解析电源设计4-不用变压线圈的升降压

解析电源设计4-不用变压线圈的升降压

转自：http://i-makers.info/blog/221.html

开关电路升降压（boost和buck）

在当前的电子设计中，开关电源在稳压和变压中承担了越来越重要的角色。它的优点是能耗低，占中体积小，下面我们来看看开关电源的工作原理是什么？

开关电源的分为升压（boost）和降压（buck）两种，图1展示了boost的原理图，需要说明的是整个电路并非没线圈，而是没有那种需要初级和次级绕组的那种变压线圈，这里的线圈是电感，如果设计得当，可以很小。

图1 boost开关电路原理图

在图1的boost电路中，f是一个场效应管，它的栅极输入方波（方波的生成电路在原理图被省略掉），在方波作用下，场效应管如同开关一样工作，理解工作原理时，我们可以简化把它认为是一个以固定频率打开和闭合的开关，这也是开关电源的名字由来。

图1是由一个直流干电池供电的，也最终以升压的直流电源输出，这样的电路一般称为DC-DC。这里如何实现升压的呢？我们需要看到，整个电路中动态变化的地方就是一个开关，那么看看开关闭合和打开的时候都分别发生了什么？

开关初次闭合，这时电感直接与地端相连，干电池只给电感l充电；开关打开，这时后续电路被接通，需要给电容充电和对外负载输出，电路的电流比开关闭合的时候下降，因此电感的自感效应发挥作用，为了维持原状（原电流），而对外放电，作用于后续电路的电流将大于干电池本来的输出，在阻抗固定的情况下，以为这产生了更大的电压。当开关再次闭合，干电池恢复仅仅给电感充电的状态，而这时二极管d是为了阻止已经带点的电容c通过开关回路对地放电。在持续这样的开关工作过程，最终实现了输出电压大于输入电压。

从开关电源原理上，我们可以看到DC-DC内部不是一直处于直流状态，输入的方波激励了LC电路，使得从干电池输入的直流电流转换成与方波频率相同的交流电，这样带来的后果是会给输出端带来起伏的纹波，这也是开关电源的缺点。

图2中展示了开关电路降压（buck）的原理图，其工作原理与升压相似，就不详细分析了。

图2 buck开关电源原理图

现在升降压的可行性说明白了，升降压的程度是怎样的，如何来调节呢？

这个问题要理解输入的方波，方波是以固定频率输入的，在每个周期里，有高电平和低电平部分，高电平持续的时间和整个周期的总时间比值称为占空比（Duty Ratio）。我们可以看到，实际上“开关”闭合的时间，就是方波处于高电平的时候，因此，开关电源通过调节占空比来调节输出电压的数值。

实际的开关电源模块

让我们来看看实际模块的情况，以mt3608为例，如图3，看到它的芯片比两旁的贴片电容看起来还小，但是其本事可不小。

图3 mt3608升压模块

 图4 mt3608工作电路图和内部原理图

图4给出了mt3608的工作电路和内部原理图，我们可以看到在芯片的FB引脚采集输出端的反馈电压，根据这个反馈电压和目标电压的差值调整占空比，以达到输出固定目标电压的目的，在图3中把R1用可变电阻（蓝色的那个）代替，通过调节它来调节FB电压。

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图5 mt3608示波器测试实验

图5展示了用示波器测量二极管SS14两端的实验结果，输入电压为锂电池4.07V，5-a的输出时6V，5-b是12V，做实验时空载状态，从产品手册【1】可以得到mt3608的开关管工作频率是1.2MHZ，图5中，我们可以看到：

1. 因为这里不是在方波生成器的位置，虽然不是严格的方波，我们还是可以依稀看到在每个周期中，在较高的输出电压时，占空比比低输出要大。这时测量的二极管上最大值，高于了原来的电池输入电压。

2. 还有一个有趣的现象是应该看到在5-a中，两个方波后面就没有方波了，变成了一串起伏的波动，这个是空载转态，不需要太多的外输入即可维持输出电压，大多数开关电源模块的占空比是动态变化，在没必要输出的时候就让占空比为零。图5-c补充做了带负载（将220Ω电阻连接在输出端正负极）的6V输出实验，这个时候就有更多的方波出现了。

多数开关电源模块的工作频率基本都是固定的：

mt3608:1.2MHZ

lm2509:150KHZ

xl4015:180KHZ

xl6009:400KHZ

图6 开关电源模块（从上到下分别为xl4015，xl6009和mt3608）

从图6可以看到，工作频率越高，模块的尺寸越小，电感也越小，在mt3608的模块里，电解电容被直接消除，因为频率较高，容量大的电解电容已经起不到作用了。从开关电源设计来说，其原因是切换开关的频率提高了，储能元件就不需要存储太多电能（储存太多也没用，没有那么长的放电时间）。高频率对元件要求提高，会带来更严重的电磁干扰和纹波，同时开关管的功耗也会提高，在设计开关电源模块的时候，需要综合考虑以上的因素，做好体积，功率和成本的权衡。而对于选购这些模块的爱好者来说，需要关心的是纹波，对后级电路的干扰，最大输出功率，动态和静态功耗等等条件。