開關(guān)電源簡介

直觀上說，開關(guān)電源通過開關(guān)管將輸入能量截成一個一個的能量包，然后將這些能量包傳送到輸出端，在輸出端又將這些離散的能量包匯集，為負載連續(xù)供電。

電路結(jié)構(gòu)：降壓(buck)，升壓(boost)，反相。一般應(yīng)用都是buck變換器結(jié)構(gòu)，控制方法都是PWM。

不同的控制模式包括非同步和同步。

優(yōu)點：效率較高，同步Buck變換器我們一般可以做到85%左右，好的成品開關(guān)電源可以做到90%以上的效率。輸出功率相對較大。

缺點：輸出中含有開關(guān)噪聲，紋波相對LDO而言較大，但是能滿足一般芯片供電的需要。

選用時應(yīng)考慮的最基本的三要素：輸入電壓范圍、輸出電壓范圍、最大輸出電流。

LDO 簡介

LDO 也是DC-DC 轉(zhuǎn)換器的一種。它是(Low drop-out Regulator)低壓差線性穩(wěn)壓器的縮寫，

內(nèi)部電路示意圖如下：

它的原理很簡單，就是在輸入和輸出之間串連一個晶體管來實現(xiàn)其功能，電壓控制模塊根據(jù)輸出電壓來調(diào)整流過晶體管基集電流，使得晶體管工作在電壓-電流特性曲線的線性區(qū)，從而保證穩(wěn)定的壓降。LDO 分為電壓可調(diào)和固定電壓兩種，其顯著優(yōu)點是非常安靜、沒有噪聲，也沒有電磁干擾(EMI)，而EMI 已經(jīng)成為現(xiàn)代開關(guān)調(diào)整器的顯著缺點;

輸出紋波比開關(guān)電源要小，一般用在對電源要求較高的場合。LDO 的輸入電流基本等于輸出電流，所以其損耗計算公式如下：Pd = Iout * (Vin – Vout)，由該公式可以看出大壓降下LDO 的缺點是效率低，例如輸入12V，輸出5V，效率就幾乎固定是5/12=41.6%,，如果負載電流100mA，那么其損耗的功率就有700mW，這是無法避免的，因此LDO 一般不會用在需要太大電流的供電電路中。

LDO 選用時的幾個注意點：

輸出電壓：可調(diào)或者固定值，必須滿足使用要求。

輸入電壓：通常要求在某一范圍內(nèi)，而且一定比輸出電壓高。

Drop 電壓：對輸出電壓可調(diào)的LDO 而言，負載越輕，Drop 電壓可以做到越小。但是Drop電壓也是有一個范圍限制的。

溫升：一個LDO 標稱的Iout(max)可以很大，但如果實際用到那么大電流時，LDO 的溫升太大，可能被燒毀。所以要根據(jù)實際使用情況計算溫升，并且在PCB 布板時考慮其散熱問題。

LDO 上的損耗也有限值，而且損耗跟溫升是有直接聯(lián)系的。

Buck 型DC-DC 工作原理

非同步整流Buck 型開關(guān)電源的典型拓撲：

實際電路結(jié)構(gòu)中，使用場效應(yīng)管或者三極管當作圖中的開關(guān)，開關(guān)周期性地接通和斷開，由于電感和電容的濾波作用，使負載上得到一個直流的電壓。由于開關(guān)管要么斷開，要么飽和，所以損耗比較小。

同步整流Buck 型開關(guān)電源的典型拓撲：

同步整流Buck 型開關(guān)電源的工作原理與非同步的基本相當，只不過將續(xù)流二極管換成了MOS管(稱之為同步整流管)，DC-DC 芯片需同時控制MOS 管Q1、Q2 的開關(guān)。

Buck 型開關(guān)電源原理分析

Buck 型開關(guān)電源主要由開關(guān)管、儲能電感、輸出電容以及續(xù)流二極管組成，并通過負反饋回路維持輸出Vo的穩(wěn)定。忽略電路損耗，輸入輸出滿足：。基本框圖與主要點波形如下圖所示。

Q1 導(dǎo)通時， 輸入通過Q1 對電感進行充電， 電感電流線性增大， 滿足條件：，如上圖(d)所示;當Q1 關(guān)斷時，由于流經(jīng)電感的電流不能突變，關(guān)斷瞬間電流有快速降低的趨勢，由楞次定律可知，電感內(nèi)磁場會產(chǎn)生反向的感應(yīng)電動勢以阻止電流減小，這種瞬間的電壓顛倒的現(xiàn)象稱為“電感反沖”，此時因為有續(xù)流二極管的存在，將V1 點電壓強制鉗位于地，保證V1 不會由于“電感反沖”變得很“負”，從而保證Q1 的可靠關(guān)斷。

