开关电源(DC/DC)原理分析

一、开关电源：是一种高频化电能转换装置，其主要利用电力电子开关器件(如晶体管、MOS管、可控晶闸管等)，通过控制电路，使电子开关器件周期性地"接通"和"关断"，让电力电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现电压变换以及输出电压可调和自动稳压的功能。

开关电源的优势：①功耗低，效率高。②体积小，重量轻。③稳压范围宽。

开关电源的损耗来源：①开关管损耗。②电感电容损耗。③二级管损耗。

开关电源的损耗分析：开关电源的效率可以达到90%以上，如果精心优化与设计，甚至可以达到95%以上，这在以电池作为电力来源的场合非常重要，例如手机、小型无人机等。因此开关电源设计的优劣程度将直接影响设备的续航能力。

(1)、开关管损耗：这是开关电源的主要损耗，主要包括开关损耗、导通损耗。因此应该尽量选择导通电阻比较小的开关管作为开关电源的核心元器件。

(2)、电感电容损耗：电感损耗主要包括直流电阻损耗，电容损耗主要包括漏电流损耗。因此应该尽量选择直流电阻较小的电感和漏电流较小的电容元器件。

(3)、二极管损耗：主要包括导通损耗和开关损耗。因此应该尽量选择导通压降较小，反向恢复时间较短的二极管，例如肖特基二极管或快恢复二极管等。

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二、开关电源的分类：

按照调制方式的不同可分为脉宽调制(PWM)和脉频调制(PFM)两种，目前脉宽调制(PWM)在开关电源中占据主导地位。

按照管子的连接方式可分为串联式开关电源、并联式开关电源和变压器式开关电源三大类。

按照输出电压的不同可分为降压式开关电源和升压式开关电源两种。

按照输入输出类型可分为：AC-AC、DC-AC、AC-DC、DC-DC四种，这里以DC-DC为主进行介绍。

按照是否有电气隔离可分为隔离型开关电源和非隔离型开关电源两种。

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三、开关电源的三种基本拓扑结构(以非隔离型为主)：

DC/DC变换器一般都包括两种基本工作模式：电感电流连续模式(CCM)、电感电流断续模式(DCM)。

(1)Buck降压式：

对于CCM工作模式：

当Q1导通时，续流二极管截止，忽略NMOS管的导通压降，电感电流呈线性上升，此时电感的正向伏秒为：(Vin - Vo)×Ton

当Q1截止时，电感电流不能突变，经过续流二极管(忽略二极管的导通压降)形成回路，给输出负载供电。此时电感电流下降，电感的反向伏秒为：Vo×(T - Ton)

根据电感电压伏秒平衡定律可得：(Vin - Vo)×Ton = Vo×(T - Ton) ，即：Vo = Vin×( Ton / T ) = Vin×D  (D 为占空比)。

对于DCM工作模式：

当Q1导通时，续流二极管截止，忽略NMOS管的导通压降，电感电流呈线性上升，此时电感的正向伏秒为：(Vin - Vo)×Ton

当Q1截止时，且满足 Td 时间内，电感电流不能突变，经过续流二极管(忽略二极管的导通压降)形成回路，给输出负载供电。此时电感电流下降到零，电感的反向伏秒为：Vo×Td

当Q1截止时，且满足Tc 时间内，此时电感电压和电流均为零。

根据电感电压伏秒平衡定律可得：(Vin - Vo)×Ton = Vo×Td ，即：Vo = Vin×( Ton / (Ton + Td) )。

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(2)Boost升压式：

对于CCM工作模式：

当Q1导通时，忽略NMOS管的导通压降，电感的电流线性增加；在此过程中，由于整流二级管D1的反偏截止，因此负载由电容C1提供能量，维持负载工作。因此电感的正向伏秒为：Vin×Ton

当Q1截止时，由于电感的反电动势作用，电感的电流不能瞬时突变，电感通过D1,C1,RL回路给电容充电并维持负载工作。这里忽略二极管的导通压降，因此电感的反向伏秒为：(Vo - Vin)×(T - Ton)

