YDS系列开关稳压模块原理及应用

　　近几年来，有多种刊物的广告中出现了YDS系列开关稳压模块，但对于其内部电路、电气参数、具体使用等没有详细介绍，给使用者造成了极大的不便。笔者通过实用、解剖，整理出了本文，介绍给同行。相信读者通过阅读本文，会对该系列稳压模块有一个全面、深刻的认识，并能灵活地去运用它。

　　YDS系列开关稳压模块由日本尤塔卡电机株式会社生产，主要有YDSIR505(0.5A5V)、YDSIR512(0.5A12V)、YDS105(1A5V)、YDS112(1A12V)、YDS205(2A5V)、YDS212(2A12V)、YDS305(3ASV)、YDS312(3A12V)等品种。结构上由贴片元器件和少量集成电阻组合而成。电路走线制作在陶瓷基片上，陶瓷基片用导热胶粘接在铝散热片上，热阻很小，散热效果相当好，额定电流下运行时，无需外加散热片。

　　YDS系列开关稳压模块的特点是：①效率高，可达80%以上，大电流工作时具有线性三端稳压器无可比拟的优越性。②高电压调整率和负载调整率，低噪声。③外围元件少，使用方便。④体积小，价格低，可作为基本的元器件来使用。⑤额定电流下工作时，无需外加散热片。⑥带过流保护。⑦可以开路运行。

　　YDS系列开关稳压模块是典型的降压式PWM（脉冲宽度调制）DC-DC变换器。本文首先介绍一下典型的降压式变换器的工作原理，然后以YDS305为例详细分析YDS系列开关稳压模块的工作原理、电气参数、应用与维修等。

　　电路原理

　　1．典型降压式变换器的工作原理   上图是典型降压式变换器的电路原理及波形图。当PWM控制信号为高电平时，开关管T导通，电感L储能，并向负载供电。此时，电感L中的感应电压左正右负，续流二极管D截止。当PWM控制信号为低电平时，开关管T截止。此时，由于电感L中的感应电压反向，变为左负右正，使续流二极管D导通，电感L中的储能泄放给负载。当电感中的电流大于输出电流时，电容C充电储能，当电感中的电流小于输出电流时，电容C放电给负载。

　　主要计算公式：

　　式中：RL为负载电阻，Io为输出电流，Ts为开关周期，Ton为导通时间，Toff为截止时间，Dl为导通占空比，D2为截止占空比，各参量均采用国际单位制。

　　2．YDS305开关稳压模块电路原理

　　上图是YDS305开关稳压模块的内部结构及应用电路图，外形尺寸如下图所示。整个电路以脉冲宽度调制器TL494(MB3759)为核心构成，主要包括自激振荡、PWM驱动、稳压控制、限流控制、降压式变换器输出五部分。

　　①自激振荡电路：C6、R13与内部电路形成振荡，振荡频率

　　振荡周期Ts=1μs。TL494的脉冲输出方式控制端(13)脚接地，故PWM脉冲设置为单端或并联输出。

　　②PWM驱动电路：由Q2、Q3、Q4、Dl、D4、D5、C8、C9等元器件组成。TIA94调宽脉冲输出级两晶体管接成共射方式，PWM脉冲从两晶体管集电极⑧、(11)脚并联输出，经Q2、Q3组成的驱动电路放大，送降压式变换器输出级。由于降压式变换器的开关管采用增强型NMOSFET(2SK2018)，为保证NMOSFET充分导通，必须使VGS≥4V。但是当降压式变换器开关管Ql导通时，源极S的电位等于输入电压。因此，PWM驱动级的供电电源必须高于输入电压。为此要通过输入电压建立辅助电源。D1、D4、C8、C9等元件构成了10V辅助电源。其工作原理是：当开关管Ql截止（此时续流二极管D3导通）时，输入电压经二极管Dl给电容C8快速充电。C8充满电时两端电压就等于输入电压。该电压经Q4、D4组成的串联稳压电路得到10V辅助电源，与源极S的电位叠加后作为PWM驱动级的供电电源。这样就保证了开关管Ql的栅极G比源极S高10V，从而保证了NMOSFET充分导通。需要说明的一点是，虽然辅助电源是10、串联稳压电源，但当输入电压大于4V而小于10V时，此串联稳压电路起电压跟随作用，NMOSFET仍能导通。串联稳压电源设定10V输出的原因，是防止离输入电压时NMOSFET的G、S极击穿。