所以Q1 關(guān)斷以后電感電流保持線性降低，滿足：，直至下個周期開關(guān)打開，如上圖(e)所示;所以，最終電感上的電流為Q1 打開和關(guān)斷狀態(tài)之和，如上圖(f)所示，在輸出穩(wěn)定的情況下，開關(guān)周期是基本上固定的，所以直流輸出電流也就是經(jīng)過上圖(f)斜坡中點的那條直流分量，實際的工作可能由于負載變化等原因，直流輸出電流會有相應(yīng)的增加或減少，但是斜坡的斜率是不會變化的，所以可以得到斜坡起始值1 I 和峰值2 I 是由直流輸出電流決定的。需要注意的是，當輸出電流降低到使1 I 為零時，電感將進入非連續(xù)工作狀態(tài)，具體表現(xiàn)為在下一個周期開關(guān)還沒打開之前，電感電流已經(jīng)降低為零，這種情況將在下一小節(jié)介紹。

另外，上圖(a)和(b)表示了控制芯片根據(jù)輸出電壓來形成一定占空比的PWM 波形的原理，(a)的三角波是芯片內(nèi)部產(chǎn)生的振蕩波形，中間的直線是誤差放大器根據(jù)輸出電壓產(chǎn)生的電平，兩個波形對比，即產(chǎn)生(b)所示的方波，當然這只是一個簡化，不同的芯片其控制機理也有比較大的區(qū)別。

電感工作模式選擇

按電感電流是否從0 開始，可分為電感電流連續(xù)工作模式和電感電流不連續(xù)工作模式，如下圖：

圖( a ) 中， 電感電流處于連續(xù)工作模式， 電感起始電流Ia大于0 ， 穩(wěn)定時輸出電流;圖(b)中，電感工作在不連續(xù)狀態(tài)，電感起始電流為0 且最大值大于2 Io 。實際電路中，如果電感較小，且負載較輕，則電感電流可能降低為0而進入不連續(xù)模式，電感進入不連續(xù)模式波形如下圖：

圖中明顯可以看到，電感電流不連續(xù)時，有明顯阻尼振蕩，即所謂的“振鈴現(xiàn)象”。雖然電感不連續(xù)時，反饋回路仍然能夠通過調(diào)整開關(guān)狀態(tài)維持輸出電壓穩(wěn)定，但是在一些BUCK型輸出濾波器的拓撲卻會在非連續(xù)模式下出現(xiàn)問題，電路設(shè)計盡量避免不連續(xù)狀態(tài)出現(xiàn)。

Buck 轉(zhuǎn)換器的紋波

電壓紋波是指疊加在輸出穩(wěn)定電壓上的變化的電壓。

開關(guān)電源的紋波，一般指20MHz以內(nèi)的電壓波動成分，所以測量紋波時需打開示波器的帶寬限制功能，對輸入信號作20MHz低通濾波處理。更高頻的波動，一般稱為高頻噪聲。

由于Buck轉(zhuǎn)換器在工作過程中，輸出電容C會不斷地充放電，所以會產(chǎn)生輸出電壓Vo的波動，這是Buck轉(zhuǎn)換器固有的紋波。從LC濾波的角度看，增大L和C可以降低LC濾波器的截止頻率，從而減小紋波。

紋波的另一個重要來源是輸出電容C的等效串聯(lián)電阻(ESR)，充放電的電流在ESR上產(chǎn)生壓降，進一步增大了紋波。鋁電解電容的容量較大，但是ESR也較大，所以一般另加ESR較小的陶瓷電容與電解電容并聯(lián)組成輸出電容。

DC-DC 電源芯片的選擇

主要考慮因素：輸入電壓、輸出電壓、最大輸出電流。

如果輸入電壓和輸出電壓很接近，最好是選用LDO(低壓降)穩(wěn)壓器，可達到很高的效率。

如果輸入和輸出不是很接近，就要考慮開關(guān)型DC-DC了。此時若使用LDO，功耗大，效率低。

開關(guān)頻率的選取主要考慮LC電路體積與開關(guān)損耗、音頻噪聲等因素。高開關(guān)頻率可以減小濾波電路LC的體積，但同時增加開關(guān)損耗，降低效率;開關(guān)頻率過低，可能產(chǎn)生音頻噪聲。

在選擇DC-DC芯片時除了考慮以上三點外，還需考慮整機功耗，轉(zhuǎn)換效率，電源紋波等因素，結(jié)合實際情況，選擇合適的DC-DC電源芯片。