開關(guān)電源相關(guān)的原理和設(shè)計(jì)方法總結(jié)

前面講了一些線性穩(wěn)壓的原理和設(shè)計(jì)的基本方法，事實(shí)上，除了一些功率較大或者對(duì)精度要求較高的電源設(shè)計(jì)，使用集成的線性穩(wěn)壓芯片很少出現(xiàn)“翻車”事故，一般只需關(guān)注輸入輸出范圍即可。此外，需注意由于集成的開關(guān)電源芯片(尤其是貼片封裝的，如SOT-223)，由于體積較小，散熱較差，一般工作電流在300mA時(shí)已經(jīng)較燙，500mA以上應(yīng)考慮加散熱片輔助散熱。

總的來說線性穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，本文開始總結(jié)一些開關(guān)電源相關(guān)的原理和設(shè)計(jì)方法。

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開關(guān)電源的特點(diǎn)

開關(guān)電源正如其“名”，其利用半導(dǎo)體管的“開”和“關(guān)”實(shí)現(xiàn)對(duì)控制的輸出，由于半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步，半導(dǎo)體管已經(jīng)能承受較大的電流，并且內(nèi)阻極小，一般可小于20mΩ，因此開關(guān)電源輸出能力較強(qiáng)，且效率極高。但同時(shí)因其開關(guān)特性，其輸出不可避免的引入了與工作頻率同頻率的紋波及其高次諧波，因此一般用于功率較高但對(duì)精度要求不高的電路，且若與對(duì)精度要求較高的模擬電路之間需要單點(diǎn)接地以消除干擾。

開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

常見的DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Zzeta、Sepic等幾種，其中最為常用的是前三種，后面會(huì)以Buck電路為例重點(diǎn)介紹。

開關(guān)電源的分析計(jì)算一般是基于對(duì)電感的伏秒平衡關(guān)系分析，下面舉例說明三種最常用的開關(guān)電源結(jié)構(gòu)。需要注意的是，這里僅為了說明原理，實(shí)際應(yīng)用中由于效率、成本等因素的影響結(jié)構(gòu)會(huì)有所不同。

Buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

上圖為Buck電路的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，首先感性認(rèn)知一下，由PWM控制的NMOS管不斷的開關(guān)，當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓經(jīng)過電感L1給電容C1充電，由于“電感電流不突變，電容電壓不突變”的特性，輸出電壓逐漸上升，在尚未上升到輸入電壓時(shí)Q1截止，此時(shí)LCD構(gòu)成新的回路，由于電感的“續(xù)流”和電容持續(xù)提供能量，輸出電壓逐漸下降。Q1不斷開關(guān)，重復(fù)上述過程，最終輸出電壓在一個(gè)較小的范圍內(nèi)波動(dòng)。

下面進(jìn)行計(jì)算分析，假設(shè)上述控制Q1開關(guān)的PWM信號(hào)占空比為D，頻率為f，則

根據(jù)伏秒平衡可得

化簡(jiǎn)得

此時(shí)計(jì)算得到的即為指定輸入和輸出時(shí)候的占空比，當(dāng)然上述計(jì)算都是有一個(gè)假設(shè)前提，即電路效率為100%，實(shí)際上有損耗占空比會(huì)略高于理論值，同時(shí)實(shí)際運(yùn)用中很難有一個(gè)穩(wěn)定輸入的電源，比如使用電池供電，隨著電能的消耗，電池實(shí)際輸出電壓會(huì)降低，因此實(shí)際使用中需利用實(shí)際輸出電壓反饋來調(diào)整占空比。

如圖為Buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的multisim仿真，黃色為輸出電壓，紅色為輸出電流(1mV/mA)，以函數(shù)發(fā)生器提供PWM(10kHz，50%，3.3V)，輸入電壓8.4V(模擬的是2s鋰電池)，根據(jù)公式(4)可得理論輸出電壓為4.2V，但從圖中可以看出，實(shí)際輸出電壓僅為約5.4mV，這是因?yàn)镻WM電壓僅為3.3V，不能使MOSFET完全導(dǎo)通，實(shí)際上欲使MOSFET完全導(dǎo)通需要的電壓一般高于整個(gè)開關(guān)電源的輸入電壓(早期的開關(guān)電源多使用三極管，此時(shí)更好理解，欲使三極管工作在飽和區(qū)，控制信號(hào)所在的基極電壓需大于電源輸入端所在的集電極)，而要產(chǎn)生這樣一個(gè)電壓大于輸入電壓的控制信號(hào)是非常困難的，實(shí)際上控制信號(hào)一般為3.3V或者5V，后續(xù)的博文在講述實(shí)際使用的Buck電路結(jié)構(gòu)時(shí)將詳細(xì)說明該問題的解決方案(劇透一下~一個(gè)自舉電容就能解決問題)。

這里暫時(shí)以提高PWM的方法代替，得到如圖所示仿真結(jié)果，可以看到實(shí)際輸出確為4.2V左右，同時(shí)輸出電壓有明顯的周期性波動(dòng)，該周期性波動(dòng)的頻率即為控制信號(hào)頻率，波動(dòng)大小與LC的參數(shù)有關(guān)。實(shí)際上PWM控制開關(guān)管輸出的是一個(gè)有效值為目標(biāo)輸出的方波，經(jīng)過LC濾波器濾除交流部分得到輸出基本穩(wěn)定的直流電源。

上圖紅色曲線為電流曲線，可以看到電流是連續(xù)的，也就是說每次開關(guān)電感都沒有完全放電，這種開關(guān)模式被稱為連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM，Continuous Conduction Mode);與之相對(duì)的是斷續(xù)導(dǎo)通模式(DCM，Discontinous Conduction Mode)，其在每個(gè)周期電感完全放電，也就是說其在一個(gè)周期內(nèi)存在輸出電壓為“0”的情況;另外還有一種介于兩者之間的臨界模式(Boundary Conduction Mode)，但這是一種非標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)模式。

Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖為Boost電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，感性認(rèn)知，即MOS管Q2導(dǎo)通時(shí)，由于電感近似短路，電流迅速上升;Q2截止時(shí)，由于電感電流不能突變，電感繼續(xù)提供一個(gè)很大的電流給電容充電，從而達(dá)到輸出高于輸出的效果。

再進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)伏秒平衡可得

化簡(jiǎn)得

Buck&Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)伏秒平衡可得

化簡(jiǎn)得

以上說明了幾種開關(guān)電源的基本原理，當(dāng)然，多數(shù)時(shí)候我們都是直接使用集成的開關(guān)電源芯片，如TI的TPS系列。常用的DC-DC芯片有MP2359、TPS565208等。后續(xù)的文章會(huì)說明如何選用集成的開關(guān)電源芯片設(shè)計(jì)電源。