通俗易懂的开关电源基础知识（38页pdf下载） -

标题: 通俗易懂的开关电源基础知识（38页pdf下载） [打印本页]

作者: camel888 时间: 2018-10-11 20:58
标题: 通俗易懂的开关电源基础知识（38页pdf下载）
很不错的DCDC基础知识，很值得入门学习和提高。

作为电源行业的技术编辑，每天编写及整理出一篇篇技术文章便是我们工作的乐趣与重心。在常人眼里，编辑工作似乎既繁琐又枯燥无味。但是身为编辑的我却可以深刻地体会到：虽然工作非常辛苦，但却异常幸福。

因为这是一个可以不停地思考、不停地接触新知识、不停地读书、不停地将灵感转化为现实的工作；同时，把自己编辑过程中的点滴努力都体现在文章中，留下一个个实实在在的印记。而今天我有幸将这些我所了解的知识变成一本小小的电子书，这一份强烈的欣喜感油然而生。

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《开关电源基础知识》是电源网的第一本电子书，之后我们联合 TI 还会继续推出更多更好的培训及相应电子书。我们希望可以将视频中最有参考与学习价值的东西以电子书的形式呈现给大家。所以，也恳请广大读者以及工程师批评指正，以便在以后的版本中及时修正。在此也想对部分已经观看过培训视频、并给出很多积极反馈的工程师朋友表示感谢。希望更多工程师朋友加入到与我们互动的行列中，分享你的学习经验。

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制 IC 和MOSFET 构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入 80 年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入 90 年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。

开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。

开关电源基础知识( Switcher-Fundamentals)培训课程共计五个章节：本拓扑类型、效率与输入输出及占空比的关系、同步与非同步的定义、隔离与非隔离、脉宽调制与变频各类控制方式特点。其深入浅出的说明了基础概念，建立电源设计沟通的平台。

1.1 开关电源的类型
1.1.1线性稳压器，所谓线性稳压器，也就是我们俗话说的 LDO，一般有这么两种特点：
  传输元件工作在线性区，它没有开关的跳变；
  仅限于降压转换，很少会看到升压的应用。
1.1.2开关稳压器
  传输器件开关(场效应管)，在每个周期完全接通和完全切断的状态；
  里面至少包括一个电能储能的元件，如：电感器或者电容器；
  多种拓扑（降压、升压、降压-升压等）
1.1.3充电泵，一般在一些小电流的应用
  传输器件开关(如：场效应管、三极管)，有些完全导通，而有些则工作在线性区；
  在电能转换或者储能的过程中，仅限使用了电容器，如一些倍压电路。
答疑：有些情况为什么要使用开关稳压器？为什么不用LDO和充电泵？
我们知道，所有的能量都不会凭空消失，损耗的能量最终会以热的形式传递出去，这样，工程师在设计中就会产生很大的挑战，比如说，损耗最终以热的形式传递，那么电路中就需要增加更大的散热片，结果电源的体积就变大了，而且整机的效率也很低。
如果在开关模式的开关电源，不仅可以提高效率，还可以降低了热管理的设计难度。我们可以举一个例子来对比线性电源和开关电源的效率和体积：

从它们的效率来看，一个 12V输入，3.3V/2A输出的电源，如果用线性稳压器来实现的话，它输出效率只有28%，而用开关电源来做的话，它的输出效率能达到 90%以上。所以线性电源在高输入电压，低输出电压的情况下的效率是非常的低，它只适用于一些输入和输出的压差比较低的场合。像这些情况下使用开关电源的优势是显而易见的。线性稳压器的损耗为17.4W，开关稳压器的损耗只有 0.73W，这些损耗最终会以热量的形式传递出去，器件的工作温度=器件温升+环境温度，温升=热阻 × 损耗的情况下：假如器件的热阻 θ=35℃/W来计算，LDO 的温升=35℃ × 17.4W=609℃，开关稳压器温升=35℃ × 0.73W=25.55℃。可见，开关稳压器可以工作在 60~70℃的环境温度也是没问题的，而 LDO 在这种情况下，发热非常严重，必须得降低它的热阻，而热阻的大小就取决于散热面积，散热面积越大，热阻就越小，所以 LDO 需要很大的散热面积(如下图)，来减少它的热阻以获得较低的温升。

