輕松入門(mén)學(xué)電源（1）：從電阻分壓、穩(wěn)壓管、線性穩(wěn)壓器到BUCK變換器

 電阻分壓就是BUCK降壓器最基本的原理!驚訝吧!

如果有一個(gè)10V的電壓，要想得到5V的電壓，怎么辦?非常簡(jiǎn)單，用二個(gè)阻值相同的電阻R1、R2串聯(lián)起來(lái)，從接地電阻R2上取電壓，就直接得到5V電壓。

圖1：串聯(lián)電阻分壓

如果給這個(gè)電壓加負(fù)載，二個(gè)串聯(lián)電阻的阻值為1K，負(fù)載電阻為1K，那么得到的電壓只有3.33V，因此這個(gè)電壓不具有加載能力，不能作為穩(wěn)定的電源給負(fù)載供電。

穩(wěn)壓管具有穩(wěn)壓的能力，如果將電路中的R2換成5V穩(wěn)壓管，穩(wěn)壓管兩端就可以輸出穩(wěn)定的5V電壓，這個(gè)電壓具有一定的加載能力。串聯(lián)電阻R1的取值范圍由穩(wěn)壓管的最小工作電流(穩(wěn)壓)和最大工作電流(最大功率損耗)來(lái)決定。輸入電壓變化時(shí)，輸入電壓和輸出電壓的壓差由R1來(lái)承擔(dān)，因此R1也稱之為調(diào)整電阻。

串聯(lián)穩(wěn)壓管電路中，調(diào)整電阻位于主電流回路，因此不能通過(guò)大的負(fù)載電流，輸出負(fù)載電流范圍非常小。為了擴(kuò)大輸出負(fù)載電流的范圍，那么，是否可以用某種方式，將調(diào)整電阻移出主電流回路，也就是將主電流(負(fù)載電流)回路和基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路分開(kāi)，同時(shí)用基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路去控制輸出電壓呢?

圖2：線性穩(wěn)壓器

三極管工作在放大區(qū)時(shí)，基極可以控制集電極的電流，同時(shí)基極和集電極回路是獨(dú)立分開(kāi)的，如果將三極管插入到串聯(lián)穩(wěn)壓管電路中，集電極、發(fā)射極構(gòu)成主電流(負(fù)載電流)通路，基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路連接到基極，就得到了線性穩(wěn)壓器的基本結(jié)構(gòu)，如圖2所示。若穩(wěn)壓管為5V，輸出電壓為：5-0.7=4.3V。輸入電壓變化時(shí)，輸入電壓和輸出電壓的壓差都由工作在放大區(qū)三極管承擔(dān)，因此這個(gè)三極管也稱之為調(diào)整管。

穩(wěn)壓管作基準(zhǔn)電壓，精度差、溫漂和噪聲大，輸出電壓設(shè)置的靈活性較差，如果將穩(wěn)壓管換成精度高、溫漂和噪聲小的帶隙基準(zhǔn)，輸出電壓通過(guò)運(yùn)放進(jìn)行反饋控制，同時(shí)加入過(guò)流、過(guò)溫、過(guò)壓、欠壓等一些保護(hù)功能，就構(gòu)成了常用的三端線性穩(wěn)壓器，如LM7805、LM7812等。

圖3：三端線性穩(wěn)壓器

通用的三端線性穩(wěn)壓器輸入電壓和輸出電壓的壓差必須大于2V以上才能正常工作，優(yōu)化電路使輸入電壓和輸出電壓的壓差低于2V時(shí)也能正常工作，這種三端線性穩(wěn)壓器稱為低壓差三端線性穩(wěn)壓器，即LDO，甚至還有超低壓差的三端線性穩(wěn)壓器。

線性穩(wěn)壓器的調(diào)整管工作在放大區(qū)，功耗由輸入和輸出電壓的壓差以及負(fù)載電流決定：Ploss=(Vin-Vo)·Io，功耗非常大。三極管工作特性有三個(gè)工作區(qū)：放大區(qū)、截止區(qū)和飽和區(qū)。截止區(qū)不導(dǎo)通，幾乎沒(méi)有損耗;飽和區(qū)壓降低，導(dǎo)通損耗非常小。如果讓線性穩(wěn)壓器的調(diào)整管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，也就是在截止區(qū)、飽和區(qū)來(lái)回高頻切換工作，就避免了放大區(qū)工作損耗非常大的問(wèn)題。

圖4：調(diào)整管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)

