開關電源的工作原理及特性

3 開關電源

開關電源是晶體管在全開模式（飽和區）及全閉模式（截止區）之間切換的電源。

晶體管在飽和區和截止區時，都具有低消耗的特性；雖然切換時處于放大區，但時間短，比較節省能源，產生廢熱較少。

下圖是開關電源和線性電源的功率損耗對比：

開關電源電力轉換分類可分為：

1）AC/DC開關電源。由PWM控制器+晶體管+變壓器+穩壓電路實現。常見的應用如電源適配器。

2）DC/DC開關電源。由PWM控制器+晶體管+儲能器件實現。

3）DC/AC開關電源。由PWM控制器+晶體管實現，常見的應用如電動汽車里的電機。

4）AC/AC開關電源。由AC/DC+DC/AC組成。

DC/DC是我們電氣設備中最常用的電源。今天我們主要從電源拓撲分類上講解電感型（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拓撲為Buck。

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，輸入電容就是一個高的蓄水池、輸出電容是一個小的蓄水池，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間和水杯的水量從而實現小水池固定的水量，當輸出的水量低了，就增加杯子的水量，當輸出的水量高了，就減少杯子的水量。

當開關開通的時候，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；當小水池的水偏高了，開關就關斷，這時電感、負載、二極管形成自然的續流回路，電流開始線性減少；當小水池的水低到一定程度后，重新開始開通開關；通過這樣高頻率的開通和關斷，就形成一個穩定的輸出電壓。

3.1.2 非同步、同步Buck電源

在Buck型電源中，上下管都有場效應管的都有場效應管的就同步的，只有一個上管的開關的就是非同步的。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，這就是一個典型的非同步降壓轉換器，因為他的下管是用了一個肖特基二極管。為什么要用肖特基呢？因二極管的寄生參數和漏感會導致在 MOS 管在開通時產生一個高壓的震蕩，這個震蕩最終會導致芯片的 SW 引腳高壓損壞和開關損耗非常大，導致效率很低，所以一般會使用快恢復或者肖特基二極管。

下圖是用 TPS40192芯片做的電路示例，這就是一個典型的同步降壓轉換器。一個控制器，外圍加上上下兩個 MOS 管，那么上管就可以當功率管，下管當做同步的場效應管。

3.1.3 同步，非同步的優缺點

1）效率對比

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，所以在大電流的時候效率就會減低了。

同步采樣MOS管 ，MOS管的導通電阻 Rds on 是非常小的，一般都為毫歐級別。在相同的條件下，一般的 MOS 管的導通電壓降遠遠小于普通肖特基二極管的正向導通壓降的，所以在電流不變的情況下，MOS 管的損耗功率是遠遠比二極管小的，所以說使用 MOS 管的效率會比使用二極管的效率會高。

2）成本對比

非同步的續流是二極管，它的的價格比 mos 管便宜，而且不需要額外的控制電路，電路簡單的多。

所以非同步無論是材料成本還是制作成本都要比同步的低。

3）可靠性對比

非同步的可靠性肯定是比同步的更加可靠的。

因為mos 管不可能是理想的開關，它也是有開通時間和關斷時間的，所以如果上下兩個管子的死區時間沒有控制好，使上管的關斷時間和下管的開通時間有重疊，造成有直通現象，那么 mos 管就會因電流過大而損壞。

3.2 升壓型DC/DC

最常見的升壓型DC/DC拓撲為Boost。

3.2.1Boost電源工作原理

升壓轉換器也可以用水流的模型來比喻，和降壓轉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）當開關管導通的時候，輸入的電壓對電感充電，形成的回路是：輸入 Vi→電感 L→開關管 Q；

2）當開關管關斷時，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→負載 RL，因此這時候輸出的電壓肯定就比輸入的電壓高，從而實現升壓。

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候，它的輸入到輸出就已自然經形成了回路，從輸入→電感→二極管→電容→負載，所以如果不是在同步的升壓拓撲結構里面，在輸入電路部分應該增加一個切換電路，否則在電池供電的時候，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拓撲為Buck-Boost。一般是用來實現負壓電源。

Buck-Boost的工作原理如下：

1）開關管開通，二極管 D 反向截止，電感器儲能，電流回路為：輸入 Vin →開關管 Q→電感器 L；

2）開關管關斷，二極管 D 正向導通續流，電流回路為：電感器 L→電容 C→負載 RL→二極管 D；

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

下圖是用 TPS5430DA芯片做的非同步負壓電路。

3.4 電感型開關電源總結

根據晶體管的調制方式，DC-DC開關電源又可以分PWM（脈寬調制） 和 PFM（脈沖頻率調制），這里就不詳細介紹了。感興趣的小伙伴，可以去看看TI官網下載《電源基礎知識》學習。

下面我們簡單把DC-DC開關電源和線性電源做個簡單對比：

儲能器件為電感的開關電源，稱為感式開關電源。那么還有別的儲能器件嗎？有的如電容。

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