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[摘要]线性稳压电源和开关稳压电源各有其优缺点，文中结合两种电源的优点提出一种新的方案，使变换器主开关管能在线性工作状态和开关工作状态间自动转换以适应不同输出电压情况。试验表明该方案很好地克服了开关电源在输出低电压时精度不高、纹波较大的缺点。
[关键词]线性；纹波；DC/DC
1、引言
高频开关电源自问世以来便以其高效节能、高功率密度、重量轻且体积小等优点，迅速取代线性稳压电源成为直流稳压电源的首选。但是相比线性稳压电源，开关电源也有其不足之处。开关型稳压电源的调整管交替工作在截止状态和饱和状态，即开关状态。在PWM工作方式下，通过改变调整管的导通时间(占空比)达到稳压的目的。由于占空比的调节精度较低使得开关电源的稳压精度低于线性电源；此外，在占空比较小的时候，电源输出电压纹波增大。线性稳压电源由于效率低、体积大等缺点在很多场合已被开关电源取代，但线性电源调整管工作在线性状态，通过调节调整管的压降来达到稳压的目的，在稳压精度和低电压输出方面它较开关电源优越。本文结合开关电源和线性电源的优点，给出了一种输出电压可以从零到额定电压调节，且在低输出电压时电压纹波及稳压精度明显改进的电源。
本文所提出的电源设计基于传统BUCK变换电路，对其控制方法进行改进，使变换器主开关管能根据输出电压的大小来自动切换工作状态，即主开关管可工作于开关状态或线性状态，从而使这种电源融合了开关电源和线性电源的优点。试验表明，该变换器能够实现输出电压从零到额定电压的连续调节，且在输出电压较小时的电压纹波及稳压精度明显好于普通BUCK变换器电源。
2、变换器主电路拓扑
图1所示为普通BUCK变换电路，电路中开关管M导通时，输入电源通过M向电感和电容储存能量，同时向负载供电；当开关管M断开时，由电感和电容向负载供电，保证负载电流连续。此电路在占空比较小即M断开时间较长时，需要较大的电感和电容才能保证输出电压纹波维持在较小的水平，也就是说，该电路在输出低电压时电压纹波增加。
本文提出的改进方案控制思路是：在输出电压较低时，通过降低开关管驱动脉冲的幅值，从而使开关管工作在非饱和状态，即由开关状态转为线性放大状态，此时BUCK变换电路转变为一个串联调整管线性稳压器。
图2为变换器主电路拓扑， 电路为BUCK变换电路。图中Vf为输出电压反馈信号，由于输出电压和输入电压不共地，电路中通过采用光耦取得电压反馈信号，If过流检测信号。
电路中采用MOSFET作为主开关管，型号为IRF530。图3为开关管IRF530的转移特性曲线，从曲线可以看出，在门极电压低于5V时开关管具有较好的线性度，可利用其此特性，使变换电路工作在线性状态。
3、控制电路
图4为控制电路，采用UC3842作为PWM控制芯片，与传统BUCK控制电路比较，增加了由运放IC2A组成的电路，增加电路实现了在电源输出较低电压时降低PWM驱动脉冲幅值使主开关工作在线性工作状态的目的。电路中开关SWl的设置是为了实验方便。
3.1开关工作状态模式
当开关SW1断开时，电路就是普通的BUCK变换电路。当电源输出电压改变时，反馈电压Vf随之改变，通过UC3842的调节，改变PWM脉冲的占空比，使输出电压保持稳定。
3.2线性工作状态模式
当开关SW1闭合，变换电路中主开关可工作在开关状态或线性放大状态。
电源输出电压较高时，反馈电压Vf高于运放IC2A输入参考电压，IC2A输出低电平，QI截止，此时运放部分电路对主电路工作无影响，MI工作在开关状态。
电源输出电压较低时，反馈电压Vf低于运放IC2A输入的参考电压，IC2A输出高电平，Q1导通。Q1导通程度由反馈电压Vf的大小决定，Vf越小则运放输出电平越高，Q1导通程度越大，所以此时Q1相当于一个可变电阻。UC3842输出的PWM脉冲通过由R12和Q1组成的分压电路分压，使输出PWM脉冲幅值减小，开关管M1退出饱和，工作在线性状态。由于M1线性工作状态时，开关管M1压降增大，电源输出电压将降低。为了维持输出电压稳定，调节开关管M1导通时间，使PWM输出脉冲的占空比增加。
