Buck型開(kāi)關(guān)電源的基本原理和組成結(jié)構(gòu)

導(dǎo)讀：

筆者發(fā)現(xiàn)大部分硬件工程師不太懂開(kāi)關(guān)電源原理，害怕其電源設(shè)計(jì)，不懂電源layout，面對(duì)電源問(wèn)題摸不清方向。當(dāng)然做計(jì)算機(jī)硬件產(chǎn)品達(dá)到一定規(guī)模的公司，都配備了專門(mén)的電源工程師來(lái)把關(guān)產(chǎn)品的電源設(shè)計(jì)。然而，規(guī)模小一點(diǎn)的公司，硬件工程師基本上要負(fù)責(zé)電源在內(nèi)的所有硬件電路設(shè)計(jì)。出問(wèn)題最多的往往還是看似不起眼的各種電源問(wèn)題。

因此，筆者想在“計(jì)算機(jī)硬件合集”核心內(nèi)容開(kāi)始前先講講開(kāi)關(guān)電源。當(dāng)然一篇博文不可能把開(kāi)關(guān)電源介紹完整，筆者主要目的是讓各位工程師了解開(kāi)關(guān)電源最基本的工作原理；在此基礎(chǔ)上，以后看到各廠商的電源方案，看到類似CPU核電源這種高電流和高性能的多相復(fù)雜電源控制器、心里不慌，知道哪些是關(guān)鍵；還有遇到電源問(wèn)題腦海里有清晰的調(diào)試方法和步驟；能指導(dǎo)PCB layout工程師對(duì)電源關(guān)鍵信號(hào)布局布線。

事實(shí)上，能理解開(kāi)關(guān)電源基本工作原理，以上這些問(wèn)題都不是難題，再?gòu)?fù)雜的電源控制器其基本拓?fù)洳粫?huì)變，無(wú)非就是增加了一些負(fù)載均衡，提高電壓電流檢測(cè)精度，提高動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電源輸出能力等關(guān)鍵電路。還有一些附加功能，比如：功耗管理、溫度控制和過(guò)壓、過(guò)流等故障保護(hù)等。

功率變換的實(shí)際電路拓?fù)湟恢睕](méi)有明顯改變，仍然是三個(gè)基本拓?fù)洌篵uck電路（降壓型）、boost電路（升壓型）和buck-boost電路（先降壓再升壓型），本公眾號(hào)主要關(guān)注計(jì)算機(jī)硬件電路，而計(jì)算機(jī)板級(jí)上的每一路電源基本屬于buck拓?fù)?，因此本文主要介紹buck型電路基本原理。

掌握好開(kāi)關(guān)電源，必須理解電感、電容這兩個(gè)關(guān)鍵元件，尤其電感。本文將從電感、電容、開(kāi)關(guān)管、拓?fù)洹㈤_(kāi)關(guān)電源基本組成結(jié)構(gòu)、脈寬調(diào)制原理等方面一步步揭開(kāi)開(kāi)關(guān)電源神秘的面紗。

電容

常用電容

MLCC（NPO，C0G，X7R，X5R，Y5V…）

電解電容（ 鋁，鉭，OS-CON， Poscap）

瓷片電容等幾類

電容的作用：

濾波

去耦合（LC）

旁路

AC 耦合

調(diào)諧

RC delay

儲(chǔ)能等

旁路是把輸入信號(hào)中的干擾作為濾除對(duì)象，而去耦是把輸出信號(hào)的干擾作為濾除對(duì)象，防止干擾信號(hào)返回電源。

注釋：

C=Q/V，其中C為電容，Q為電容兩端的電荷量，V為電容兩端電壓。

電感

電感的作用：濾波、振蕩、延遲、陷波等

在電子線路中，電感線圈對(duì)交流有限流作用，它與電阻器或電容器能組成高通或低通濾波器、移相電路及諧振電路等

電感與磁珠區(qū)別：

電感是儲(chǔ)能元件，而磁珠是能量轉(zhuǎn)換（消耗）器件

電感多用于電源濾波回路；磁珠多用于信號(hào)回路，用于EMC對(duì)策，磁珠主要用于抑制電磁輻射干擾，而電感則側(cè)重于抑制傳導(dǎo)性干擾。

注釋：

法拉第定律：由于感應(yīng)電壓的產(chǎn)生，電感電流的建立不能瞬時(shí)完成。

電感中電阻幾乎為0，它是一根長(zhǎng)的銅導(dǎo)線繞于磁芯上，若其電流改變，電感兩端就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。

