在通常的DC／DC电压变换电路中，仅用电容和直流电子开关实现直流电源电压的变换，这种电路既能对输入电压进行升压变换也能对输入电压进行降压变换。和其它直流稳压电源相比，电容加电子开关式直流电源变换器的体积更小、成本更低、工作频率更高。考虑到使用集成电子开关来切换电路，因此，在一般情况下，电源的工作电流较小，而输出电压在额定的电流范围内仍较稳定，因而引起用户关注。

　　2　超小型直流电源电压变换电路　　

　　超小型直流电源电压变换器的简化模型如图1所示，Vi为输入直流电压，C1为储能电容，C2为滤波电容，在正常工作时，应满足C2＞＞C1，RL为电源负载，K为转换开关。电源开始工作后，开关K以某一固定频率f在“1”和“2”两点之间切换，从而实现将输入端直流电源的能量传递到输出端。



　　2．1　电路的稳态分析　　

　　当开关K打到“1”时，输入电源Vi对C1充电，考虑到电源内阻及电子开关K的接触电阻都很小，因此充电速度很快，在很短的时间内就有Vc1＝Vi，在充电过程中，根据公式

　　电容C1上的电荷量变化是

　　Vc1（0－）为进入稳态后，开关从“2”点切换到“1”点前瞬间的电压，近似等于输出电压Vo，因此有

　　ΔQ是在一个工作周期的充电阶段中，电容内所存入的电荷量，从电路充放电荷平衡的角度考虑，输出电流的平均值Io应为

　　另外又有

　　所以有输入、输出电压之间的关系如下：


　　2．2　超小升、降压型直流电源变换　　

　　仅用一只电容器进行充放电只能实现DC／DC的降压转换，对图1的电路进行改进，改进后的电路如图2所示，图2所示的电路就能进行升、降压变换。工作在反相状态，K1闭合时，K2断开，K1断开时，K2闭合，压控开关的控制端输入高电平时开关闭合，输入低电平时，开关断开。K1、K2均为四触点开关，四个触点能同时打开和闭合，K1的四个触点闭合时，K2的四个触点同时断开，电容C1、C2并联充电，K1的四个触点断开时，K2的四个触点同时闭合，C1、C2串联放电，因此，电源的输出电压值提高了，仿照2．1节的推导过程可得图2所示电源的输入、输出电压关系如式 （7）所示。

　　如果需要更高的输出电压可以使用更多的电容进行串并联。

　　3　超小型直流电源电压变换电路仿真　　

　　对超小型直流电源电压变换器的典型电路进行仿真校验，以了解电路的动态性能，仿真电路如图3所示，输入电压Vi，电源开关频率为f，输出电压VO，仿真分以下几个项目进行。

　　3．1　输入电压变化对输出电压的影响

　　设定图3仿真电路参数如下： C1＝0．1μF、C2＝10μF、RL＝100Ω　　电源工作频率f分别设定为200kHz，400kHz，600kHz。仿真后得输入、输出间的电压关系如图4所示，和用公式（6）进行计算的结果基本一致。输出、输入间的电压关系为V0＝kVi，近似线性关系。

　　3．2　工作频率变化时对输出电压的影响　　设仿真电路及电路元件参数同上，输入电压值为10V、12V、14V，改变开关电源开关频率，得输出电压和开关频率之间的关系如图5所示。仿真结果和按公式（6）计算得出的结果一致，当输入电压发生变化，而要求保持输出电压不变时，可通过改变开关频率实现。这为后面的稳压电源设计提供了依据。




　　3．3　电源的输出电压波形　　

　　仿真得到的电源输出波形如图7所示，输出电压的建立过程为电压单调上升过程，电源Vi通过电容C1不断地对C2进行充电，使输出电压上升到正常值，在正常使用时应有C1＜＜C2的关系，C1值较小可限制充电时流过电子开关的电荷量。


　　4　超小型DC／DC稳压电源的设计实例　　

　　下面给出一个用MAX682构成的稳压电路实例。如图8所示。当输入电压在2．7V～5．5V范围内变化时，能保证输出电压维持在5V，最大的输出电流能达到250mA。此外，电路还具有以下特点：电路中只需要一个外接电阻REXT，三个外接电容Cx、Cin、Cout，且MAX682是一个8引脚的超小型集成电路；Cin、Cout和Cx的容量都很小分别为0．47μF、1μF和0．1μF，电阻REXT的值可取为150K。电源的开关频率最高可达2MHz。


　　5　结束语　

　　电容加电子开关构成的超小型直流电压变换电源，能实现直流电源电压的升压、降压功能，使用现有的集成电路，还能方便地构成稳压电源。电路具有体积小，电压稳定范围大，性能好等优点。特别适用于小型的、用电池供电的设备，例如，用于单片锂电池驱动白色背光LED的电路中，以及用于闪速存储器中。


作者：南京师范大学电子与电气工程学院（南京210042）孙频东　郭怡倩