開關電源基礎知識

本文取自TI的培訓電子書籍《開關電源基礎知識》，僅供學習交流，並作為筆記使用。

1.1 開關電源的類型

1.1.1 線性穩壓

所謂線性穩壓器，也就是我們俗話說的LDO，一般有這么兩種特點：

• 傳輸元件工作在線性區，它沒有開關的跳變；
• 僅限於降壓轉換，很少會看到升壓的應用。

1.1.2 開關穩壓器

• 傳輸器件開關(場效應管)，在每個周期完全接通和完全切斷的狀態；
• 里面至少包括一個電能儲能的元件，如：電感器或者電容器；
• 多種拓撲（降壓、升壓、降壓-升壓等）

1.1.3 充電泵，一般在一些小電流的應用

• 傳輸器件開關(如：場效應管、三極管)，有些完全導通，而有些則工作在線性區；
• 在電能轉換或者儲能的過程中，僅限使用了電容器，如一些倍壓電路。

答疑：有些情況為什么要使用開關穩壓器？為什么不用LDO 和充電泵？

我們知道，所有的能量都不會憑空消失，損耗的能量最終會以熱的形式傳遞出去，這樣，工程師在設計中就會產生很大的挑戰，比如說，損耗最終以熱的形式傳遞，那么電路中就需要增加更大的散熱片，結果電源的體積就變大了，而且整機的效率也很低。如果在開關模式的開關電源，不僅可以提高效率，還可以降低了熱管理的設計難度。

我們可以舉一個例子來對比線性電源和開關電源的效率和體積：

1.1.4 下圖為線性電源和開關電源體積的比較

上圖紅色標注地方分別是一個2.5W的LDO 和一個6W 的開關電源，兩者功率相差2.4倍，但開關電源的面積僅是LDO 的1/4 不到，也就是說開關電源的損耗大大減少了，能夠承受更高的熱阻，減少散熱的面積。再次強調一遍，如果說輸入與輸出之間壓差較低的情況下，可以使用LDO，但壓差較大的情況下，建議使用開關電源。當然，開關電源也有它的劣勢，它的輸出會有噪聲、振鈴、跳變，而LDO 則不會。某些場合的負載對電源的電壓是很敏感的話，可以在開關電源后面再加一級LDO。例如我們要把5V 轉為1.2V ， 如果直接有LDO 的話，效率可能只有20%，但我們可以把5V 用開關電源變為1.5V，再用LDO 把1.5V 轉為1.2V，這樣，效率就會高，是一個比較優化的設計。

1.1.5 總結：開關電源VS 線性穩壓器

（1）開關電源

① 能夠提升電壓（升壓）

② 以及使電壓減低（降壓）甚至反相

③ 具有較高的效率和功率密度

（2）線性穩壓器

① 只能實現降壓

② 輸出電壓相對更穩定

1.2 什么是開關穩壓器？

開關穩壓器，英文(regulatior)，有人叫它調節器、穩壓源。實現穩壓，就是需要控制系統(負反饋)，從自動控制理論中我們知道，當電壓上升的時候通過負反饋把它降低，當電壓下降的時候就把它升上去，這樣形成了一個控制的環路。如圖中的方框圖是PWM(脈寬控制方式)，當然還有其他如：PFM(頻率控制方式)、移相控制方式等。

1.3 脈寬調試方式(PWM)

1.3.1 周期性的改變開關的導通與關斷時間的簡單方法

占空比：開通的時間Ton 與開關周期T 的比值，ton(開通時間) + toff(關斷時間) = T(開關周期)，占空比D=ton / T。但是，我們不能采用一個脈沖輸出！需要一種實現能量流動平穩化的方法。通過很多的脈沖，高頻地切換，將在開關接通期間存儲能量而在開關切斷時提供此能量的手段，從而實現平穩的電壓。

1.3.2 在電子行業中有兩種主要儲能器件

1.4 實例：簡化的降壓開關電源

如圖是一個簡化的降壓的開關電源，為了方便電路的分析，先不加入反饋控制部分。

狀態一：當S1 閉合時，輸入的能量從電容C1，通過S1→電感器L1→電容器C2→負載RL供電，此時電感器L1 同時也在儲存能量，可以得到加在L1 上的電壓為：Vin-Vo=L*di/dton。

狀態二：當S2 關斷時，能量不再是從輸入端獲得，而是通過續流回路，從電感器L1 存儲的能量→電容C2→負載RL→二極管D1，此時可得式子：L*di/dtoff= Vo，最后我們可以得出Vo/Vin=D，而Vo 永遠是小於Vin 的，因為占空比D≤1。