濾波

注釋：

電感和電容濾波的最終目的

電感平滑電流變化。當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通（電感充電階段）時(shí)，電感儲(chǔ)存電能，平滑電流。當(dāng)開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)（電感放電階段）時(shí)，電感釋放電能，維持輸出電流。

電容平滑電壓變化。當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通（電容充電階段）時(shí)，電容儲(chǔ)存電荷，平滑電壓。當(dāng)開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)（電感放電階段）時(shí)，電感釋放電荷，維持輸出電壓。

電感電容濾波的原理是利用電感和電容的特性來(lái)濾除開(kāi)關(guān)電源輸出中的高頻噪聲，使輸出變得更平穩(wěn)（如上圖紅框所示：UO是Ui經(jīng)過(guò)濾波后的電源輸出，此處只是示意，當(dāng)電感、電容在開(kāi)關(guān)電源電路中參數(shù)適當(dāng)，且當(dāng)電源變換達(dá)到穩(wěn)態(tài)，輸出電壓和電流則是一個(gè)穩(wěn)定的波形）。

對(duì)偶原理分析

注釋：

此處是一個(gè)拓展，想讓大家了解一下對(duì)偶性原理，讀者可根據(jù)自己對(duì)電感和電容的了解以及圖示提示，想象一下上圖中開(kāi)關(guān)斷開(kāi)和閉合瞬間會(huì)發(fā)生什么？很有意思的一個(gè)過(guò)程。

MOS管

場(chǎng)效應(yīng)管的名字也來(lái)源于它的輸入端（稱為gate）通過(guò)投影一個(gè)電場(chǎng)在一個(gè)絕緣層上來(lái)影響流過(guò)晶體管的電流。

場(chǎng)效應(yīng)管特點(diǎn)：

1.輸入電阻大

2.噪聲低，溫度穩(wěn)定性好，抗輻射能力強(qiáng)

3.便于集成化

4.放大能力差

主板上的常見(jiàn)應(yīng)用：

1、主要是開(kāi)關(guān)作用和電平轉(zhuǎn)換

2、MOS管的功耗小，在工控機(jī)上等對(duì)電源管理要求高的地方可以使用，省電。

注釋：

本文介紹MOS管，主要用于開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)作用。使電感電容充電和放電。具體原理詳見(jiàn)下文分析。

兩種基本拓?fù)?/strong>

注釋：

先了解以上兩種電源拓?fù)涞碾娐方Y(jié)構(gòu)，具體工作原理詳見(jiàn)下文分析。buck電路因?yàn)殚_(kāi)關(guān)管(MOS)與負(fù)載RL串聯(lián)，所以叫串聯(lián)型，Boost電路因?yàn)?開(kāi)關(guān)管(MOS)與負(fù)載RL并聯(lián)，所以叫并聯(lián)型。

buck變換器的充電和放電階段分析

注釋：（結(jié)合Buck拓?fù)洌?/p>

模式 1即開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通階段，見(jiàn)上圖等效電路圖，電感電容充電，由于電感的特性它阻止電流突變，而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其電流與負(fù)載電流方向一致。忽略mos管壓降，源極端（e點(diǎn)）電壓約等于輸入電壓。

模式2即開(kāi)關(guān)管截止階段，見(jiàn)上圖等效電路圖，電感電容放電，由于電感的特性它阻止電流突變，而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其電流與負(fù)載電流方向依然保持一致，并通過(guò)二極管D續(xù)流組成閉合回路（又稱續(xù)流二極管）。忽略mos管壓降，源極端（e點(diǎn)）電壓約等于-Ud，若忽略二極管壓降，約等于0。

