開關電源是什么

對硬件工程師而言，電源是不可避免的，甚至是整個板子最重要的模塊。不同的PCB，各種各樣五花八門的電源模塊，做過的見過的也不少，但總的歸類來講，一般的DCDC電源轉換模塊也就不外乎開關電源模塊和線性電源模塊兩種，其他的變化總是萬變不離其宗。

后面幾篇文章就主要介紹一下這兩種電源模塊的原理和layout注意事項。至于AC－DC轉換，或者其他相對偏門的POE電源，都不在本次的規劃之內了。

1開關電源簡介

首先介紹的是開關電源。說到開關電源就不能不提到兩個單詞buck和boost。感覺不管什么詞，只要變成英文就顯得特別高大上，其實這個對應的就是降壓開關電路和升壓開關電路。再用更接地氣的說法來講，就是串聯開關電路和并聯開關電路。一下子就把層次拉到熟悉的初中物理知識了，簡化電路如下圖所示：

圖1 串聯開關電路 圖 2并聯開關電路

開關電源顧名思義就是通過控制晶體管的導通截止來轉換電壓，由于部分時間工作在截止狀態，功耗比較小，發熱也比較小。所以相較與線性電源模塊而言，效率比較高，發熱也沒有那么厲害。

圖3 開關接通狀態 圖4 開關截至狀態

開關電源的工作原理其實比較簡單：當晶體管基極為高電平時，晶體管飽和導通，等效電路如圖3所示，此時電感L儲存能量，電容C充電。當晶體管基極為低電平時，晶體管截止，等效電路如圖4所示，此時電感L釋放能量，電容C放電。通常我們的PCB板上還有采樣電路，反饋電路，以此來調節基極控制電壓的占空比，來達到穩壓的目的。同時，由于負載和晶體管串聯，輸出電壓小于輸入電壓，所以又叫降壓開關電路（buck開關電路）。對應的并聯開關電路原理相似，同時由于晶體管并聯，電感產生的感應電動勢與電壓相疊加后作用于負載，所以輸出電壓會高于輸入電壓。

實際的電路圖一般如下圖所示：一般開關電路在PCB中主要包涵輸入濾波，開關電路，控制電路，輸出濾波四個主要部分，其中紅色框是主電流通道，包含輸入濾波，開關電路，輸出濾波三個重要的部分，其余部分為控制電路，其中需要重點關注的部分為采樣電路和反饋電路。

濾波電路對于開關電源是很重要的，因為模塊本身電源轉換時通過晶體管的開關來控制的，那么開關的過程中就會產生尖峰脈沖干擾。輸入濾波一般應該包括大容值電容和小容值電容，小容值電容靠近晶體管放置，能給晶體管內部高頻電流提供到地的回路。大容值的電容則能給晶體管輸入平穩的直流穩壓電源。而輸出部分的大容值電容則是用于給負載提供平穩的直流電源。在負載電阻發生變化時，由于開關電路需要通過采樣、反饋，調節占空比的方式來調整輸出電壓，不能隨時調整，所以需要一個大容值電容充放電來緩沖。

了解其原理后，對于開關電路的梳理就自然變得清晰明了，開關電源模塊的布局布線處理就會手到擒來。