所以，电源输出电压较低时，主开关管M1工作在线性状态，使输出PWM脉冲幅值减小，占空比维持在一个比较大的水平，从而改善输出电压的纹波。当占空比为100％时，电路就等效于普通的串联线性电源。
4、实验结果及分析
基于上述分析，搭建了试验电路，进行了变换器普通工作方式和本文所提出的工作方式下的对比试验。实验电路如图4，其中R12=1kΩ、R14=20Ω。
断开开关SW1，电路为普通的BUCK变换电路。在输入电压为18V，输出为2.4V，负载电阻为20Ω时，PWM输出脉冲波形如图5a所示，此时PWM脉冲宽度为2μs，幅值为18V；图5b为输出电压纹波，其峰峰值约为220mV。
闭合SW1，电路工作在本文提出的工作方式。同等条件下再进行上述试验，图6a、b分别为开关线性工作状态下PWM脉冲波形和输出电压纹波。从图中可以看出，PWM脉冲宽度由2μs增加至15μs，占空比增大，而其脉冲幅值由之前的18V降至3.8V，PWM脉冲幅值降低，M1工作在线性状态；输出电压纹波峰峰值由原来的220mY降为80mV，说明电源在输出电压较低时，纹波减小。
试验结果标明：所提出的控制方法，在电源输出电压较低时，开关管由开关工作状态自动切换至线性工作状态，减小PWM输出波形的幅值，增大脉冲宽度，从而减小了电源低压输出时的电压纹波。由此可见，本方案完全实现了预期目的，对电源输出电压质量的改善效果非常明显。
5、结论
本文分析了线性稳压电源和开关稳压电源各具有的优缺点，针对开关稳压电源在输出电压较低时，占空比减小，使得输出电压纹波增大的缺点，借鉴线性稳压电源稳压精度高、低输出电压时纹波小的优点，提出了一种融合开关电源和线性电源优点的控制方案。该控制方案使电路主开关管在输出电压高时工作在开关状态，输出电压低时工作在线性状态，有效提高了稳压电源性能，通过试验验证了该方案的有效性和可行性。
[关键词]线性；纹波；DC/DC
1、引言
高频开关电源自问世以来便以其高效节能、高功率密度、重量轻且体积小等优点，迅速取代线性稳压电源成为直流稳压电源的首选。但是相比线性稳压电源，开关电源也有其不足之处。开关型稳压电源的调整管交替工作在截止状态和饱和状态，即开关状态。在PWM工作方式下，通过改变调整管的导通时间(占空比)达到稳压的目的。由于占空比的调节精度较低使得开关电源的稳压精度低于线性电源；此外，在占空比较小的时候，电源输出电压纹波增大。线性稳压电源由于效率低、体积大等缺点在很多场合已被开关电源取代，但线性电源调整管工作在线性状态，通过调节调整管的压降来达到稳压的目的，在稳压精度和低电压输出方面它较开关电源优越。本文结合开关电源和线性电源的优点，给出了一种输出电压可以从零到额定电压调节，且在低输出电压时电压纹波及稳压精度明显改进的电源。
本文所提出的电源设计基于传统BUCK变换电路，对其控制方法进行改进，使变换器主开关管能根据输出电压的大小来自动切换工作状态，即主开关管可工作于开关状态或线性状态，从而使这种电源融合了开关电源和线性电源的优点。试验表明，该变换器能够实现输出电压从零到额定电压的连续调节，且在输出电压较小时的电压纹波及稳压精度明显好于普通BUCK变换器电源。
2、变换器主电路拓扑
图1所示为普通BUCK变换电路，电路中开关管M导通时，输入电源通过M向电感和电容储存能量，同时向负载供电；当开关管M断开时，由电感和电容向负载供电，保证负载电流连续。此电路在占空比较小即M断开时间较长时，需要较大的电感和电容才能保证输出电压纹波维持在较小的水平，也就是说，该电路在输出低电压时电压纹波增加。
