開關(guān)電源的工作原理及特性

3 開關(guān)電源

開關(guān)電源是晶體管在全開模式（飽和區(qū)）及全閉模式（截止區(qū)）之間切換的電源。

晶體管在飽和區(qū)和截止區(qū)時(shí)，都具有低消耗的特性；雖然切換時(shí)處于放大區(qū)，但時(shí)間短，比較節(jié)省能源，產(chǎn)生廢熱較少。

下圖是開關(guān)電源和線性電源的功率損耗對(duì)比：

開關(guān)電源電力轉(zhuǎn)換分類可分為：

1）AC/DC開關(guān)電源。由PWM控制器+晶體管+變壓器+穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn)。常見的應(yīng)用如電源適配器。

2）DC/DC開關(guān)電源。由PWM控制器+晶體管+儲(chǔ)能器件實(shí)現(xiàn)。

3）DC/AC開關(guān)電源。由PWM控制器+晶體管實(shí)現(xiàn)，常見的應(yīng)用如電動(dòng)汽車?yán)锏?a target="_blank">電機(jī)。

4）AC/AC開關(guān)電源。由AC/DC+DC/AC組成。

DC/DC是我們電氣設(shè)備中最常用的電源。今天我們主要從電源拓?fù)浞诸惿现v解電感型（降壓、升壓、降壓-升壓）和電容型（電荷泵）的工作原理。

3.1 降壓型DC/DC

最常見的降壓型DC/DC拓?fù)錇锽uck。

3.1.1 Buck型電源工作原理

我們可以把Buck電源的電流比喻為水流，輸入電容就是一個(gè)高的蓄水池、輸出電容是一個(gè)小的蓄水池，把一小杯一小杯的水從大水池傳送到小水池，通過控制傳送的間隔時(shí)間和水杯的水量從而實(shí)現(xiàn)小水池固定的水量，當(dāng)輸出的水量低了，就增加杯子的水量，當(dāng)輸出的水量高了，就減少杯子的水量。

當(dāng)開關(guān)開通的時(shí)候，能量從輸入向輸出傳遞，電流是斜線上升的，好比模型里杯子的水往小水池傳送；當(dāng)小水池的水偏高了，開關(guān)就關(guān)斷，這時(shí)電感、負(fù)載、二極管形成自然的續(xù)流回路，電流開始線性減少；當(dāng)小水池的水低到一定程度后，重新開始開通開關(guān)；通過這樣高頻率的開通和關(guān)斷，就形成一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓。

3.1.2 非同步、同步Buck電源

在Buck型電源中，上下管都有場(chǎng)效應(yīng)管的都有場(chǎng)效應(yīng)管的就同步的，只有一個(gè)上管的開關(guān)的就是非同步的。如圖 1 就是非同步的，而圖 2 就是同步。

下圖是用 LM22670 芯片做的電路示例，這就是一個(gè)典型的非同步降壓轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樗南鹿苁怯昧艘粋€(gè)肖特基二極管。為什么要用肖特基呢？因二極管的寄生參數(shù)和漏感會(huì)導(dǎo)致在 MOS 管在開通時(shí)產(chǎn)生一個(gè)高壓的震蕩，這個(gè)震蕩最終會(huì)導(dǎo)致芯片的 SW 引腳高壓損壞和開關(guān)損耗非常大，導(dǎo)致效率很低，所以一般會(huì)使用快恢復(fù)或者肖特基二極管。

下圖是用 TPS40192芯片做的電路示例，這就是一個(gè)典型的同步降壓轉(zhuǎn)換器。一個(gè)控制器，外圍加上上下兩個(gè) MOS 管，那么上管就可以當(dāng)功率管，下管當(dāng)做同步的場(chǎng)效應(yīng)管。

3.1.3 同步，非同步的優(yōu)缺點(diǎn)

1）效率對(duì)比

非同步采用二極管，即使采用鍺管，壓降也有 0.2-0.3V。輸出的電壓很低的時(shí)候，二極管的小電壓降就占了很大的比重，它的消耗功率就很可觀了，所以在大電流的時(shí)候效率就會(huì)減低了。

