開(kāi)關(guān)DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器（“開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器”）與線性穩(wěn)壓器相比具有一些關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。其中最主要的是效率和靈活性;開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可以輕松升壓（升壓），降壓（降壓）和反轉(zhuǎn)電壓。當(dāng)代模塊化芯片結(jié)構(gòu)緊湊，可靠，可從多個(gè)供應(yīng)商處獲得。但是，這種靈活性需要付出代價(jià)。復(fù)雜性增加。對(duì)于熟悉線性穩(wěn)壓器優(yōu)雅的工程師來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)一個(gè)基于開(kāi)關(guān)設(shè)備的電源可能有點(diǎn)令人生畏。克服挑戰(zhàn)的關(guān)鍵是了解黑色芯片內(nèi)部的情況。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器工作的最基本原則是通過(guò)金屬氧化物的高頻開(kāi)關(guān)獲得電壓調(diào)節(jié)半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET），由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制，將其能量饋送到電感器。然后，電感器充當(dāng)儲(chǔ)能器，在MOSFET“關(guān)閉”期間提供電流。

晶體管開(kāi)關(guān)是一種調(diào)節(jié)電壓的巧妙方法，可使開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的效率達(dá)到80％至95％甚至更高。缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)會(huì)增加電壓輸出的噪聲（紋波），并導(dǎo)致設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)大部分復(fù)雜性，因?yàn)樗鼤?huì)引入電磁干擾（EMI）問(wèn)題。

只是為了讓事情變得更具挑戰(zhàn)性，許多現(xiàn)代應(yīng)用需要大量的輸出負(fù)載。在低負(fù)載時(shí)，MOSFET“關(guān)斷”期間的電感電流可降至零，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器進(jìn)入“非連續(xù)模式”，這可能導(dǎo)致意外的電路工作。

本文解釋了正常（“連續(xù)”）之間的區(qū)別操作和不連續(xù)模式，突出了開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器在不連續(xù)操作期間的行為的獨(dú)特方面。然后，本文將解釋電感的選擇如何影響非連續(xù)模式的開(kāi)始以及制造商如何調(diào)整其芯片以利用不連續(xù)操作。

降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器操作

圖1顯示了基本的降壓開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器電路用MOSFET表示開(kāi)關(guān)。圖2顯示了該開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的波形（假設(shè)電路由“理想”元件組裝而成）。

圖1：基本降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器電路。 （由Analog Devices提供）

在下面的分析中，假設(shè)該值輸出電容器（“C”）的輸出電壓在開(kāi)關(guān)“ON”和“OFF”時(shí)間內(nèi)變化不大。在MOSFET的“導(dǎo)通”周期（由PWM脈沖序列確定）期間，在電感兩端感應(yīng)出等于VIN - VOUT的電壓，電感電流以等于（VIN - VOUT）/L的斜率上升。當(dāng)開(kāi)關(guān)變?yōu)椤癘FF”時(shí)，電流流過(guò)電感并進(jìn)入負(fù)載（注意電感中的電流不能瞬間改變），二極管提供返回電流路徑。電感上感應(yīng)的電壓現(xiàn)在等于VOUT，但極性現(xiàn)在已經(jīng)反轉(zhuǎn)。

電感中的電流隨著斜率等于-VOUT/L而減小。請(qǐng)注意，電感電流始終等于降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電流。在這種工作模式下，電感電流永遠(yuǎn)不會(huì)降至零，因此電路始終工作在連續(xù)模式，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的電壓輸出可以從輸入到輸出的經(jīng)典方程計(jì)算：

許多現(xiàn)代應(yīng)用的負(fù)載變化很大。在低負(fù)載時(shí)，存在閾值，其中電感器電流最終達(dá)到零并且開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器進(jìn)入不連續(xù)操作。圖1所示為非連續(xù)工作期間圖1所示開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的波形。

圖3：圖1所示的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器在非連續(xù)工作期間的波形。 （由Analog Devices提供）

在MOSFET“導(dǎo)通”周期期間，電路的工作不變，電感電流很快就會(huì)上升。然而，在MOSFET“關(guān)閉”時(shí)間期間，存在兩個(gè)獨(dú)特行為區(qū)域。最初，電感電流的下降與連續(xù)模式下的電壓一樣，但由于輸出電流最初相對(duì)較低（由于低負(fù)載），因此電感電流很快降至零。由于MOSFET處于“關(guān)閉”狀態(tài)，因此沒(méi)有通過(guò)二極管的傳導(dǎo)路徑。因此，電感輸入側(cè)的電壓（與MOSFET和二極管的結(jié)點(diǎn)相同）會(huì)跳至VOUT，導(dǎo)致繞組上的零電壓保持零電流。