　　③降压式变换器输出电路：由NMOS场效应管Q1、续流二极管D3、储能电感Ll、滤波电容Cl0、泄放导引二极管D2等元件组成，它是典型的降压式变换器。当TIA94两晶体管集电极输出的PWM脉冲为低电平时，经Q2倒相放大变为高电平，由Q3射极输出器送到降压式变换器开关管Ql的栅极，开关管Ql导通，电感L充电储能，此时续流二极管D3截止。当TL494两晶体管集电极输出的PWM脉冲为高电平时，经Q2倒相放大变为低电平，由Q3射极输出器送到降压式变换器开关管Ql的栅极，开关管Ql截止。此时由于电感L中的感应电压变为左负右正，而使续流二极管D3导通，电感L中的储能泄放给负载。当电感中的电流1L大于输出电流Io时，电容Cl0充电储能，当电感中的电流iL小于输出电流Io时，电容Cl0放电给负载。D2是泄放导引二极管，用于泄放NMOS场效应管Ql的栅、源结电容电荷，加速Ql的关断过程，减小关断损耗。其工作原理是：当倒相放大管Q2的集电极为低电平时，泄放导引二极管D2导通，NMOS场效应管Ql的栅、源结电容电荷迅速放掉，开关管Ql迅速截止。

　　④稳压控制电路：由R1、R3、R9、R6、C5与TLA94内部的运放1组成。Rl、R3对TL494的5V基准电压进行分压，得到1.8V电压，送到运放1的反相端②脚作为误差比较基准电压。R9、R6对输出电压Vo进行分压，得到误差电压，送到运放l的同相端①脚。误差电压与基准电压进行比较，控制PWM脉冲的占空比，使输出电压保持不变。例如当输入电压升高而使Vo升高时，进行以下控制过程：Vo↑→V1↑→V3↑→占空比↓→Vo↓，从而保持Vo不变。C5用于加速稳压反应过程，防止瞬时过压。

　　⑤限流控制电路：由R7、R8、R2、R10、R16与TLA94内部的运放2组成。R16用于对输出电流进行取样，取样电压以差分方式送到运放2的反相端⑩脚和同相端⑩脚。例如当输出电流大于额定电流时，进行以下控制过程：V16>Vl5→V3↑→占空比↓→Vo↓→Io↓，从而保持Io限定在额定电流范围内。

　　YDS305开关稳压模块电气参数

　　由于没有资料介绍YDS系列开关稳压模块的电气参数，笔者通过对其实际电路的分析，确定YDS305电气参数如下：①输入电压：7~40V，该项参数由TLA94的工作电压范围限定。②输出电压调节范围：2～36V，该项参数由TLA94的最大输出占空比和运放l误差比较基准电压1.8V限定。③最大输出电流：3A，该项参数由开关管Ql、续流二极管D3、储能电感Ll、电流取样电阻R16的电流容量限定。④最大占空比：90%，该项参数由TLA94的最大输出占空比限定。⑤振荡频率：90kHz，该项参数由TL494的振荡电阻R13、振荡电容C6决定，而受Ll的最高工作频率限制。

　　应用

　　如图1，C11是输入滤波电容，C10是输出滤波电容，RW是输出电压调节电位器。需要特别注意的是，输入滤波电容Cll、输出滤波电容Cl0必须靠近YDS305开关稳压模块的①、②、③脚放置，否则会造成电路工作不稳定。原因是电路的工作频率很高，走线太长、电流较大时，干扰信号不能被彻底滤掉而窜入电路内部。另外，在输出电压一定的情况下，输入电压不要取得太高。否则，开关管导通占空比很小，开关管和续流二极管峰值电流很大，输出电流中纹波很大。

　　应用电路很简单，下面主要介绍如何修改电路参数而灵活运用。

　　1．改变输出电压

　　改变TIA94的②脚基准电压或①脚取样电压，可改变输出电压。升高②脚基准电压或降低①脚取样电压，可使输出电压升高；反之，则输比电压降低。

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