

图9 电压调整模式架构

峰值电流模式是PWM脉冲调制的另一种常用的调制方式，占空比主要由电流环决定，电压环决定电流信号参考。

图10 峰值电流模式架构

COT调制技术

PWM频率恒定，其在整个负载频率范围内的纹波电压和输出噪声都是非常低的，每个开关管在切换的时候都会产生开关损耗，特别是其在轻负载时，还保持较高的开关频率，开关损耗比重加大，效率会降低。

图11 DCM模式电感电流环示意

我们知道，当负载电流非常小时，或者说电感器的值小于临界电感时，转换器开关就会工作在不连续导通模式(DCM)。极端情况下，假设负载为0，转换器开关就会只转换一次就不再工作。实际上，由于开关电源的ESR，反馈回路等等形成的阻抗产生电路损耗。此时，控制MOSFEET的PWM脉冲宽度明显小于正常连续开通模式(CCM)的脉冲宽度。

图12 DCM模式电感电压与电流波形

同时，每个MOSFEET开关管的切换时间，总是存在相对固定的开通和关断时间，这就是开关损耗。如果我们在DCM模式下，能降低开关切换频率。就会降低开关损耗。

基于PFM的COT可以很好的解决上述难题，与传统电压/电流模式控制相比，恒定导通时间控制（COT）结构则非常简单，它通过反馈电阻来采样输出电压，然后将输出电压纹波谷值直接与参考电压进行对比，生成固定的导通时间脉冲来导通上管MOSFET。

图13 COT核心控制机理

COT架构无需传统电压/电流模式DC/DC控制中的补偿网络，只需要一个参考比较器输出来触发定时脉冲发生器。变换器的设计更加简单，因为元器件变得更少，也无需花费很多时间来调整补偿值。COT 变频控制结构在轻载时，脉冲频率得到了进一步的降低，可以保持较高的效率。COT架构也存在一些缺点：首先，每次导通时间固定，频率会随占空比发生变化，针对这种情况，我们一般在电路上调整假负载，控制频率因素。其次，COT架构的另一个缺点，需要依靠FB引脚上的纹波调整占空比，输出纹波很大。

多相交错并联降压技术

如果变换器的开关频率一致，并且在各变换器之间加一定的相移，可以减少输入输出电流纹波，这种称之为多相交错并联降压技术。

图14 多相交错并联移向技术架构

多相交错并联Buck型DCDC变换器是由多个变换器并联，共同为负载提供电流。每个驱动信号频率相同，相位错开。

图15多相交错并联移向电流纹波

用交错并联后电流由交错电流叠加，如果叠加相位匹配控制得好，电流纹波会随相位增加而降低，电压纹波也会相应降低。

多相交错并联COT架构电源对于轻载、重载自由切换的大功率通信应用场合意义十分重大，特别是5G通信电源，需要满足超大射频发射功率等应用场景。

Microchip基于双相交错先进COT Buck电源的解决方案

Excelpoint世健代理的产品线Microchip推出基于双相交错先进恒定导通时间（COT）同步降压控制器的MIC21LV33系列电源芯片。该芯片采用独特的自适应导通时间控制架构，支持超轻负载模式和切相功能。控制部分采用超高速控制器，在中等负载至重负载条件下支持超快速瞬态响应。支持从外部通过电容编程软启动，实现安全启动进入重载模式。该芯片还集成一个远程检测放大器，用于精确控制输出电压。

MIC21LV33提供全套保护功能，确保在故障状态期间保护芯片。包括：电源电压跌落条件下正常工作的欠压锁定、降低浪涌电流的可编程软启动、过压放电、“打嗝”模式短路保护、以及热关断。

MIC21LV33产品主要特征：

-输入电压范围：4.5V——36V

-输出电压、电流：0.6V——28V，最低0.6V，精度±1%。最大输出电流：50A。

-开关频率范围：100kHz——1MHz/Phase

-MIC21LV33集成远程检测放大器，用于精确控制输出电压。

-封装：32脚 5mm x 5mm VQFN

-温度范围：-40℃——125℃。

图16 MIC21LV33 评估板

MIC21LV33该产品可应用于： 分布式电源系统、通信/网络基础设施、打印机、扫描仪、视频设备、以及FPGA/CPU/MEM/GPU内核电源。该产品可以支持最大8相堆叠，电流输出高达200A。满足各种应用场景，Excelpoint世健可提供相应技术指导及样品支持。

电巢学堂：什么是升压芯片？如何实现升压和降压？

众所周知，升压芯片在诸多电子电路中均有所应用，在现代生活中，升压芯片是不可或缺的器件之一。对于升压芯片，想必大家均具备一定了解。在本文中，将主要为大家讲解一下升压芯片的原理和一些常见的升压和降压电路分析，不知大家对这款升压芯片以及其应用是否熟悉。一起来学习一下吧!

