入门学电源（1）：从电阻分压、稳压管、线性稳压器到BUCK变换器

电阻分压是BUCK降压器最基本的原理！

如果有一个10V电压，想要5V电压，怎么办？很简单，两个电阻值相同的电阻R1、R2从接地电阻串联起来R2取电压，直接得到5V电压。

图1：串联电阻分压

如果电压加载，两个串联电阻的电阻值为1K，负载电阻为1K，所以电压只有3.33V，因此，该电压不具备加载能力，不能作为稳定电源向负载供电。

稳压管具有稳压的能力，如果将电路中的R2换成5V稳压管可在稳压管两端输出稳压管5V该电压具有一定的加载能力。串联电阻R1的值范围由稳压管的最小工作电流（稳压）和最大工作电流（最大功率损耗）决定。当输入电压发生变化时，输入电压电压之间的压差由R因此，承担R1也称之为调整电阻。

串联稳压管电路中，调整电阻位于主电流回路，因此不能通过大的负载电流，输出负载电流范围非常小。为了扩大输出负载电流的范围，那么，是否可以用某种方式，将调整电阻，移出主电流回路，也就是将主电流(负载电流)电路和基准稳压电路分开，同时用基准稳压电路控制输出电压呢？

图2：线性稳压器

当三极管在放大区域工作时，如果基极和集电极电路独立分离，基极可以控制集电极的电流将三极管插入到串联稳压管电路中，集电极、发射极构成主电流（负载电流）通路，基准稳压电路连接到基极，线性稳压器的基本结构如图2所示。如果稳压管为5V，输出电压为：5-0.7=4.3V。当输入电压发生变化时，输入电压和输出电压之间的压差由放大区域的三极管承担，因此这种三极管也被称为调整管。

稳压管作为基准电压，精度差，温度漂移和噪声大，输出电压设置灵活性差。如果用高精度、低温漂移和低噪声的间隙基准代替稳压管，输出电压通过运输和放置进行反馈控制，并增加过流、过温、过压、欠压等保护功能，形成常用的三端线性稳压器，如LM7805、LM7812等。

图3:三端线性稳压器

输入电压和输出电压的压差必须大于2V只有这样，输入电压和输出电压的压差才能正常工作。V这种三端线性稳压器称为低压差三端线性稳压器，即LDO，甚至还有超低压差的三端线性稳压器。

线性稳压器的调节管在放大区域工作，功耗由输入输出电压的压差和负载电流决定：Ploss=（Vin-Vo)·Io，功耗很大。三极管有三个工作区：放大区、截止区和饱和区。截止区域没有引导，几乎没有损失；饱和区压力降低，引导损失很小。如果线性稳压器的调节管在开关状态下工作，即在截止区域和饱和区域进行高频切换，则避免了放大区域工作损失较大的问题。

图4：调整管道开关状态

高频切换电压波形为脉冲方波，脉冲方波的平均值为输出电压值，即：

Vo=Vaverage=Vin·ton/Ts=Vin·D

D=ton/Ts，为空比。固定工作频率时，调整三极管的导通时间，调整输出电压，使脉冲方波电压的平均值满足设定要求。

电压脉冲方波的振幅值为输入电压，电流也为脉冲方波，不能直接向负载供电。稳定的电源输出电压是恒定的，当输出负载稳定时，输出直流电流是固定的。

电感具有平滑电流的滤波能力，将电感插入三极管的发射极和输出负载之间，将脉冲电流过滤成相对平滑的直流电流。

电容器具有平滑电压的滤波能力，输出端并联电容，脉冲电压平滑，直流输出电压稳定。

脉冲电压和脉冲电流波形LC滤波器，可获得相对平稳、稳定的直流电压和直流电流，为负载提供安全稳定的供电。

图5：电感平滑脉冲电流，脉冲电压脉冲电压

当三极管导通时，输入端、电感和输出端构成电流通路；当三极管关闭时，由于电感需要维持原电流，因此没有续流电路，这将导致应用问题。

图6：电感电流路

电感和输出端直接连接，不可能添加续流电路，因此只能在电感和三极管的连接端添加续流电路。

连续电路另一端可能的连接点只有输入端和地面，电感已经通过三极管连接到输入端。因此，连续电路的另一端只能连接到地面。

                                                          图6：电感续流回路

在电感和地之间加一个具有单向导电特性的二极管，就可以保证三极管开通时不影响其工作，同时，在三极管关断时给电感提供续流的回路。这样，就构成了基本的高频开关降压变换器主电路， 也就是BUCK变换器主电路。

功率MOSFET工作频率更高、驱动简单，取代了三极管作为开关管；续流的二极管的导通压降高、损耗大、效率低，用功率MOSFET取代续流二极管，就构成同步BUCK变换器，而下端使用二极管续流的结构称为非同步BUCK变换器。

                                                               图7：同步和非同步BUCK变换器

同步BUCK变换器更简单记忆方法：半桥电路加LC滤波器，就组成了同步BUCK变换器。

                                                           图8：半桥电路加LC滤波器组成同步BUCK变换器

输出电压加入反馈调节，同时加入过流、过温、过压、欠压、软起动等一些保护功能去控制BUCK变换器主电路，就构成了BUCK变换器的控制芯片。如果将上端的功率MOSFET、下端续流功率MOSFET或二极管也集成到芯片里面，就构成了单芯片BUCK变换器。

BUCK降压变换器将高的输入电压转化为低的输出电压，就必须将输入电压斩波，然后取平均，因此，主开关管串联在输入端。或者说，输入电压、输出电压的压差必须要由有源元件吃掉，因此，主开关管必须连接到输入端和输出端之间。

开关管和输出端之间插入滤波电感，平滑脉冲电流，因此电感连接在输出端。

电感和地之间插入续流二极管，开关管关断时为电感电流续流，就构成了基本的BUCK降压变换器主电路。

从分压电阻、稳压管、调整管、开关工作，到插入滤波电感和续流二极管，一步步演进到BUCK降压变换器主电路，BUCK降压变换器的结构非常容易记住了吧，工作原理的理解也自然水到渠成。