此時(shí)電路可以展示可能需要設(shè)計(jì)師干預(yù)的獨(dú)特行為。特別是，由于MOSFET和二極管的結(jié)點(diǎn)處的阻抗很高，因?yàn)殡姼衅饔捎陔s散二極管和開(kāi)關(guān)電容而諧振，所以會(huì)發(fā)生振鈴（不希望的持續(xù)和瞬態(tài)振蕩）。工程師應(yīng)該檢查振鈴是否產(chǎn)生不可接受的EMI水平，如果是這樣，用一個(gè)合適的RC“緩沖器”來(lái)抑制振鈴，但代價(jià)是額外的功耗，從而略微降低效率。

有可能計(jì)算出點(diǎn)開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器將進(jìn)入不連續(xù)模式。圖4顯示了MOSFET開(kāi)關(guān)“導(dǎo)通”的精確時(shí)刻電感電流達(dá)到零。

圖4：開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器電感電流在切換精確時(shí)刻達(dá)到零的波形。 （由Analog Devices提供）

通過(guò)對(duì)該波形的分析，可以看出，如果出現(xiàn)以下情況，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器將進(jìn)入非連續(xù)模式：

其中f是開(kāi)關(guān)頻率。

升壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器操作

升壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的不連續(xù)操作類(lèi)似于降壓器件，但進(jìn)入該模式的標(biāo)準(zhǔn)不同。圖5顯示了典型升壓轉(zhuǎn)換器的電路，圖圖6示出了合成波形

圖5：基本升壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器電路。 （由Analog Devices提供）

圖6：圖5所示開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的波形。（由Analog Devices提供）

在這種情況下，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的輸出可以從公式計(jì)算：

與降壓器件一樣，在低負(fù)載情況下，升壓調(diào)節(jié)器的電感電流可能會(huì)降至零，并且器件可能會(huì)進(jìn)入不連續(xù)狀態(tài)模式。同樣，振鈴發(fā)生是因?yàn)殡姼衅饔捎陔s散二極管和開(kāi)關(guān)電容而諧振，并且可能需要緩沖電路。但是，在這種情況下，進(jìn)入不連續(xù)模式的閾值是：

防止不連續(xù)模式

許多芯片供應(yīng)商都提供集成開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，將開(kāi)關(guān)元件，二極管和PWM控制器集成到一個(gè)器件中。然而，通常，電路設(shè)計(jì)者選擇輸入和輸出電容器以及電感器。供應(yīng)商應(yīng)用筆記中有大量關(guān)于如何選擇這些元件的信息，這些信息表明電感的選擇在很大程度上取決于電感電流和開(kāi)關(guān)頻率的所需峰峰值。 （參見(jiàn)TechZone文章“電感器在完成基于功率模塊的解決方案中的作用”）。

對(duì)于給定的工作頻率，較大的電感會(huì)降低峰峰值電流（因?yàn)殡娏魃仙拖陆担┻@種繞組比較淺。這意味著如果設(shè)計(jì)人員預(yù)計(jì)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器將花費(fèi)大部分時(shí)間處于低功耗模式，那么仔細(xì)選擇電感將確保器件不會(huì)進(jìn)入非連續(xù)模式。在過(guò)去的日子里，這是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)橐恍╅_(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器無(wú)法在非連續(xù)模式下工作，雖然其他人可以應(yīng)對(duì)它，但在連續(xù)模式下性能通常更好。此外，在連續(xù)模式下的操作允許從給定的輸入電壓和開(kāi)關(guān)電流額定值中提取最大輸出功率。1但是，這種方法也有一些主要的權(quán)衡：更大的電感增加了電路區(qū)域，更昂貴，并可能降低穩(wěn)壓器的效率。

如今，芯片供應(yīng)商已經(jīng)解決了工程師的困境，許多現(xiàn)代電源模塊完全擅長(zhǎng)以非連續(xù)模式運(yùn)行，幾乎不會(huì)影響整體性能或產(chǎn)品壽命。這種能力使設(shè)計(jì)人員能夠利用更小的電感，即使他的產(chǎn)品注定要在低負(fù)載狀態(tài)下花費(fèi)大量時(shí)間。

暫停操作

現(xiàn)代開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器允許工程師相對(duì)較小在非連續(xù)模式下操作他或她的電源的放松觀點(diǎn) - 提供他們處理可能出現(xiàn)的任何EMI問(wèn)題。但是，工程師應(yīng)該意識(shí)到開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的效率在低負(fù)載時(shí)會(huì)明顯減少。對(duì)于經(jīng)常在“待機(jī)”或“睡眠”模式下長(zhǎng)時(shí)間使用的電池供電設(shè)備，低效操作可能導(dǎo)致電池壽命比預(yù)期更短。

