开关电源基础知识（上）_拓扑类型、效率与输入输出及占空比的关系

 

1、开关电源基础知识
1.1 开关电源的类型
1.1.1 线性稳压器，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：
l 传输元件工作在线性区，它没有开关的跳变；
l 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
l 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；
l 里面至少包括一个电能储能的元件，如：电感器或者电容器；
l 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
l 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；
l 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：
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从它们的效率来看，一个 12V 输入， 3.3V/2A 输出的电源，如果用线性稳压器来实现的
话，它输出效率只有 28%，而用开关电源来做的话，它的输出效率能达到 90%以上。所以
线性电源在高输入电压，低输出电压的情况下的效率是非常的低，它只适用于一些输入和输
出的压差比较低的场合。像这些情况下使用开关电源的优势是显而易见的。线性稳压器的损
耗为 17.4W，开关稳压器的损耗只有 0.73W，这些损耗最终会以热量的形式传递出去，器件
的工作温度=器件温升+环境温度，温升=热阻 × 损耗的情况下：假如器件的热阻 θ=35℃/W
来计算， LDO 的温升=35℃ ×17.4W=609℃，开关稳压器温升=35℃ ×0.73W=25.55℃。
可见，开关稳压器可以工作在 60~70℃的环境温度也是没问题的，而 LDO 在这种情况下，
发热非常严重，必须得降低它的热阻，而热阻的大小就取决于散热面积，散热面积越大，热
阻就越小，所以 LDO 需要很大的散热面积(如下图)，来减少它的热阻以获得较低的温升。

1.1.4 下图为线性电源和开关电源体积的比较

 SHAPE  \* MERGEFORMAT ​

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
载加一级 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？
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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
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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
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1.4 实例：简化的降压开关电源
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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）
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1.6 降压转换器（降压型开关稳压器）的工作模型
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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）
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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
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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）
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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）
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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
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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）
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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
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上图是用 TPS5430DA 实现的一个负电压输出的电路，TPS5430DA 和 LM22670 的引脚相同，
两者可以互换。
1.14 控制器与稳压器
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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
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1.15 开关稳压器总结
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2、效率与 VOUT 的关系
在开关稳压电源中，输入电源的范围是知道的，输出稳压点的设置也是知道的，但是输
出 Vout 和效率的关系是什么呢？
我们经常的说的是占空比越大，效率越高，损耗越小，那么它是怎么得到的呢？有经验
的工程师就会根据公式去推导出来。占空比最大的时候为什么效率最高？下面举个案例来更
大家解释一下。
电源的效率η：

上式中 Pout 为输出功率， Pd 为耗散功率
下面用一个简化的功耗计算公式来计算一下，为什么说是简化呢，我们的开关损耗有开
通损耗、关断损耗、导通损耗、驱动损耗，为了演示更加明显下面的计算只是写了一个导通
损耗。假设没有电感器电流纹波，输入 Vin=5V，输出 Io=1A，那么在输出为 3.3V 和 1V 的
情况下的损耗如下表：

其实上面计算 mos 管的电流有效值的计算是错误的，正确的式子是

上面的只是一个简化后的计算公式，只是为了更加容易计算而已。

由上面的计算可以知道在 3.3V 输出的时候，效率为：

在输出为 1V 的时候，效率为：

由此可见 3.3V 输入的效率比较高，根据这个特性我们也描出了同等条件下输出与功率
的关系，有下图我们可以看出输出越大，也就是占空比越大，效率就越高。