开关电源基础知识

本文取自TI的培训电子书籍《开关电源基础知识》，仅供学习交流，并作为笔记使用。

1.1 开关电源的类型

1.1.1 线性稳压

所谓线性稳压器，也就是我们俗话说的LDO，一般有这么两种特点：

• 传输元件工作在线性区，它没有开关的跳变；

• 仅限于降压转换，很少会看到升压的应用。

1.1.2 开关稳压器

• 传输器件开关(场效应管)，在每个周期完全接通和完全切断的状态；

• 里面至少包括一个电能储能的元件，如：电感器或者电容器；

• 多种拓扑（降压、升压、降压-升压等）

1.1.3 充电泵，一般在一些小电流的应用

• 传输器件开关(如：场效应管、三极管)，有些完全导通，而有些则工作在线性区；

• 在电能转换或者储能的过程中，仅限使用了电容器，如一些倍压电路。

答疑：有些情况为什么要使用开关稳压器？为什么不用LDO 和充电泵？

我们知道，所有的能量都不会凭空消失，损耗的能量最终会以热的形式传递出去，这样，工程师在设计中就会产生很大的挑战，比如说，损耗最终以热的形式传递，那么电路中就需要增加更大的散热片，结果电源的体积就变大了，而且整机的效率也很低。如果在开关模式的开关电源，不仅可以提高效率，还可以降低了热管理的设计难度。

我们可以举一个例子来对比线性电源和开关电源的效率和体积：

1.1.4 下图为线性电源和开关电源体积的比较

上图红色标注地方分别是一个2.5W的LDO 和一个6W 的开关电源，两者功率相差2.4倍，但开关电源的面积仅是LDO 的1/4 不到，也就是说开关电源的损耗大大减少了，能够承受更高的热阻，减少散热的面积。再次强调一遍，如果说输入与输出之间压差较低的情况下，可以使用LDO，但压差较大的情况下，建议使用开关电源。当然，开关电源也有它的劣势，它的输出会有噪声、振铃、跳变，而LDO 则不会。某些场合的负载对电源的电压是很敏感的话，可以在开关电源后面再加一级LDO。例如我们要把5V 转为1.2V ， 如果直接有LDO 的话，效率可能只有20%，但我们可以把5V 用开关电源变为1.5V，再用LDO 把1.5V 转为1.2V，这样，效率就会高，是一个比较优化的设计。

1.1.5 总结：开关电源VS 线性稳压器

（1）开关电源

① 能够提升电压（升压）

② 以及使电压减低（降压）甚至反相

③ 具有较高的效率和功率密度

（2）线性稳压器

① 只能实现降压

② 输出电压相对更稳定

1.2 什么是开关稳压器？

开关稳压器，英文(regulatior)，有人叫它调节器、稳压源。实现稳压，就是需要控制系统(负反馈)，从自动控制理论中我们知道，当电压上升的时候通过负反馈把它降低，当电压下降的时候就把它升上去，这样形成了一个控制的环路。如图中的方框图是PWM(脉宽控制方式)，当然还有其他如：PFM(频率控制方式)、移相控制方式等。

1.3 脉宽调试方式(PWM)

1.3.1 周期性的改变开关的导通与关断时间的简单方法

占空比：开通的时间Ton 与开关周期T 的比值，ton(开通时间) + toff(关断时间) = T(开关周期)，占空比D=ton / T。但是，我们不能采用一个脉冲输出！需要一种实现能量流动平稳化的方法。通过很多的脉冲，高频地切换，将在开关接通期间存储能量而在开关切断时提供此能量的手段，从而实现平稳的电压。

1.3.2 在电子行业中有两种主要储能器件

1.4 实例：简化的降压开关电源

如图是一个简化的降压的开关电源，为了方便电路的分析，先不加入反馈控制部分。

状态一：当S1 闭合时，输入的能量从电容C1，通过S1→电感器L1→电容器C2→负载RL供电，此时电感器L1 同时也在储存能量，可以得到加在L1 上的电压为：Vin-Vo=L*di/dton。

状态二：当S2 关断时，能量不再是从输入端获得，而是通过续流回路，从电感器L1 存储的能量→电容C2→负载RL→二极管D1，此时可得式子：L*di/dtoff= Vo，最后我们可以得出Vo/Vin=D，而Vo 永远是小于Vin 的，因为占空比D≤1。