這種低效率的主要原因是在開(kāi)關(guān)操作期間MOSFET的損耗。在正常負(fù)載下，這種損失是微不足道的，但在低負(fù)載時(shí)它開(kāi)始占主導(dǎo)地位。硅供應(yīng)商采用的常見(jiàn)技術(shù)是克服低負(fù)載時(shí)的低效率，即讓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器進(jìn)入非連續(xù)模式，然后暫停開(kāi)關(guān)。然后，當(dāng)輸出電壓降至調(diào)節(jié)閾值以下時(shí)，啟動(dòng)新的循環(huán)。請(qǐng)注意，在此模式下工作時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率不再固定 - 而是與負(fù)載電流成正比 - 因此可能會(huì)產(chǎn)生一些額外的EMI挑戰(zhàn)（請(qǐng)參閱TechZone文章“限制開(kāi)關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器低效率的技術(shù)”）低負(fù)載“）。

Maxim的MAX8632降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，針對(duì)便攜式計(jì)算機(jī)應(yīng)用，采用這種”脈沖跳躍“技術(shù)。該芯片可在2至28 V電源下提供0.7至5.5 V輸出，最高15 A。當(dāng)在低負(fù)載下工作時(shí)，芯片中的比較器檢測(cè)到通過(guò)電感的電流何時(shí)反轉(zhuǎn)并打開(kāi)開(kāi)關(guān)，允許MOSFET的體二極管阻止反向電流，從而器件進(jìn)入非連續(xù)模式。當(dāng)輸出電壓下降得太低時(shí)，開(kāi)關(guān)重新啟動(dòng)。

ADI公司的ADP2503采用了類(lèi)似的技術(shù)，該公司稱(chēng)之為“省電模式”（PSM）。在此模式下，當(dāng)負(fù)載電流標(biāo)稱(chēng)值降至75 mA以下（VIN = 3.6 V）時(shí)，控制器上拉VOUT，然后停止開(kāi)關(guān)狀態(tài)，直到VOUT恢復(fù)為重啟值。然后再次上拉VOUT以進(jìn)行新的循環(huán)。當(dāng)負(fù)載上升到150 mA以上時(shí)，器件將恢復(fù)為固定PWM模式。 ADP2503在2.3至5.5 V的輸入范圍內(nèi)提供2.8至5.5 V的輸出電壓。輸出電流高達(dá)600 mA（圖7）。

圖7：低電平負(fù)載，ADI公司的ADP2503進(jìn)入省電模式以提高效率。

就其本身而言，德州儀器（TI）提供一系列具有脈沖跳躍功能的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。一個(gè)典型的例子是TPS63036高效率（高達(dá)94％）降壓/升壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。這是一款微芯片級(jí)封裝（CSP）穩(wěn)壓器，工作輸入電壓為1.8至5.5 V，輸出電壓為1.2至5.5 V.輸出電流高達(dá)800 mA。

TPS63036進(jìn)入PSM時(shí)平均電感電流下降低于約100 mA。當(dāng)器件進(jìn)入PSM時(shí)，它會(huì)停止開(kāi)關(guān)直到輸出電壓達(dá)到閾值 - 此時(shí)調(diào)節(jié)器再次使輸出電壓上升，通過(guò)使用高于當(dāng)前負(fù)載條件所需的編程平均電感電流開(kāi)始操作。當(dāng)電感電流上升到100 mA以上時(shí)，穩(wěn)壓器恢復(fù)正常PWM工作。

謹(jǐn)慎選擇

許多現(xiàn)代開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可以輕松處理非連續(xù)工作模式，多家制造商通過(guò)暫停低開(kāi)關(guān)操作來(lái)積極應(yīng)用該技術(shù)負(fù)載以提高效率。盡管如此，如果工程師想要避免不連續(xù)模式和脈沖跳躍操作的潛在EMI影響，可以通過(guò)明智地選擇穩(wěn)壓器的電感來(lái)限制電感電流的峰峰值紋波，從而實(shí)現(xiàn)功率電源永遠(yuǎn)不會(huì)進(jìn)入非連續(xù)模式。另一種選擇是仔細(xì)考慮開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的工作范圍，并將其與精確滿足該范圍的器件相匹配。工程師可能會(huì)“過(guò)度指定”開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，從而在高功率端提供過(guò)大的安全裕度。這通常意味著器件以比更適中的器件更高的功率進(jìn)入不連續(xù)模式，但仍然能夠完成這項(xiàng)工作（。

如果最終產(chǎn)品始終以低電流工作，那么值得考慮的最終解決方案是開(kāi)關(guān)電容器或“電荷泵”器件。這是一個(gè)電壓調(diào)節(jié)器，它使用電容器代替電感器作為儲(chǔ)能元件，因此避免了不連續(xù)的操作。