降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器如何使用串聯(lián)晶體管

    降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是一種開(kāi)關(guān)模式電源電路，旨在有效地將直流電壓從較高電壓降低到較低電壓，即減去或“降壓”電源電壓，從而降低輸出端可用的電壓端子無(wú)需改變極性。換句話說(shuō)，降壓開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器是降壓調(diào)節(jié)器電路，因此例如降壓轉(zhuǎn)換器可以將+12伏轉(zhuǎn)換為+5伏。

    降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是一種直流-直流轉(zhuǎn)換器，也是簡(jiǎn)單、的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器類(lèi)型之一。當(dāng)在開(kāi)關(guān)模式電源配置中使用時(shí)，降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器使用串聯(lián)晶體管或功率 MOSFET（是絕緣柵雙極晶體管或 IGBT）作為其主要開(kāi)關(guān)器件，如下所示。
    降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器
    降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器
    我們可以看到，降壓轉(zhuǎn)換器的基本電路配置是串聯(lián)晶體管開(kāi)關(guān)TR 1以及相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路（使輸出電壓盡可能接近所需水平）、二極管D 1、電感器L 1和平滑電容器C 1。降壓轉(zhuǎn)換器有兩種工作模式，具體取決于開(kāi)關(guān)晶體管TR 1是“導(dǎo)通”還是“截止”。
    當(dāng)晶體管偏置為“ON”（開(kāi)關(guān)閉合）時(shí)，二極管D 1變?yōu)榉聪蚱?，輸入電壓V IN導(dǎo)致電流通過(guò)電感器流至輸出端連接的負(fù)載，為電容器C 1充電。
    當(dāng)變化的電流流過(guò)電感器線圈時(shí)，根據(jù)法拉第定律，它會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，該反電動(dòng)勢(shì)與電流流動(dòng)相反，直到達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在電感器周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)L 1。只要TR 1關(guān)閉，這種情況就會(huì)無(wú)限期地持續(xù)下去。
    當(dāng)晶體管TR 1通過(guò)控制電路“關(guān)閉”（開(kāi)關(guān)打開(kāi)）時(shí)，輸入電壓立即與發(fā)射極電路斷開(kāi)，導(dǎo)致電感器周?chē)拇艌?chǎng)崩潰，從而在電感器上產(chǎn)生反向電壓。
    該反向電壓導(dǎo)致二極管變得正向偏置，因此電感器磁場(chǎng)中存儲(chǔ)的能量迫使電流繼續(xù)以相同方向流過(guò)負(fù)載，并通過(guò)二極管返回。
    然后，電感器L 1將其存儲(chǔ)的能量返回到負(fù)載，充當(dāng)電源并提供電流，直到所有電感器的能量返回到電路或直到晶體管開(kāi)關(guān)再次閉合（以先到者為準(zhǔn)）。同時(shí)電容器也放電，為負(fù)載提供電流。電感器和電容器的組合形成了 LC 濾波器，可以消除晶體管開(kāi)關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的任何紋波。
    因此，當(dāng)晶體管固態(tài)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電流由電源提供，而當(dāng)晶體管開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，電流由電感器提供。請(qǐng)注意，流經(jīng)電感器的電流始終沿相同方向，直接來(lái)自電源或通過(guò)二極管，但顯然在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的不同時(shí)間。
    由于晶體管開(kāi)關(guān)連續(xù)閉合和打開(kāi)，因此平均輸出電壓值將與占空比D相關(guān)，D被定義為晶體管開(kāi)關(guān)在一個(gè)完整開(kāi)關(guān)周期期間的導(dǎo)通時(shí)間。

    如果V IN是電源電壓，并且晶體管開(kāi)關(guān)的“ON”和“OFF”時(shí)間定義為：t ON和t OFF，則輸出電壓V OUT為：

    降壓轉(zhuǎn)換器的占空比也可以定義為：

    降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器占空比
    因此，占空比越大，開(kāi)關(guān)電源的平均直流輸出電壓就越高。由此我們還可以看出，由于占空比D永遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到 1（單位） ，因此輸出電壓將始終低于輸入電壓，從而導(dǎo)致降壓穩(wěn)壓器。
    通過(guò)改變占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)，開(kāi)關(guān)速度高達(dá) 200kHz，可以使用更小的元件，從而大大減小開(kāi)關(guān)模式電源的尺寸和重量。
    降壓轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是電感電容 (LC) 布置可以提供非常好的電感電流濾波。理想情況下，降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)在連續(xù)開(kāi)關(guān)模式下運(yùn)行，以便電感器電流永遠(yuǎn)不會(huì)降至零。如果使用理想的組件，即“導(dǎo)通”狀態(tài)下的壓降和開(kāi)關(guān)損耗為零，理想的降壓轉(zhuǎn)換器的效率可高達(dá) 100%。
    除了用于開(kāi)關(guān)模式電源基本設(shè)計(jì)的降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器之外，基本開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器還有另一種操作方式，即升壓穩(wěn)壓器，稱(chēng)為升壓轉(zhuǎn)換器。