上图红色标注地方分别是一个 2.5W的 LDO和一个 6W的开关电源，两者功率相差 2.4倍，但开关电源的面积仅是 LDO 的 1/4 不到，也就是说开关电源的损耗大大减少了，能够承受更高的热阻，减少散热的面积。
再次强调一遍，如果说输入与输出之间压差较低的情况下，可以使用 LDO，但压差较大的情况下，建议使用开关电源。当然，开关电源也有它的劣势，它的输出会有噪声、振铃、跳变，而 LDO则不会。某些场合的负载对电源的电压是很敏感的话，可以在开关电源后面载加一级 LDO。例如我们要把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用开关电源变为1.5V，再用 LDO把 1.5V转为1.2V，这样，效率就会高，是一个比较优化的设计。

1.1.5 总结：开关电源 VS线性稳压器
（1）开关电源
①  能够提升电压（升压）
②  以及使电压减低（降压）甚至反相
③  具有较高的效率和功率密度

（2）线性稳压器
①  只能实现降压
②  输出电压相对更稳定
③
1.2什么是开关稳压器？

开关稳压器，英文(regulatior)，有人叫它调节器、稳压源。实现稳压，就是需要控制系统(负反馈)，从自动控制理论中我们知道，当电压上升的时候通过负反馈把它降低，当电压下降的时候就把它升上去，这样形成了一个控制的环路。如图中的方框图是 PWM(脉宽控制方式)，当然还有其他如：PFM(频率控制方式)、移相控制方式等。

1.3脉宽调试方式(PWM)

1.3.1 周期性的改变开关的导通与关断时间的简单方法

占空比：开通的时间Ton与开关周期T 的比值，ton(开通时间) + toff(关断时间) = T(开关周期)，占空比D=ton / T。但是，我们不能采用一个脉冲输出！需要一种实现能量流动平稳化的方法。通过很多的脉冲，高频地切换，将在开关接通期间存储能量而在开关切断时提供此能量的手段，从而实现平稳的电压。

1.3.2 在电子行业中有两种主要储能器件

1.4实例：简化的降压开关电源

如图是一个简化的降压的开关电源，为了方便电路的分析，先不加入反馈控制部分。
状态一：当S1闭合时，输入的能量从电容 C1，通过S1→电感器 L1→电容器 C2→负载RL供电，此时电感器L1同时也在储存能量，可以得到加在 L1上的电压为：Vin-Vo=L*di/dton。
状态二：当S2 关断时，能量不再是从输入端获得，而是通过续流回路，从电感器 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Vo/Vin=D，而Vo永远是小于Vin的，因为占空比D≤1。
各个器件的作用：
1、输入电容器(C1) 用于使输入电压平稳；
2、输出电容器(C2) 负责使输出电压平稳；
3、箝位二极管(D1) 在开关开路时为电感器提供一条电流通路；
4、电感器(L1) 用于存储即将传送至负载的能量。

开关电源是一个闭环的控制系统，我们可以把开关电源的电流比喻为水流，输入电容就是一个高的蓄水池、输出电容是一个小的蓄水池，把一小杯一小杯的水从大水池传送到小水池，通过控制传送的间隔时间和水杯的水量从而实现小水池固定的水量，当输出的水量低了，就增加杯子的水量，当输出的水量高了，就减少杯子的水量。

1.7降压转换器基础（电流和电压波形）

当开关开通的时候，能量从输入向输出传递，电流是斜线上升的，好比模型里杯子的水往小水池传送；当小水池的水偏高了，开关就关断，这时电感、负载、二极管形成自然的续流回路，电流开始线性减少；当小水池的水低到一定程度后，重新开始开通开关；通过这样高频率的开通和关断，就形成一个稳定的输出电压。

上图就是一个电路结构，我们可以通过两个电阻的分压采样输出的电压，再经过一个比较器和基准比较，如果输出小于基准，MOS管就开通；如果输出大于基准，就关断 MOS管。
下图是用 LM22670芯片做的电路示例，这就是一个典型的非同步降压转换器，因为他下管是用了一个快恢复或者肖特基二极管。为什么要用肖特基呢？因二极管的寄生参数和漏感会导致在MOS管在开通时产生一个高压的震荡，这个震荡最终会导致芯片的 SW引脚高压损坏和开关损耗非常大，导致效率很低，所以一般会使用快恢复或者肖特基二极管。