根据电感电压伏秒平衡定律可得：Vin×Ton = (Vo - Vin)×(T - Ton) ，即：Vo = Vin×( T / (T - Ton) ) = Vin / (1 - D)。

对于DCM工作模式：

当Q1导通时，忽略NMOS管的导通压降，电感的电流线性增加；在此过程中，由于整流二极管D1的反偏截止，因此负载由电容C1提供能量，维持负载工作。因此电感的正向伏秒为：Vin×Ton

当Q1截止时，由于电感的反电动势作用，电感的电流不能瞬时突变，电感通过D1,C1,RL回路给电容充电并维持负载工作。这里忽略二极管的导通压降，因此且满足 Td 时间内，电感的反向伏秒为：(Vo - Vin)×Td

当Q1截止时，且满足Tc 时间内，此时电感电压为零。

根据电感电压伏秒平衡定律可得：Vin×Ton = (Vo - Vin)×Td ，即：Vo = Vin×( (Ton + Td) / Td )。

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(3)Buck-Boost升降压式：

 

对于CCM工作模式：

当Q1导通时，忽略NMOS管的导通压降，电感的电流线性增加；在此过程中，由于二级管D的反偏截止，因此负载由电容Cf提供能量，维持负载工作。因此电感的正向伏秒为：Vin×Ton

当Q1截止时，由于电感的反电动势作用，电感的电流不能瞬时突变，电感通过D,Cf,RL回路给电容充电并维持负载工作。这里忽略二极管的导通压降，因此电感的反向伏秒为：-Vo×(T - Ton)

根据电感电压伏秒平衡定律可得：Vin×Ton =  -Vo×(T - Ton) ，即：Vo = Vin×( Ton / (Ton - T) ) = -Vin×( D / (1-D) )。

对于DCM工作模式：

当Q1导通时，忽略NMOS管的导通压降，电感的电流线性增加；在此过程中，由于二级管D的反偏截止，因此负载由电容Cf提供能量，维持负载工作。因此电感的正向伏秒为：Vin×Ton

当Q1截止时，由于电感的反电动势作用，电感的电流不能瞬时突变，电感通过D,Cf,RL回路给电容充电并维持负载工作。这里忽略二极管的导通压降，因此电感的反向伏秒为：-Vo×Td

根据电感电压伏秒平衡定律可得：Vin×Ton =  -Vo×Td ，即：Vo = -Vin×(Ton / Td)。

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四、开关电源的同步整流技术：由于二极管导通至少存在0.3V的导通压降，因此续流二极管所消耗的功率将会成为DC/DC开关电源的主要功耗，从而严重地限制了效率的提升。为了解决这个问题，用导通电阻极小(一般为几十毫欧左右)的MOS管取代续流二极管。然后通过控制器同时控制开关管和同步整流管，要保证两个MOS管不能同时导通，否则将会发生短路，烧毁电路。

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五、开关电源的负反馈技术：开关电源和LDO一样是通过电压负反馈网络来实现电压稳定的。因此开关电源的完整系统也一定包括：分压取样电路、基准电压、误差比较电路、占空比控制电路、晶体管(MOS管)调整电路五部分。

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六、开关电源的纹波问题：开关型电源虽然带来了效率上的提升，但也随机带来了较大输出纹波的问题，这样纹波、噪声、EMI问题随之接踵而至。因此如何尽量减少输出纹波成为了开关电源设计好坏的重要因素之一。注：开关电源的纹波测量(示波器测量纹波)是每一个电源设计工程师的必备技能，需要牢牢掌握。

(1)、电感和电容组成低通滤波电路(尽量让低通滤波器的截止频率小于开关频率为佳)，用于滤除开关电源输出的纹波。下面是开关电源中电感值的计算公式(一般电源的纹波要求小于5%)。

(2)、提高开关电源的开关频率会减小输出的纹波。在同样的条件下，开关频率较高的芯片，其输出的纹波较小，电感和电容值也会相对地小一些。但是有一点需要注意的是，开关频率的提升也会提高开关管的开关损耗，造成开关电源效率的下降，因此如何折中性能是一个需要考虑的问题，这也是大自然的奇妙之处。