各個器件的作用：

1、輸入電容器(C1) 用於使輸入電壓平穩；

2、輸出電容器(C2) 負責使輸出電壓平穩；

3、箝位二極管(D1) 在開關開路時為電感器提供一條電流通路；

4、電感器(L1) 用於存儲即將傳送至負載的能量。

1.5 開關電源的類型（非隔離式）

1.6 降壓轉換器（降壓型開關穩壓器）的工作模型

開關電源是一個閉環的控制系統，我們可以把開關電源的電流比喻為水流，輸入電容就是一個高的蓄水池、輸出電容是一個小的蓄水池，把一小杯一小杯的水從大水池傳送到小水池，通過控制傳送的間隔時間和水杯的水量從而實現小水池固定的水量，當輸出的水量低了，就增加杯子的水量，當輸出的水量高了，就減少杯子的水量。

1.7 降壓轉換器基礎（電流和電壓波形）

當開關開通的時候，能量從輸入向輸出傳遞，電流是斜線上升的，好比模型里杯子的水往小水池傳送；當小水池的水偏高了，開關就關斷，這時電感、負載、二極管形成自然的續流回路，電流開始線性減少；當小水池的水低到一定程度后，重新開始開通開關；通過這樣高頻率的開通和關斷，就形成一個穩定的輸出電壓。

1.8 降壓轉換器拓撲

上圖就是一個電路結構，我們可以通過兩個電阻的分壓采樣輸出的電壓，再經過一個比較器和基准比較，如果輸出小於基准，MOS 管就開通；如果輸出大於基准，就關斷MOS管。

下圖是用LM22670 芯片做的電路示例，這就是一個典型的非同步降壓轉換器，因為他下管是用了一個快恢復或者肖特基二極管。為什么要用肖特基呢？因二極管的寄生參數和漏感會導致在MOS 管在開通時產生一個高壓的震盪，這個震盪最終會導致芯片的SW 引腳高壓損壞和開關損耗非常大，導致效率很低，所以一般會使用快恢復或者肖特基二極管。

1.9 升壓轉換器（升壓型開關穩壓器）

升壓轉換器也可以用水流的模型來比喻，和降壓轉換器不同的只是把低處的水流往高處傳送。我們可以用拓撲結構圖和波形圖來分析。

1.10 升壓轉換器（電流和電壓波形）

左圖就是升壓轉換器(Boost)的拓撲結構，我們前面講過，電感L 是一個儲能元件，當開關管導通的時候，輸入的電壓對電感充電，形成的回路是：輸入Vi→電感L→開關管Q；當開關管關斷時，輸入的能量和電感能量一起向輸出提供能量，形成的回路是：輸入Vi→電感L→二極管D→電容C→負載RL，因此這時候輸出的電壓肯定就比輸入的電壓高，從而實現升壓。

1.11 升壓轉換器拓撲和電路示例

上圖所示升壓轉換器的控制回路是通過分壓電阻的采樣，然后經過誤差比較器和基准源比較，最后輸出PWM。需要注意的是這種電路在芯片不工作的時候，它的輸入到輸出就已自然經形成了回路，從輸入→電感→二極管→電容→負載，所以如果不是在同步的升壓拓撲結構里面，在輸入電路部分應該增加一個切換電路，否則在電池供電的時候，電池的電量就白白用完了。

1.12 降壓-升壓轉換器（電流和電壓波形）

狀態一：開關管開通，二極管D 反向截止，電感器儲能，電流回路為：輸入Vin →開關管Q→電感器L；

狀態二：開關管關斷，二極管D 正向導通續流，電流回路為：電感器L→電容C→負載RL→二極管D；

輸出什么時候是升壓，什么時候是降壓呢？ 我們可以根據公式Vo=Vin×D/(1-D) 中知道，當D=0.5 時，Vo=Vin；當D＜0.5 時，Vo＜Vin；當D＞0.5 時，Vo＞Vin。而且我們可以看到，這種拓撲結構我們很容易得到了負向的電壓，當某些場合不想用隔離變壓器拉抽頭的方式的時候我們可以用這種方式來實現負電壓。

1.13 降壓-升壓轉換器拓撲

1.14 控制器與穩壓器

控制器(Controler)和穩壓器(Regularlator)，上圖是一個控制器和穩壓器的區分參考，集成開關管的IC 我們一般稱之為穩壓器，需要外置開關管的IC 我們稱之為控制器，而圖中的描述我們只能作為一個參考，現在很多的穩壓器已經可以做到大於3A，而且熱阻低到10℃/W 也有很多，但很多大功率的開關電源還是需要控制器，外置MOS 管。

控制器與穩壓器實例對比

1.15 開關穩壓器總結