调压电路图

升压与降压一般是指电源电路的工作模式，有些电源IC可以同时支持升压和降压模式。

降压模式——Bust mode，这个大家比较熟悉的，用的也比较多，比如5V-》3.3V稳压，对应的芯片很多大家上网搜一下就有了，有LDO模式和DC-DC模式的。其中LDO模式的芯片外围电路较简单，只需在输入和输出端加上滤波电容即可。而DC-DC模式的芯片电路相对较复杂一点，但是效率较高。一般需要外接电容和电感，通过闭合开关对电感进行充电，断开开关之后，电感作为一个电源进行放电，可以通过PWM的占空比来调节输出电压值，电压值最大不会超过电源电压。对于DC-DC降压模式的基本电路如下图所示：

升压模式——Boost mode，这个也很常见，也是DC-DC的一种。当整个电路只使用单个电源(比如3.7V锂电池)供电时，可以通过降压输出3.3V、1.6V等较低电压给IC供电，有时候电路中需要更高的电压，比如一些移动设备的屏幕就需要较高电压驱动，比如12V，在移动设备中再增加一个12的独立电源不太现实，而且锂电池一般都是3.7V(充满电为4.2V)，这个时候就需要使用到升压电路了，这个也有对应的IC，一般要配合电感、电容实现升压和降压模式中DC-DC的连接方式不一样。通过闭合开关给电感充能，断开开关则电感的电动势和电源串联，提高电压。可以通过PWM的占空比来调节输出电压，当占空比为50%时，输出电压为输入电压的2倍。升压的基本电路如下图所示：

升压降压芯片电路

做实验项目时常常会遇到只有一种电压的电源却需要另一种电压的电源的情况，于是就有了电压转化的需求，除去buck-boost电路，也有很多常用的芯片可以供大家转换电压。

12转5v时常用7805，转-5v时候会用7905。有关电路可以直接搜索芯片的datasheet查看，也可以看下面的截图。

7.2v转5v也很常见，一般直接用lm2940，电路如下：

7.2v转3.3v用lm1117效果挺好的，电路如下：

5v转3.3v用AMS1117电路图如下：

顺带介绍一下LM2596.LM2596系列是德州仪器(TI)生产的3A电流输出降压开关型集成稳压芯片，它内含固定频率振荡器(150KHZ)和基准稳压器(1.23v)，并具有完善的保护电路、电流限制、热关断电路等。利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。提供的有：3.3V、5V、12V及可调(-ADJ)等多个电压档次产品。有关电路直接下载datasheet即可知道。我自己用过的电路如下：

常用的产品应用：①移动电话②移动电源、PMP播放器③无绳电话④无线电通讯设备⑤血压计、医疗器械、保键器材⑥电子秤、人体秤⑦玩具⑧三表(电表、水表、煤气表)⑨数码相机、数码相框、摄像机⑩掌上游戏机、PSP、PS2⑪电脑摄像头、电脑主板、PC、MID⑫DVD、便携式DVD⑬迷你音箱、蓝牙音箱、WI-Fi移动充电包⑭U盘、电子烟⑮LED手电筒、太阳能台灯、草坪灯。

