开关电源简介与工作原理详解

开关电源简介

直观上说，开关电源通过开关管将输入能量截成一个一个的能量包，然后将这些能量包传送到输出端，在输出端又将这些离散的能量包汇集，为负载连续供电。

电路结构：降压(buck)，升压(boost)，反相。一般应用都是buck变换器结构，控制方法都是PWM。

不同的控制模式包括非同步和同步。

优点：效率较高，同步Buck变换器我们一般可以做到85%左右，好的成品开关电源可以做到90%以上的效率。输出功率相对较大。

缺点：输出中含有开关噪声，纹波相对LDO而言较大，但是能满足一般芯片供电的需要。

选用时应考虑的最基本的三要素：输入电压范围、输出电压范围、最大输出电流。

LDO 简介

LDO 也是DC-DC 转换器的一种。它是(Low drop-out Regulator)低压差线性稳压器的缩写，

内部电路示意图如下：

它的原理很简单，就是在输入和输出之间串连一个晶体管来实现其功能，电压控制模块根据输出电压来调整流过晶体管基集电流，使得晶体管工作在电压-电流特性曲线的线性区，从而保证稳定的压降。LDO 分为电压可调和固定电压两种，其显著优点是非常安静、没有噪声，也没有电磁干扰(EMI)，而EMI 已经成为现代开关调整器的显著缺点;

输出纹波比开关电源要小，一般用在对电源要求较高的场合。LDO 的输入电流基本等于输出电流，所以其损耗计算公式如下：Pd = Iout * (Vin – Vout)，由该公式可以看出大压降下LDO 的缺点是效率低，例如输入12V，输出5V，效率就几乎固定是5/12=41.6%,，如果负载电流100mA，那么其损耗的功率就有700mW，这是无法避免的，因此LDO 一般不会用在需要太大电流的供电电路中。

LDO 选用时的几个注意点：

输出电压：可调或者固定值，必须满足使用要求。

输入电压：通常要求在某一范围内，而且一定比输出电压高。

Drop 电压：对输出电压可调的LDO 而言，负载越轻，Drop 电压可以做到越小。但是Drop电压也是有一个范围限制的。

温升：一个LDO 标称的Iout(max)可以很大，但如果实际用到那么大电流时，LDO 的温升太大，可能被烧毁。所以要根据实际使用情况计算温升，并且在PCB 布板时考虑其散热问题。

LDO 上的损耗也有限值，而且损耗跟温升是有直接联系的。

Buck 型DC-DC 工作原理

非同步整流Buck 型开关电源的典型拓扑：

实际电路结构中，使用场效应管或者三极管当作图中的开关，开关周期性地接通和断开，由于电感和电容的滤波作用，使负载上得到一个直流的电压。由于开关管要么断开，要么饱和，所以损耗比较小。

同步整流Buck 型开关电源的典型拓扑：

同步整流Buck 型开关电源的工作原理与非同步的基本相当，只不过将续流二极管换成了MOS管(称之为同步整流管)，DC-DC 芯片需同时控制MOS 管Q1、Q2 的开关。

Buck 型开关电源原理分析

Buck 型开关电源主要由开关管、储能电感、输出电容以及续流二极管组成，并通过负反馈回路维持输出Vo的稳定。忽略电路损耗，输入输出满足：。基本框图与主要点波形如下图所示。

Q1 导通时， 输入通过Q1 对电感进行充电， 电感电流线性增大， 满足条件：，如上图(d)所示;当Q1 关断时，由于流经电感的电流不能突变，关断瞬间电流有快速降低的趋势，由楞次定律可知，电感内磁场会产生反向的感应电动势以阻止电流减小，这种瞬间的电压颠倒的现象称为“电感反冲”，此时因为有续流二极管的存在，将V1 点电压强制钳位于地，保证V1 不会由于“电感反冲”变得很“负”，从而保证Q1 的可靠关断。

所以Q1 关断以后电感电流保持线性降低，满足：，直至下个周期开关打开，如上图(e)所示;所以，最终电感上的电流为Q1 打开和关断状态之和，如上图(f)所示，在输出稳定的情况下，开关周期是基本上固定的，所以直流输出电流也就是经过上图(f)斜坡中点的那条直流分量，实际的工作可能由于负载变化等原因，直流输出电流会有相应的增加或减少，但是斜坡的斜率是不会变化的，所以可以得到斜坡起始值1 I 和峰值2 I 是由直流输出电流决定的。需要注意的是，当输出电流降低到使1 I 为零时，电感将进入非连续工作状态，具体表现为在下一个周期开关还没打开之前，电感电流已经降低为零，这种情况将在下一小节介绍。

另外，上图(a)和(b)表示了控制芯片根据输出电压来形成一定占空比的PWM 波形的原理，(a)的三角波是芯片内部产生的振荡波形，中间的直线是误差放大器根据输出电压产生的电平，两个波形对比，即产生(b)所示的方波，当然这只是一个简化，不同的芯片其控制机理也有比较大的区别。

电感工作模式选择

按电感电流是否从0 开始，可分为电感电流连续工作模式和电感电流不连续工作模式，如下图：

图( a ) 中， 电感电流处于连续工作模式， 电感起始电流Ia大于0 ， 稳定时输出电流;图(b)中，电感工作在不连续状态，电感起始电流为0 且最大值大于2 Io 。实际电路中，如果电感较小，且负载较轻，则电感电流可能降低为0而进入不连续模式，电感进入不连续模式波形如下图：

图中明显可以看到，电感电流不连续时，有明显阻尼振荡，即所谓的“振铃现象”。虽然电感不连续时，反馈回路仍然能够通过调整开关状态维持输出电压稳定，但是在一些BUCK型输出滤波器的拓扑却会在非连续模式下出现问题，电路设计尽量避免不连续状态出现。

Buck 转换器的纹波

电压纹波是指叠加在输出稳定电压上的变化的电压。

开关电源的纹波，一般指20MHz以内的电压波动成分，所以测量纹波时需打开示波器的带宽限制功能，对输入信号作20MHz低通滤波处理。更高频的波动，一般称为高频噪声。

由于Buck转换器在工作过程中，输出电容C会不断地充放电，所以会产生输出电压Vo的波动，这是Buck转换器固有的纹波。从LC滤波的角度看，增大L和C可以降低LC滤波器的截止频率，从而减小纹波。

纹波的另一个重要来源是输出电容C的等效串联电阻(ESR)，充放电的电流在ESR上产生压降，进一步增大了纹波。铝电解电容的容量较大，但是ESR也较大，所以一般另加ESR较小的陶瓷电容与电解电容并联组成输出电容。

DC-DC 电源芯片的选择

主要考虑因素：输入电压、输出电压、最大输出电流。

如果输入电压和输出电压很接近，最好是选用LDO(低压降)稳压器，可达到很高的效率。

如果输入和输出不是很接近，就要考虑开关型DC-DC了。此时若使用LDO，功耗大，效率低。

开关频率的选取主要考虑LC电路体积与开关损耗、音频噪声等因素。高开关频率可以减小滤波电路LC的体积，但同时增加开关损耗，降低效率;开关频率过低，可能产生音频噪声。

在选择DC-DC芯片时除了考虑以上三点外，还需考虑整机功耗，转换效率，电源纹波等因素，结合实际情况，选择合适的DC-DC电源芯片。