本文提出的改进方案控制思路是：在输出电压较低时，通过降低开关管驱动脉冲的幅值，从而使开关管工作在非饱和状态，即由开关状态转为线性放大状态，此时BUCK变换电路转变为一个串联调整管线性稳压器。
图2为变换器主电路拓扑， 电路为BUCK变换电路。图中Vf为输出电压反馈信号，由于输出电压和输入电压不共地，电路中通过采用光耦取得电压反馈信号，If过流检测信号。
电路中采用MOSFET作为主开关管，型号为IRF530。图3为开关管IRF530的转移特性曲线，从曲线可以看出，在门极电压低于5V时开关管具有较好的线性度，可利用其此特性，使变换电路工作在线性状态。
3、控制电路
图4为控制电路，采用UC3842作为PWM控制芯片，与传统BUCK控制电路比较，增加了由运放IC2A组成的电路，增加电路实现了在电源输出较低电压时降低PWM驱动脉冲幅值使主开关工作在线性工作状态的目的。电路中开关SWl的设置是为了实验方便。
3.1开关工作状态模式
当开关SW1断开时，电路就是普通的BUCK变换电路。当电源输出电压改变时，反馈电压Vf随之改变，通过UC3842的调节，改变PWM脉冲的占空比，使输出电压保持稳定。
3.2线性工作状态模式
当开关SW1闭合，变换电路中主开关可工作在开关状态或线性放大状态。
电源输出电压较高时，反馈电压Vf高于运放IC2A输入参考电压，IC2A输出低电平，QI截止，此时运放部分电路对主电路工作无影响，MI工作在开关状态。
电源输出电压较低时，反馈电压Vf低于运放IC2A输入的参考电压，IC2A输出高电平，Q1导通。Q1导通程度由反馈电压Vf的大小决定，Vf越小则运放输出电平越高，Q1导通程度越大，所以此时Q1相当于一个可变电阻。UC3842输出的PWM脉冲通过由R12和Q1组成的分压电路分压，使输出PWM脉冲幅值减小，开关管M1退出饱和，工作在线性状态。由于M1线性工作状态时，开关管M1压降增大，电源输出电压将降低。为了维持输出电压稳定，调节开关管M1导通时间，使PWM输出脉冲的占空比增加。
所以，电源输出电压较低时，主开关管M1工作在线性状态，使输出PWM脉冲幅值减小，占空比维持在一个比较大的水平，从而改善输出电压的纹波。当占空比为100％时，电路就等效于普通的串联线性电源。
4、实验结果及分析
基于上述分析，搭建了试验电路，进行了变换器普通工作方式和本文所提出的工作方式下的对比试验。实验电路如图4，其中R12=1kΩ、R14=20Ω。
断开开关SW1，电路为普通的BUCK变换电路。在输入电压为18V，输出为2.4V，负载电阻为20Ω时，PWM输出脉冲波形如图5a所示，此时PWM脉冲宽度为2μs，幅值为18V；图5b为输出电压纹波，其峰峰值约为220mV。
闭合SW1，电路工作在本文提出的工作方式。同等条件下再进行上述试验，图6a、b分别为开关线性工作状态下PWM脉冲波形和输出电压纹波。从图中可以看出，PWM脉冲宽度由2μs增加至15μs，占空比增大，而其脉冲幅值由之前的18V降至3.8V，PWM脉冲幅值降低，M1工作在线性状态；输出电压纹波峰峰值由原来的220mY降为80mV，说明电源在输出电压较低时，纹波减小。
试验结果标明：所提出的控制方法，在电源输出电压较低时，开关管由开关工作状态自动切换至线性工作状态，减小PWM输出波形的幅值，增大脉冲宽度，从而减小了电源低压输出时的电压纹波。由此可见，本方案完全实现了预期目的，对电源输出电压质量的改善效果非常明显。
5、结论
本文分析了线性稳压电源和开关稳压电源各具有的优缺点，针对开关稳压电源在输出电压较低时，占空比减小，使得输出电压纹波增大的缺点，借鉴线性稳压电源稳压精度高、低输出电压时纹波小的优点，提出了一种融合开关电源和线性电源优点的控制方案。该控制方案使电路主开关管在输出电压高时工作在开关状态，输出电压低时工作在线性状态，有效提高了稳压电源性能，通过试验验证了该方案的有效性和可行性。