同步采樣MOS管 ，MOS管的導(dǎo)通電阻 Rds on 是非常小的，一般都為毫歐級(jí)別。在相同的條件下，一般的 MOS 管的導(dǎo)通電壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通肖特基二極管的正向?qū)▔航档模栽陔娏鞑蛔兊那闆r下，MOS 管的損耗功率是遠(yuǎn)遠(yuǎn)比二極管小的，所以說(shuō)使用 MOS 管的效率會(huì)比使用二極管的效率會(huì)高。

2）成本對(duì)比

非同步的續(xù)流是二極管，它的的價(jià)格比 mos 管便宜，而且不需要額外的控制電路，電路簡(jiǎn)單的多。

所以非同步無(wú)論是材料成本還是制作成本都要比同步的低。

3）可靠性對(duì)比

非同步的可靠性肯定是比同步的更加可靠的。

因?yàn)閙os 管不可能是理想的開關(guān)，它也是有開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間的，所以如果上下兩個(gè)管子的死區(qū)時(shí)間沒有控制好，使上管的關(guān)斷時(shí)間和下管的開通時(shí)間有重疊，造成有直通現(xiàn)象，那么 mos 管就會(huì)因電流過大而損壞。

3.2 升壓型DC/DC

最常見的升壓型DC/DC拓?fù)錇锽oost。

3.2.1Boost電源工作原理

升壓轉(zhuǎn)換器也可以用水流的模型來(lái)比喻，和降壓轉(zhuǎn)換器不同的只是把低處的水流往高處傳送。

Boost的工作原理如下：

1）當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)候，輸入的電壓對(duì)電感充電，形成的回路是：輸入 Vi→電感 L→開關(guān)管 Q；

2）當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，輸入的能量和電感能量一起向輸出提供能量，形成的回路是：輸入 Vi→電感 L→二極管 D→電容 C→負(fù)載 RL，因此這時(shí)候輸出的電壓肯定就比輸入的電壓高，從而實(shí)現(xiàn)升壓。

3.2.2 非同步、同步Boost

同Buck型電源一樣，Boost型電源同樣也有非同步和同步。

如下圖 1就是非同步的Boost。需要注意的是這種電路在芯片不工作的時(shí)候，它的輸入到輸出就已自然經(jīng)形成了回路，從輸入→電感→二極管→電容→負(fù)載，所以如果不是在同步的升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)里面，在輸入電路部分應(yīng)該增加一個(gè)切換電路，否則在電池供電的時(shí)候，電池的電量就白白用完了。

3.3 降壓-升壓型DC/DC

最常見的降壓-升壓型DC/DC拓?fù)錇锽uck-Boost。一般是用來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)壓電源。

Buck-Boost的工作原理如下：

1）開關(guān)管開通，二極管 D 反向截止，電感器儲(chǔ)能，電流回路為：輸入 Vin →開關(guān)管 Q→電感器 L；

2）開關(guān)管關(guān)斷，二極管 D 正向?qū)ɡm(xù)流，電流回路為：電感器 L→電容 C→負(fù)載 RL→二極管 D；

3）我們可以根據(jù)公式 Vo=Vin×D/(1-D) 中知道，當(dāng) D=0.5 時(shí)，Vo=Vin；當(dāng) D＜0.5 時(shí)，Vo＜Vin；當(dāng) D＞0.5 時(shí)，Vo＞Vin。

下圖是用 TPS5430DA芯片做的非同步負(fù)壓電路。

3.4 電感型開關(guān)電源總結(jié)

根據(jù)晶體管的調(diào)制方式，DC-DC開關(guān)電源又可以分PWM（脈寬調(diào)制） 和 PFM（脈沖頻率調(diào)制），這里就不詳細(xì)介紹了。感興趣的小伙伴，可以去看看TI官網(wǎng)下載《電源基礎(chǔ)知識(shí)》學(xué)習(xí)。

下面我們簡(jiǎn)單把DC-DC開關(guān)電源和線性電源做個(gè)簡(jiǎn)單對(duì)比：

儲(chǔ)能器件為電感的開關(guān)電源，稱為感式開關(guān)電源。那么還有別的儲(chǔ)能器件嗎？有的如電容。

沒有使用電感作為儲(chǔ)能器件，稱為無(wú)感式開關(guān)電源，又稱為電容式開關(guān)電源。我們也可以稱它為電荷泵(chargepump)。