简单的介绍一下常见的DC/DC升压IC，例如：

型号：BT1001

»100KHzVFM开关型DC-DC升压转换器。

»低电压启动：0.8V启动，输入电压0.8-7V。

»输出电压范围：2V~5.6V;固定电压输出。

»输出电流：300mA。

»内置开关MOS管。

»封装：SOT-23-3SOT-89-3TO-92。

型号：BT1002

»200KHzVFM开关型DC-DC升压转换器。

»低电压启动：0.9V启动，输入电压0.9-6V。

»输出电压范围：2V~5.6V;固定电压输出。

»输出电流：300mA~750mA。

»内置开关MOS管。

»封装：SOT-23-3SOT-89-3。

型号：BT1003

»180KHzPFM开关型DC-DC升压转换器。

»低电压启动：0.8V启动，输入电压0.8-7V。

»输出电压范围：2V~7V;固定电压输出或可调输出。

»输出电流：300mA~1000mA。

»有内置或者外置开关MOS管。

»封装：SOT-23-3SOT-89-3SOT-23-5SOT-89-5。

型号：BT1004

»300KHzPFM开关型DC-DC升压转换器。

»低电压启动：0.8V启动，输入电压0.8-5V。

»输出电压范围：2V~5V;固定电压输出。

»输出电流：300mA~1200mA。

»有内置或者外置开关MOS管。

»封装：SOT-23-3SOT-89-3SOT-23-5。

型号：BT1034

»300KHzPFM开关型DC-DC升压转换器。

»低电压启动：0.8V启动，输入电压0.8-5V。

»输出电压范围：2V~3.6V;固定电压输出。

»输出电流：300mA。

»内置开关MOS管，内置肖特基二极管。

»封装：SOT-23-3SOT-89-3SOT-23-5。

型号：BT1011

»100KHzPFM开关型DC-DC升压转换器。

»低电压启动：0.8V启动，输入电压0.8-7V。

»输出电压范围：2V~7V;固定电压输出或可调输出。

»输出电流：300mA~1000mA。

»有内置或者外置开关MOS管。

»封装：SOT-23-3SOT-89-3SOT-23-5SOT-89-5

型号：BT2011

»1.0MHzPWM开关型DC-DC升压转换器。

»　输入电压2.6-5.5V。

»可调输出：5V1000mA。

»最大输出电流限制功能。

»内置开关2AMOS管。

»封装：SOT-23-6

型号：BT2012

»300KHz开关型DC-DC升压转换器。

»　输入电压2.6-5.5V。

»低保持电压：0.9V，启动电压1.2V。

»固定输出电压：5V1500mA。

»外置开关MOS管。

»封装：SOT-23-5。

型号：BT2013

»300KHzPFM/PWM自动转换开关型DC-DC升压转换器。

»低电压启动：0.8V启动，输入电压0.8-6.5V。

»输出电压范围：1.5V~20V;可调输出。

»输出电流：300mA~2000mA。

»　外置开关MOS管。

»封装：SOT-23-5。

型号：BT2014

»1.2MHz开关型DC-DC升压转换器。

»　输入电压2V-24V。

»输出电压范围：《28V;可调电压输出。

»输出电流：2000mA。

»内置4A开关MOS管。

»封装：SOT-23-6。

型号：YD8001

»具有DC-DC升压转换器与锂电充电管理二个功能。

»锂电充电电流：500mA。

»DC-DC输出：5V/1000mA;固定电压输出。

»外置开关MOS管。

»封装：SOP8L。

型号：YD8002

»移动电源方案：具有DC-DC升压转换器、锂电充电管理、电量显示等多个功能。

»锂电充电电流：500-700mA。

»DC-DC输出：5V/1000mA或1500mA;固定电压输出。

»四个LED显示电量。

»外置开关MOS管。

»封装：SOP8L。

应用：MP3、数码相机、蓝牙耳机、电子词典、摄像机、PDA、手持电话、LED手电筒、LED灯、遥控玩具;血压计、汽车防盗器、防丢器、无线鼠标键盘、充电器等等。

相关问答

amd降压超频原理?

芯片的电压频率温度是一个互相作用的关系。电压高能上更高频率但是会更热,过热降频。AMD的u默认给的电压都比较高。比如我玩的第一个3600直接就是1.402默认。...

电动车500ma降压芯片详解?

电动车500ma降压芯片是一种高效稳压电源管理芯片,能够将高电压降低到稳定的低电压输出,保证电路工作的安全性和稳定性,有效降低能耗与热量排放。该芯片具有功...

升压降压芯片介绍?

升压降压芯片是一种电子器件,用于将电源电压转换为所需的较高或较低的电压。它可以通过控制输入电压的波形和频率,实现电源的升压或降压功能,以满足不同电子设...

八脚芯片原理?

直流电压输入之后,通过变压器的初级绕组连接到芯片内部开关管的漏极,由芯片内部的电压源从开关管漏极获得电源,经过降压后给芯片提供启动电压。芯片启动后,...

tt119是什么三极管?

tt119是一个非隔离交流220v转5v固定输出的一个降压芯片,像三极管一样的封装sot23-3,非常的小,5v的峰值电流在200MA,建议使用在150MA以内。12V转5V...tt119是.....

阻容降压能给芯片供电吗?

能给芯片供电,不单是松翰单片机可以用阻容降压供电,其它品牌的单片机同样也可以用这种供电方式,单片机的功耗很低,只要不直接推动大电流负载,出于成本考虑...

2832芯片工作原理?

BP2832芯片是吸顶灯里常用的一款降压型非隔离LED恒流驱动集成电路,其工作电压范围很宽,在交流85V~265V范围内皆可工作。BP2832芯片内部带有功率场效应管,耐压...

五脚降压芯片引脚功能?

五脚降压芯片通常由一个放大器和一个输出电路组成,可以在高电压时输出较低电压的电流。以下是五脚降压芯片的引脚功能:输入端(IN):芯片的输入端连接到外部电...

请大家推荐一款AC-DC降压芯片，输出电压5V。功率在50mA~?

降压型芯片很多,主要看是否隔离以及效率。功率小的话可采用单片集成开关电源芯片,VIPER12A或者VIPER22A、5L0365\0380、FSQ100等等。降压型芯片很多,主要看是...

芯片怎么区分稳压升压和降压?

芯片可以通过其工作原理和应用场景来区分稳压、升压和降压。稳压芯片的作用是将输入电压稳定在一个特定的输出电压值,以确保电路中的其他元件能够正常工作。...