开关电源基础知识

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

1.1 开关电源类型

1.1.1 线性稳压

所谓线性稳压器，也就是我们俗话说的LDO，一般有两个特点：

• 在线性区域工作传输元件，无开关跳变；

• 仅限于降压转换，升压的应用很少。

1.1.2 开关稳压器

• 传输器件开关(场效应管)在每个周期完全连接和切断；

• 至少有一个电能储能元件，如电感器或电容器；

• 各种拓扑(降压、升压、降压-升压等)

1.1.3 充电泵一般用于一些小电流

• 传输器件开关(如场效应管、三极管)，有的完全导通，有的在线工作；

• 仅在电能转换或储能过程中使用电容器，如一些倍压电路。

答疑：为什么要在某些情况下使用开关稳压器？为什么不呢？LDO 和充电泵？

众所周知，所有的能量都不会凭空消失，损失的能量最终会以热的形式传递。这样，工程师在设计上就会面临巨大的挑战。例如，如果损失最终以热的形式传递，则需要在电路中增加更大的散热器。因此，电源体积变大，整机效率也很低。如果开关模式下的开关电源不仅能提高效率，还能降低热管理的设计难度。

以线性电源和开关电源的效率和体积为例：

1.1.4 下图显示了线性电源与开关电源体积的比较

上图中红色标注的地方是2.5W的LDO 和一个6W 开关电源，两者功率相差2.4倍，但开关电源的面积只有4倍LDO 的1/4 也就是说，开关电源的损耗大大降低，能承受更高的热阻，减少散热面积。再次强调，如果输入和输出之间的压差较低，可以使用LDO，但当压差较大时，建议使用开关电源。当然，开关电源也有其缺点。它的输出会有噪音、振铃和跳变，但LDO 则不会。在某些情况下，如果负载对电源的电压非常敏感，可以在开关电源后面添加一级LDO。比如我们要把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 将开关电源转换为1.5V，再用LDO 把1.5V 转为1.2V，这样，效率会更高，这是一个更优化的设计。

1.1.5 总结：开关电源VS 线性稳压器

(1)开关电源

① 能提高电压(升压)

② 降低电压(降压)甚至相反

③ 效率高，功率密度高

(2)线性稳压器

① 只能实现降压

② 输出电压相对稳定

1.2 开关稳压器是什么？

开关稳压器，英语(regulatior)，有人称之为调节器和稳压源。实现压力稳定需要控制系统（负反馈）。从自动控制理论中，我们知道当电压上升时，通过负反馈降低，当电压下降时，形成控制环。图中的方框图是PWM(脉宽控制方法)，当然还有其他方法，如:PFM(频率控制)、移相控制等。

1.3 脉宽调试方法(PWM)

1.3.1 定期改变开关导通和关闭时间的简单方法

空比：开启时间Ton 与开关周期T 的比值，ton(开放时间) toff(关闭时间) = T(开关周期)，占空比D=ton / T。但是，我们不能使用脉冲输出！实现能量流平稳化需要一种方法。通过大量的脉冲和高频切换，在开关切断过程中存储能量并提供能量，以实现稳定的电压。

1.3.2 电子行业有两种主要的储能器件

1.4 实例：简化降压开关电源

图为简化降压开关电源，为方便电路分析，不添加反馈控制部分。

状态一：当S1 当关闭时，从电容输入的能量C1，通过S1→电感器L1→电容器C2→负载RL此时电感器供电L1 它还在储存能量，可以添加到中L1 上部电压为：Vin-Vo=L*di/dton。

状态二：当S2 当关闭时，能量不再从输入端获得，而是通过电感器的续流电路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，我们可以得出结论Vo/Vin=D，而Vo 永远是小于Vin 是的，因为占空比D≤1。

各装置的功能：

输入电容器(C1) 用于稳定输入电压；

输出电容器(C2) 负责稳定输出电压；

三、二极管的位置(D1) 开关开路时为电感器提供电流通路；

4、电感器(L1) 用于存储即将传送至负载的能量。

1.5 开关电源类型(非隔离)

1.6 降压转换器(降压开关稳压器)的工作模型

开关电源是一个闭环控制系统。我们可以将开关电源的电流与水流进行比较。输入电容器是一个高水库，输出电容器是一个小水库。一小杯水从大水池传到小水池。小水池的固定水量可以通过控制传输间隔和水杯水量来实现。当输出水量较低时，杯子的水量会增加。当输出水量较高时，杯子的水量会减少。

1.7 降压转换器基础(电流和电压波形)

当开关打开时，能量从输入传输到输出，电流向斜线上升，如模型中杯子的水传输到小水池；当小水池水高时，开关关闭，电感、负载、二极管形成自然循环电路，电流开始线性减少；当小水池水低到一定程度时，重新开启开关；通过如此高频率的开关，形成稳定的输出电压。

1.8 降压转换器拓扑

如果输出小于基准，果输出小于基准，我们可以通过两个电阻的分压采样输出电压，然后通过比较器和基准进行比较，MOS 管道打开；如果输出大于基准，则关闭MOS管。

下图是用LM22670 芯片制作的电路示例是典型的非同步降压转换器，因为它使用了快速恢复或肖特基二极管。为什么要用肖特基？由于二极管的寄生参数和会导致MOS 管道打开时会产生高压冲击，最终会导致芯片SW 引脚高压损伤和开关损耗很大，导致效率低下，因此通常使用快速恢复或肖特基二极管。

1.9 升压转换器(升压开关稳压器)

升压转换器也可以用水流模型来比较。与降压转换器不同，它只是将低水流传输到高水平。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)

左图为升压转换器(Boost)正如我们前面所说，电感的拓扑结构L 它是一个储能元件，当开关管导通时，输入电压对电感充电，形成电路：输入Vi→电感L→开关管Q；当开关管关闭时，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，此时输出电压必须高于输入电压，以实现升压。

1.11 电路示例

如上图所示，升压转换器的控制电路是通过分压电阻采样，然后通过误差比较器与基准源进行比较，最后输出PWM。值得注意的是，当芯片不工作时，其输入输出自然形成电路，从输入→电感→二极管→电容→负载，因此，如果不是在同步升压拓扑结构中，则应在输入电路部分增加一个开关电路，否则在电池供电时，电池的电量将白白耗尽。

1.12 降压-升压转换器(电流和电压波形)

状态一：开关管开启，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：开关管关闭，二极管D 电流电路为：电感器L→电容C→负载RL→二极管D；

输出何时升压，何时降压？ 我们可以遵循公式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。我们可以看到，这种拓扑结构很容易获得负电压。当我们不想在某些情况下使用隔离变压器拉头时，我们可以使用这种方法来实现负电压。

1.13 降压-升压转换器拓扑

1.14 控制器和稳压器

控制器(Controler)和稳压器(Regularlator)，上图是控制器与稳压器的区别参考，集成开关管IC 我们通常称之为稳压器，需要外部开关管IC 我们称之为控制器，图中的描述只能作为参考。现在很多稳压器可以超过3A，而且热阻低至10℃/W 也有很多，然而，许多大功率开关电源仍然需要控制器部MOS 管。

与稳压器实例对比

1.15 开关稳压器总结