典型开关电源的原理与仿真

开关电源一般简称为DCDC，比我们前两节分析的线性电源复杂一些，它与线性电源最大的不同在于其调整管的工作状态。开关电源中的调整管工作在开关状态，即只工作在饱和区和截止区。

1)典型开关电源的原理

一个典型的降压型开关电源原理如下图：

首先，我们来看输出部分，即调整管T之后的部分。我们之前分析的线性电源，在调整管之后是直接输出到了负载，而开关电源的调整管之后，接了一个反向的二极管D到地，然后经过了一个LC滤波才输出到负载RL上。

由于开关电源的调整管T工作在开关状态，T导通时，输入电压Vi直接通过调整管进入，电流iL向电感L和C充电储存能量，并向负载输出;所以调整管T导通时电流通路如下图所示：

而T截止时，调整管T不向外输出电流，由于电感L中的电流不能突变，所以有电流从地流经二极管D，通过L流向负载，这样形成了电流回路，此时L和C向负载释放能量;所以调整管T截止时电流通路如下图所示：

以此保证整个周期内都能向负载输出能量。

接下来，我们分析控制电路，当取样电路取得的电压Vf输入到比较放大器A时，如果大于基准电压，也即Vf>Vref时，比较放大器的输出Va会是一个较低的电压，和三角波电压Vt比较时，在一个周期内会有较长的时间小于Vt，所以，在一个周期内比较器的输出Vb会有较长时间输出低电压，这会使得调整管T的截止时间增加，也即减少了能量的输出。

反之，当取样电路的电压Vf较小时，经过一系列比较后，会增加T的导通时间，增大能量的输出。以此实现输出电压的稳定。

以上是一种典型的降压型开关电源原理，工程实现时，一般会选择集成开关电源芯片，比如LM2596，就将上述控制电路和调整管集成到了一个芯片中，外围搭配D、L、C等器件就可以组成完整的开关电源电路。

电路中的二极管D保证了在T截止时电路中仍有电流输出，所以称为续流二极管。这个二级管要通过较大的电流，所以选择高速、低压降的开关管，一般选用肖特基二极管。

电感需要选功率电感，不能使用色环电感，因为这里需要电感储能，需要通过较大的电流。

电容和电感的选择要合适，一般可以参见集成开关电源的手册推荐值，因为从调整管直接输出的电压是开关状态，变化剧烈，所以需要后端的LC滤波电路实现电压的稳定。

2)开关电源电路的仿真

如下图是一个降压电路的仿真图：

这个电路将直流12V降压。

这里仅仿真调整管及其后端的的电路，开关管设置了30%的占空比。可以看到在LC滤波之前的波形(黄色)有很大的波动，但LC滤波之后的电压已经比较稳定了。

下图是一个升压电路的仿真图：

此图中的各元件参数和上图一样，只是电路形式不同，实现了升压的功能。升压电路也是在调整管导通时给电感充电，电流直接流过电感和调整管到地，此时续流二极管防止了输出端的电流倒灌;截止时，电感上的电压和电源电压叠加后，通过二极管向输出端放电，所以有升压的效果。

3)开关电源与线性电源的特性比较

由于开关电源的调整管工作在开关状态，在导通和截止时，调整管自身消耗的功率都很小，所以，一般情况下，开关电源的效率比线性电源高。

开关电源的输出，是通过将开关电压滤波后输出的，纹波较大。

开关电源相对于线性电源结构复杂，而且需要搭配较多的外围器件。

开关电源的静态功耗较大，由于自身内部有多个比较电路、振荡电路、波形产生电路等等，它自身有一定的功耗，在空载时会有一定的功耗;而线性电源，一般空载时也只会消耗极少的功耗。在某些低功耗应用场合，负载消耗的电流较低时，线性电源反而会有更高的效率。