輸出電壓計(jì)算公式

注釋：

負(fù)載電壓等于導(dǎo)通和截止兩個(gè)階段之和，計(jì)算公式見(jiàn)上圖。忽略mos和續(xù)流二極管管壓降，輸出電壓等于輸入電壓乘以占空比。因此，調(diào)節(jié)mos管的導(dǎo)通時(shí)間即占空比即可調(diào)節(jié)輸出電壓大小。

Buck型開(kāi)關(guān)電源最基本組成結(jié)構(gòu)

注釋：

上圖為Buck開(kāi)關(guān)電源最基本組成結(jié)構(gòu)，你將來(lái)看到任何一家buck電源控制器，其內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也是如此，如導(dǎo)讀所言，無(wú)非就是在此拓?fù)浠A(chǔ)上增加了一些負(fù)載均衡，提高電壓電流檢測(cè)精度，提高動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電源輸出能力等關(guān)鍵電路。還有一些附加功能，比如：功耗管理、溫度控制和過(guò)壓、過(guò)流等故障保護(hù)等。

工作原理詳見(jiàn)下文脈寬調(diào)制原理。

脈寬調(diào)制原理

注釋：

假設(shè)該電源因?yàn)樨?fù)載突變、或者某種干擾導(dǎo)致輸出電壓瞬間升高，電源控制器必須瞬態(tài)響應(yīng)并調(diào)節(jié)保證輸出穩(wěn)定：

通過(guò)取樣電路（R1和R2分壓）送到比較放大器Un1端點(diǎn)電壓升高，因?yàn)閁n1為比較放大器的“負(fù)”端，通過(guò)和基準(zhǔn)電壓比較后，放大器輸出Up2變?。ㄟ@是放大器的原理，如果不懂查閱模擬電路），同理，Up2經(jīng)過(guò)與三角波電路比較后，輸出脈寬變小，即占空比q變小，根據(jù)前面的輸出電壓計(jì)算公式可知，Uo=Ui*q，占空比變小，輸出電壓變小。因此達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。

多相電源控制器參考

注釋：

我截取了VR11電源控制器（原intersil 4相電源控制器）作為參考：

4個(gè)紅框是一相組成部分，暫不管這些，先把buck拓?fù)渲饕?a target="_blank">元器件框出來(lái)：電源輸入、mos管，電感、電容、負(fù)載、續(xù)流二極管，是否能看明白它就是一個(gè)buck拓?fù)潆娐罚吭倩剡^(guò)頭看多相，其實(shí)每一相都是一樣的，為了給輸出提供更大的電流能力，內(nèi)部控制器多做了幾路驅(qū)動(dòng)，相當(dāng)于并聯(lián)，就像同時(shí)幾條河流的水匯聚到大海一樣。只不過(guò)內(nèi)部增加了均流、穩(wěn)定、可靠等這些電路，其基本拓?fù)錄](méi)有變。

續(xù)流二極管的替換

注釋：

這里主要講述續(xù)流二極管為什么被mos管替代的原因，二極管和mos管有什么區(qū)別呢？二極管管壓降比較大，一般0.5V左右，而mos管導(dǎo)通階段內(nèi)阻很低，幾毫歐級(jí)甚至小于1毫歐級(jí)，把它換掉是不是電源的損耗小了很多？從而效率大大提高。詳情見(jiàn)下文兩張圖。

二極管的電源工作效率

MOS管的電源工作效率

總結(jié)：

當(dāng)然設(shè)計(jì)好開(kāi)關(guān)電源是有難度的，涉及的知識(shí)面很廣。本文主要目的是讓硬件工程師了解buck開(kāi)關(guān)電源的基本原理。計(jì)算機(jī)板級(jí)電源應(yīng)用，現(xiàn)在的電源廠商提供的技術(shù)支持和設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)越來(lái)越成熟，筆者認(rèn)為理解以上這些知識(shí)也足夠了。其他的就是注意電源布局布線，這塊其實(shí)也不難，規(guī)格書(shū)上都有重點(diǎn)描述，如果你真正理解開(kāi)關(guān)電源原理，這些都不是難點(diǎn)。