阻性負(fù)載的高頻切換電壓波形為脈沖方波，脈沖方波的平均值為輸出電壓值，也就是：

Vo=Vaverage=Vin·ton/Ts=Vin·D

D=ton/Ts，為占空比。工作頻率固定時(shí)，調(diào)整三極管的導(dǎo)通時(shí)間，就可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，從而使脈沖方波電壓的平均值滿足設(shè)定的要求。

電壓脈沖方波的幅值為輸入電壓，同時(shí)電流也是脈沖方波，這樣的電壓和電流波形不能直接給負(fù)載供電。穩(wěn)定的電源輸出電壓恒定，當(dāng)輸出負(fù)載穩(wěn)定時(shí)，輸出直流電流也固定不變。

電感具有平滑電流的濾波能力，將電感插入在三極管的發(fā)射極和輸出負(fù)載之間，就可以將脈沖電流過(guò)濾成相對(duì)平滑的直流電流。

電容具有平滑電壓的濾波能力，輸出端再并聯(lián)電容，平滑脈沖電壓，就可以得到穩(wěn)定的直流輸出電壓。

脈沖電壓和脈沖電流波形，通過(guò)LC濾波器，就可以得到相對(duì)平滑、穩(wěn)定的直流電壓和直流電流，從而給負(fù)載安全穩(wěn)定的供電。

圖5：電感平滑脈沖電流，電容平滑脈沖電壓

三極管導(dǎo)通時(shí)，輸入端、電感和輸出端構(gòu)成電流通路;三極管關(guān)斷時(shí)，由于電感要維持原來(lái)的電流，這樣就沒(méi)有續(xù)流回路，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)用問(wèn)題。

圖6：電感電流路

電感和輸出端直接相連，不可能再加入續(xù)流回路，因此只能在電感和三極管的連接端加入續(xù)流回路。

續(xù)流回路另一端可能的連接點(diǎn)只有輸入端和地，電感已經(jīng)通過(guò)三極管連接到輸入端，因此，續(xù)流回路另一端也就只能連接到地。

圖7：電感續(xù)流回路

在電感和地之間加一個(gè)具有單向?qū)щ娞匦缘亩O管，就可以保證三極管開(kāi)通時(shí)不影響其工作，同時(shí)，在三極管關(guān)斷時(shí)給電感提供續(xù)流的回路。這樣，就構(gòu)成了基本的高頻開(kāi)關(guān)降壓變換器主電路， 也就是BUCK變換器主電路。

功率MOSFET工作頻率更高、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，取代了三極管作為開(kāi)關(guān)管;續(xù)流的二極管的導(dǎo)通壓降高、損耗大、效率低，用功率MOSFET取代續(xù)流二極管，就構(gòu)成同步BUCK變換器，而下端使用二極管續(xù)流的結(jié)構(gòu)稱為非同步BUCK變換器。

圖8：同步和非同步BUCK變換器

同步BUCK變換器更簡(jiǎn)單記憶方法：半橋電路加LC濾波器，就組成了同步BUCK變換器。

圖9：半橋電路加LC濾波器組成同步BUCK變換器

輸出電壓加入反饋調(diào)節(jié)，同時(shí)加入過(guò)流、過(guò)溫、過(guò)壓、欠壓、軟起動(dòng)等一些保護(hù)功能去控制BUCK變換器主電路，就構(gòu)成了BUCK變換器的控制芯片。如果將上端的功率MOSFET、下端續(xù)流功率MOSFET或二極管也集成到芯片里面，就構(gòu)成了單芯片BUCK變換器。

BUCK降壓變換器將高的輸入電壓轉(zhuǎn)化為低的輸出電壓，就必須將輸入電壓斬波，然后取平均，因此，主開(kāi)關(guān)管串聯(lián)在輸入端?；蛘哒f(shuō)，輸入電壓、輸出電壓的壓差必須要由有源元件吃掉，因此，主開(kāi)關(guān)管必須連接到輸入端和輸出端之間。

開(kāi)關(guān)管和輸出端之間插入濾波電感，平滑脈沖電流，因此電感連接在輸出端。

電感和地之間插入續(xù)流二極管，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)為電感電流續(xù)流，就構(gòu)成了基本的BUCK降壓變換器主電路。

從分壓電阻、穩(wěn)壓管、調(diào)整管、開(kāi)關(guān)工作，到插入濾波電感和續(xù)流二極管，一步步演進(jìn)到BUCK降壓變換器主電路，BUCK降壓變換器的結(jié)構(gòu)非常容易記住了吧，工作原理的理解也自然水到渠成。

看完文章，從分壓電阻開(kāi)始，一步步將圖畫(huà)一遍，以后，它就是你的。