升压转换器也可以用水流的模型来比喻，和降压转换器不同的只是把低处的水流往高处传送。我们可以用拓扑结构图和波形图来分析。

左图就是升压转换器(Boost)的拓扑结构，我们前面讲过，电感 L是一个储能元件，当开关管导通的时候，输入的电压对电感充电，形成的回路是：输入 Vi→电感 L→开关管 Q；当开关管关断时，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，因此这时候输出的电压肯定就比输入的电压高，从而实现升压。

1.11升压转换器拓扑和电路示例

上图所示升压转换器的控制回路是通过分压电阻的采样，然后经过误差比较器和基准源比较，最后输出PWM。需要注意的是这种电路在芯片不工作的时候，它的输入到输出就已自然经形成了回路，从输入→电感→二极管→电容→负载，所以如果不是在同步的升压拓扑结构里面，在输入电路部分应该增加一个切换电路，否则在电池供电的时候，电池的电量就白白用完了。

状态一：开关管开通，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：开关管关断，二极管D正向导通续流，电流回路为：电感器L→电容C→负载R二极管D；输出什么时候是升压，什么时候是降压呢？我们可以根据公式 Vo=Vin×D/(1-D) 中道，当D=0.5时，Vo=Vin；当D＜0.5时，Vo＜Vin；当D＞0.5时，Vo＞Vin。而且我们以看到，这种拓扑结构我们很容易得到了负向的电压，当某些场合不想用隔离变压器拉抽的方式的时候我们可以用这种方式来实现负电压。

1.13降压-升压转换器拓扑

上图是用TPS5430DA实现的一个负电压输出的电路， TPS5430DA和 LM22670的引脚相同，两者可以互换。

1.14控制器与稳压器

控制器(Controler)和稳压器(Regularlator)，上图是一个控制器和稳压器的区分参考，集成开关管的IC我们一般称之为稳压器，需要外置开关管的 IC我们称之为控制器，而图中的描述我们只能作为一个参考，现在很多的稳压器已经可以做到大于 3A，而且热阻低到10℃/W也有很多，但很多大功率的开关电源还是需要控制器，外置 MOS管。

1.15开关稳压器总结

第三章同步于非同步

3.1什么是同步与非同步
（1）非同步
如果说我们的 high mosfes 和LOW mosfes 同步的时候，会发现有些应用它就叫开关管，并没有叫high mosfes 和 LOW mosfes ，也就是高端 mos管和低端 mos 管；那么这种情况的肯定就是非同步的，因为他只有一个 mos管（或者说开关管）所以他不用去强调同步于非同步了。
（2）同步
同步是采用通态电阻极低的专用功率 MOSFET，来取代整流二极管以降低整流损耗的一项新技术。它能大大提高 DC/DC 变换器的效率并且不存在由肖特基势垒电压而造成的死区电压。功率 MOSFET 属于电压控制型器件，它在导通时的伏安特性呈线性关系。用功率 MOSFET 做整流器时，要求栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步才能完成整流功能，故称之为同步整流。

3.2区分同步、非同步
在应用中上下管都有场效应管的都有场效应管的就同步的，只有一个上管的开关的就是非同步的，或者说如下图两个的 buck 电路，在主功率那一级中的功率开关管是我们常见的如图 1，而下的续流二极管变成了开关管，那么这个开关管就叫同步场效应管如图 2。那么图1就是非同步的，而图 2就是同步的。

如下图：
一个控制器，外围加上上下两个 MOS管，那么上管就可以当功率管，下管当做同步的场效应管，如此就可以看出他是一个同步结构的 Buck电路。

3.3同步，非同步的优缺点
（1）非同步的优缺点
  在输出电流变化的情况下，二极管的电压降相当恒定当续流二极管正向导通时，输出电流变化，二极管的正向压降是恒定不变的，锗管的压降为0.2-0.3V,硅管的压降为 0.7V。

  效率低
因为二极管的电压降恒定，所以当流过二极管的电流很大的时候，原本在二极管上很小的电压再乘以电流之后，输出的电压很低的时候，这时候的二极管的小电压降就占了很大的比重，它的消耗功率就很可观了，所以在大电流的时候效率就会减低了。