各个器件的作用：

1、输入电容器(C1) 用于使输入电压平稳；

2、输出电容器(C2) 负责使输出电压平稳；

3、箝位二极管(D1) 在开关开路时为电感器提供一条电流通路；

4、电感器(L1) 用于存储即将传送至负载的能量。

1.5 开关电源的类型（非隔离式）

1.6 降压转换器（降压型开关稳压器）的工作模型

开关电源是一个闭环的控制系统，我们可以把开关电源的电流比喻为水流，输入电容就是一个高的蓄水池、输出电容是一个小的蓄水池，把一小杯一小杯的水从大水池传送到小水池，通过控制传送的间隔时间和水杯的水量从而实现小水池固定的水量，当输出的水量低了，就增加杯子的水量，当输出的水量高了，就减少杯子的水量。

1.7 降压转换器基础（电流和电压波形）

当开关开通的时候，能量从输入向输出传递，电流是斜线上升的，好比模型里杯子的水往小水池传送；当小水池的水偏高了，开关就关断，这时电感、负载、二极管形成自然的续流回路，电流开始线性减少；当小水池的水低到一定程度后，重新开始开通开关；通过这样高频率的开通和关断，就形成一个稳定的输出电压。

1.8 降压转换器拓扑

上图就是一个电路结构，我们可以通过两个电阻的分压采样输出的电压，再经过一个比较器和基准比较，如果输出小于基准，MOS 管就开通；如果输出大于基准，就关断MOS管。

下图是用LM22670 芯片做的电路示例，这就是一个典型的非同步降压转换器，因为他下管是用了一个快恢复或者肖特基二极管。为什么要用肖特基呢？因二极管的寄生参数和漏感会导致在MOS 管在开通时产生一个高压的震荡，这个震荡最终会导致芯片的SW 引脚高压损坏和开关损耗非常大，导致效率很低，所以一般会使用快恢复或者肖特基二极管。

1.9 升压转换器（升压型开关稳压器）

升压转换器也可以用水流的模型来比喻，和降压转换器不同的只是把低处的水流往高处传送。我们可以用拓扑结构图和波形图来分析。

1.10 升压转换器（电流和电压波形）

左图就是升压转换器(Boost)的拓扑结构，我们前面讲过，电感L 是一个储能元件，当开关管导通的时候，输入的电压对电感充电，形成的回路是：输入Vi→电感L→开关管Q；当开关管关断时，输入的能量和电感能量一起向输出提供能量，形成的回路是：输入Vi→电感L→二极管D→电容C→负载RL，因此这时候输出的电压肯定就比输入的电压高，从而实现升压。

1.11 升压转换器拓扑和电路示例

上图所示升压转换器的控制回路是通过分压电阻的采样，然后经过误差比较器和基准源比较，最后输出PWM。需要注意的是这种电路在芯片不工作的时候，它的输入到输出就已自然经形成了回路，从输入→电感→二极管→电容→负载，所以如果不是在同步的升压拓扑结构里面，在输入电路部分应该增加一个切换电路，否则在电池供电的时候，电池的电量就白白用完了。

1.12 降压-升压转换器（电流和电压波形）

状态一：开关管开通，二极管D 反向截止，电感器储能，电流回路为：输入Vin →开关管Q→电感器L；

状态二：开关管关断，二极管D 正向导通续流，电流回路为：电感器L→电容C→负载RL→二极管D；

输出什么时候是升压，什么时候是降压呢？ 我们可以根据公式Vo=Vin×D/(1-D) 中知道，当D=0.5 时，Vo=Vin；当D＜0.5 时，Vo＜Vin；当D＞0.5 时，Vo＞Vin。而且我们可以看到，这种拓扑结构我们很容易得到了负向的电压，当某些场合不想用隔离变压器拉抽头的方式的时候我们可以用这种方式来实现负电压。

1.13 降压-升压转换器拓扑

1.14 控制器与稳压器

控制器(Controler)和稳压器(Regularlator)，上图是一个控制器和稳压器的区分参考，集成开关管的IC 我们一般称之为稳压器，需要外置开关管的IC 我们称之为控制器，而图中的描述我们只能作为一个参考，现在很多的稳压器已经可以做到大于3A，而且热阻低到10℃/W 也有很多，但很多大功率的开关电源还是需要控制器，外置MOS 管。

控制器与稳压器实例对比

1.15 开关稳压器总结