探討開關穩(wěn)壓的基本原理是什么

開關穩(wěn)壓器是高效產生穩(wěn)定電源電壓和向上或向下轉換電壓的重要電路。

產生能夠驅動大量電流的穩(wěn)定電壓是電子設計的基本任務之一。低壓電子電路的基本模型是這樣的：

提供具有充足電流驅動能力的電壓作為系統(tǒng)的主要輸入之一。

該輸入電壓可能過高或變化太大，無法直接在電路中使用，被轉換為一個或多個穩(wěn)壓電源電壓，其幅度與用電元件的規(guī)格相對應。

這些元件（微控制器、運算放大器等）使用穩(wěn)壓電源電壓來執(zhí)行電路所需的功能。

有多種方法可以實現(xiàn)此目的。當我剛開始設計電路時，我盡可能使用線性穩(wěn)壓器，例如7805。然而，如今，不可否認開關穩(wěn)壓器通常是優(yōu)越的方法，根據(jù)我的經驗，它們通常是優(yōu)越的方法。

在本文中，我們將討論命名法，然后探討開關穩(wěn)壓的基本原理。

開關穩(wěn)壓器術語

“開關（電壓）調節(jié)器”可能是表示此類電路的最常見和最容易識別的術語。但是，您還將看到以下術語的各種組合：

開關模式電源

切換臺或開關

轉換器或穩(wěn)壓器

直流/直流

實際上，我更喜歡“開關模式穩(wěn)壓器”或“開關模式電源”，因為“開關模式”更成功地傳達了這些電路的性質：開關是它們完成調節(jié)或轉換電壓任務的模式。

所有這些術語都存在歧義，很少引起問題，但值得注意：“開關穩(wěn)壓器”或“開關模式電源”理論上可以指使用開關與電感器或電容器結合使用來產生電源軌的電路。

電感器與基于電容器的開關模式電源

但實際上，上述術語僅限于基于電感的開關穩(wěn)壓器。圖1是基于電感的開關模式穩(wěn)壓器示例。絕大多數(shù)開關模式電源都是基于電感的。這些將是本文的主要重點。

圖1.基于電感的開關電源的基本拓撲結構。圖片（修改）由維基共享資源提供

基于電容的開關穩(wěn)壓器（如圖2所示電路）通常稱為“電荷泵”電源或“開關電容”電源。圖1和圖2都是產生高于輸入電壓的輸出電壓的電路示例。

圖2.基于電容器的開關電源的基本拓撲結構。

線性電壓調節(jié)

現(xiàn)在讓我們考慮線性穩(wěn)壓器，如圖3所示。線性穩(wěn)壓器只能降低電壓，所以我們知道輸入電壓高于輸出電壓。

圖3.線性電壓調節(jié)框圖。作者形象

線性穩(wěn)壓器需要少量電流才能工作;這稱為接地電流。接地電流通常微不足道，因此我們忽略它，假設流入穩(wěn)壓器的電流等于流出穩(wěn)壓器并流入供電負載電路的電流。

現(xiàn)在讓我們考慮一下權力。我們將電功率計算為電壓乘以電流，并且由于輸出具有相等的電流，但相對于輸入的電壓較低，因此必須在某個地方損失功率。您還可以想象線性穩(wěn)壓器是具有壓降的簡單電阻元件：

本例中，線性穩(wěn)壓器的功耗PREG是：

事實上，線性穩(wěn)壓器中的一個組件是開關，不是機電開關，而是能夠用作純電氣開關的晶體管。但是，我們不將線性穩(wěn)壓器稱為開關穩(wěn)壓器，因為開關不會打開和關閉;相反，開關在具有顯著電阻的中間狀態(tài)下工作，并且該電阻會消耗功率并允許降低電壓。

線性調節(jié)簡單而高效，但效率低下。該開關在中間電阻狀態(tài)下工作，并以熱量的形式耗散潛在的大量功率。除非您希望您的調節(jié)器充當調節(jié)器和電加熱器，否則這種功率將被浪費。

開關模式電壓調節(jié)

這就引出了開關模式穩(wěn)壓器的概念。如果我們能夠保持開關完全開啟或完全關閉——換句話說，如果我們能夠避免高功率耗散中間區(qū)域——我們就可以創(chuàng)建一個更高效的穩(wěn)壓器。但我們對線性穩(wěn)壓器的討論表明，浪費的功率對于降低電壓是必要的。怎么辦？

這就是電感器的用武之地。電感器以這樣一種方式存儲和釋放能量，使得通過電感器的電流不能瞬時改變。開/關開關動作導致電感電流逐漸增加和減少。當電感器與電容器結合使用時，所得LC濾波器可以將開/關波形平滑為相對穩(wěn)定的電壓。平滑電壓的大小由開/關波形的占空比決定。

例如，讓我們看一下圖 4。濾波后，不同的占空比（在本例中為10%、50%和90%）對應于不同的直流電壓電平（由紅色曲線表示）。這些直流電壓電平并不完全平坦，因為濾波后仍然存在一些紋波。

圖4.直流電壓電平與PWM占空比成函數(shù)的關系。作者形象

因此，我們可以在高頻下打開和關閉開關，然后使用脈寬調制和濾波來創(chuàng)建所需的直流輸出電壓。我們 還 可以 監(jiān)測 反饋 信號， 并 根據(jù) 負載 條件 調整 PWM 占空比。這是開關穩(wěn)壓器電路中的基本工作模式：電感濾波，可在開/關開關動作下提供一致的負載電流;用于調節(jié)電壓的反饋和PWM。

即使開關以高頻工作，它仍然大部分時間處于低功耗狀態(tài)（即完全開啟和完全關閉狀態(tài)）。這就是為什么開關穩(wěn)壓器比線性穩(wěn)壓器效率高得多的原因。

當然，還有很多細節(jié)和變化我沒有提到，但如果你了解了這一切，你就有了進一步學習的堅實基礎。

開關穩(wěn)壓器電路示例：降壓轉換器

圖5顯示了降壓轉換器（也稱為降壓轉換器）的基本拓撲結構。它采用開關模式操作來減小直流輸入電壓的大小。（請注意，嚴格來說，這不是穩(wěn)壓器，因為它不包括在可變負載條件下保持穩(wěn)定電壓所需的反饋子系統(tǒng)。

圖5.一種開關穩(wěn)壓器電路的示例：降壓轉換器。

編輯：黃飛

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