  比较便宜
大家都知道的二极管的价格肯定是比 MOS 的价格便宜的，这里说是可以是同等条件下的，大家都是用同一个衬底的情况下。如果说一个是普通衬底的 mos管，而另外一个是碳化硅衬底的二极管，或者说一个是低压的 mos管和一个高压的二极管，那么他们的价格就不一定是二极管的比 mos管的便宜了。

  可采用较高的输出电压
在输入电压比较高的时候使用是比较好的，因为在输出电压高时，二极管的正向导通压价所占的比重就很小，对效率的影响就比较低，而且它的电路结构比较简单，不需要外加控制电路，生产的工艺流程也会比较简单。

（2）同步的优缺点
  MOSFET 具有较低的电压降
在MOSFES的参数中有一个很重要的参数那就是 MOSFES的导通电阻Rds on ，一般情况MOSFES 的导通电阻Rds on是非常小的，一般都为毫欧级别，所以 MOSFES在导通之后的压降非常比较低的。
  效率较高
在相同的条件下，一般的 MOS 管的导通电压降远远小于普通肖特基二极管的正向导通压降的，所以在电流不变的情况下，MOS管的损耗功率是远远比二极管小的，所以说使用MOS管的效率会比使用二极管的效率会高

  需要额外的控制电路
Mos 管需要驱动电路的，所以说同步的需要为 MOS 管额外添加一个控制电路，使得上下两个 MOS 管能够同步，而非同步的二极管是自然整流的，所以不需要额外添加驱动控制电路，所以所先对非同步，同步的电路也会比较复杂。

  成本比较高
由于一般相同 mos管的价格比二极管高，而且 mos管还需要驱动电路，驱动ic，所以在成本上同步的比非同步的制造成本相对会贵一些，生产的流程工艺也会复杂一些。

3.4同步于非同步的选择
  效率
在看完各自的优缺点之后，在制作时到底该如何选择同步于非同步呢？如果要求效率比较高，而成本高一点无所谓的话，那么必定是要选择的同步的。上面也提到了，mos 管损耗小，可以提高效率，但它也比较贵，成本也高。

  成本
同步也非同步之间，非同步的续流是二极管，它的的价格比 mos管便宜，而且不需要额外的控制电路，电路简单的多，所以它无论是材料成本还是制作成本都要比同步的低，所以在要求效率不是很高的时候也可以选择非同步。

  可靠性
还有一个就是可靠性，非同步的可靠性肯定是比同步的更加可靠的，为什么呢，因为mos 管不可能是理想的开关，它也是有开通时间和关断时间的，所以如果上下两个管子的死区时间没有控制好，使上管的关断时间和下管的开通时间有重叠，造成有直通现象，那么mos 管就会因电流过大而损坏。

所以在选择同步的时候时序的选择也是一个很重要的问题。因此同步的时候控制 IC 的选择也是个比较重要的问题图 4，IC只是个集成功率 FET 的控制器，如果要把它的整流二极管换成 mos管做同步的时候，那么它的死区就要严格的控制了，但是如果像图 5中的IC，它集成了上下管，这些就不需要担心的太多了。

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作者: yaninco3385 时间: 2018-10-21 11:32
谢谢分享收藏了

作者: sshl 时间: 2018-10-30 09:02
谢谢分享

作者: zhaojr 时间: 2018-11-14 23:39
好东西。。。。。。。。。。。。。

作者: 刘皓杰 时间: 2019-3-29 07:42
讲的很详细，还是中文版

作者: sm9488 时间: 2019-4-4 10:27

谢谢分享收藏了

作者: happy168k 时间: 2019-4-8 09:51

谢谢分享收藏了

作者: jxchen 时间: 2019-11-24 18:05
很棒~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

作者: 白菜帮 时间: 2019-11-25 08:06
很好的资料收藏支持一下。

作者: 噢耶叶叶 时间: 2019-12-25 17:01
谢谢，很好的资料

作者: 温xyz 时间: 2020-1-17 22:46
谢谢分享，很好的学习资料。

作者: zhyzsn 时间: 2020-1-29 20:33
下载学习，谢谢分享，很好的学习资料

作者: syxmail93 时间: 2020-2-1 14:16
太好了, 等有币了再下载来看, 感谢分享!!!

作者: zhjzl004 时间: 2020-2-5 14:49
有图有真相，简单易学，谢谢楼主！

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