硬件工程师知识点2 -- 对power的基本认识

电源系统根据变换方式，可以分为AC/DC，DC/DC，DC/AC和AC/AC，目前只将AC/DC，DC/DC电源称为开关电源，DC/AC和AC/AC称为逆变器和变频器。一般消费类电子产品中最常见的是DC/DC，LDO和DC/DC是常用的两种电源电路。

简介

LDO具有输出纹波和噪声小、应用简单、成本低、电压输入输出无延时的优点，但LDO工作效率低，能耗大，只能支持相对较小的电流输出。因LDO只能实现降压，其内部晶体管（或场效应管）工作在线性区，所以无法实现输入端和输出端的有效隔离。

DC/DC采用MOSFET控制电路输入与输出，通过控制MOSFET开关时间控制输入回路与输出回路连通断开时间，进而输出不同的电压值。DC/DC自身能耗低，输入与输出电源的转换效率高，与LDO只支持降压相比，DC/DC支持升压、降压、反相等变换。DC/DC输入的电流大，支持输入与输出的有效隔离，但DC/DC电路设计复杂，相应的成本也高，这是因为MOSFET不停地导通和关闭，电源的输入和输出有一定的延时，且输入电源的纹波和噪声较大。

原理

LDO

LDO的功耗主要由Q1的直流电流和电压产生，损耗和总效率很容易计算，大多数情况下，串接NPN型晶体管最小压差为2.5V。由于晶体管不工作在开关状态，所以不存在晶体管的下降电流好上升电压瞬时重叠造成的交流开关损耗。

晶体管功耗 P = (Vdc- Vo)Io

简单计算效率，Efficiency=Vo/Vdc

不考虑其他因素，举例理解：

DC/DC

Buck

Boost

charge pump

反极性Boost

BUCK

开关晶体管/MOS将输入直流电压斩成方波，方波由占空比调节，并通过低通输出功率滤波得到直流输出电压。滤波器一般采用电感和输出电容，方波脉冲经过低通滤波器滤波后得到的直流输出电压等于方波脉冲的平均值，使用合适的LC滤波可将方波脉冲平滑成无纹波直流输出。

晶体管Q1与输入电压Vdc串联，通过Q1的导通和截止，在V1处产生方波电压。Q1导通时，V1点电压为Vdc，Q1截止时，电感产生反电动势，使V1点电压迅速下降到零，并变负值直至被续流二极管钳位于-0.8V。方波的平均电压值为Vdc*Ton/T。LC滤波器使输出点Vo成为幅值等于Vdc*Ton/T的直流电压。

采样电阻R1和R2检测输出电压Vo，并将误差输入放大器EA与参考电压Vref比较，被放大的误差电压Vea被输入到电压比较器，PWM比较器的另一输入是周期为T的锯齿波。

若输入电压Vdc升高，则EA输出电压Vea降低，使锯齿波与Vea交点提前，Q1导通时间Ton缩短，Vdc保持不变。Q1导通时间的改变使采样电压总是等于参考电压，Vo*R2/(R2+R1)=Vref。

忽略交流开关损耗，Q1和D1导通压降为1V，效率

Efficiency=Po/（Po+Ploss）=VoIo/(VoIo+1*Io)=V/(V+1)

附：电感计算公式 L=5(Vdc-Vo)*VoT/(Vdcn*Ion)

dI=(I2-I1)Ion，I2，I1为电流pk-pk值

电感ESR=Vrr/dI

输出电容选择Co=65*10-6*(0.2Ion/Vrr)

例，Buck调整器开关频率为25KHz，Vdc=20V，Vo为5V，Ion=5A，要求电流10%负载，工作纹波电压Vrr小于50mV

L=5（20-5）5*40*10-6/(20*5)=150uH

dI= 0.2Ion=1A

ESR=0.05/1=0.05Ω

Boost

当Q1导通时，电流通过L1下端通过整流二极管D1输送给输出电容Co和负载，Co需足够大。

当Q1截止时，由于电感电流不能突变，L1电压极性瞬间颠倒，L1异名端相对同名端为正，L1 上方为Vdc，下方电压升高高于Vo，且L1经D1向Co充电，使Co两端电压高于Vdc，此时电感储能给负载提供电流，并补充Co单独向负载供电时损失的电荷，Vdc在关断时也向负载提供能量。

若直流负载电流上升，则导通时间会自动增加，为负载提供更多能量，若Vdc下降而Ton不变，则峰值电流即L1的储能会下降，导致输出电压下降，负反馈检测到电压下降，通过增大Ton来维持输出电压恒定。

charge pump

CFLY电容两端电动势通过开关控制形成倍压，应用于耗电流低功耗低的应用场景。

反极性Boost

Q1导通时，Vdc给电感充电，D1负极为Vdc，二极管截止。

Q1关断时，Lo的电压极性反向以保持电流方向不变，C0充电，电压极性为下正上负。

反极性调整器在消费类应用较少，在此不做介绍。