探讨开关稳压的基本原理是什么

开关稳压器是高效产生稳定电源电压和向上或向下转换电压的重要电路。

产生能够驱动大量电流的稳定电压是电子设计的基本任务之一。低压电子电路的基本模型是这样的：

提供具有充足电流驱动能力的电压作为系统的主要输入之一。

该输入电压可能过高或变化太大，无法直接在电路中使用，被转换为一个或多个稳压电源电压，其幅度与用电元件的规格相对应。

这些元件（微控制器、运算放大器等）使用稳压电源电压来执行电路所需的功能。

有多种方法可以实现此目的。当我刚开始设计电路时，我尽可能使用线性稳压器，例如7805。然而，如今，不可否认开关稳压器通常是优越的方法，根据我的经验，它们通常是优越的方法。

在本文中，我们将讨论命名法，然后探讨开关稳压的基本原理。

开关稳压器术语

“开关（电压）调节器”可能是表示此类电路的最常见和最容易识别的术语。但是，您还将看到以下术语的各种组合：

开关模式电源

切换台或开关

转换器或稳压器

直流/直流

实际上，我更喜欢“开关模式稳压器”或“开关模式电源”，因为“开关模式”更成功地传达了这些电路的性质：开关是它们完成调节或转换电压任务的模式。

所有这些术语都存在歧义，很少引起问题，但值得注意：“开关稳压器”或“开关模式电源”理论上可以指使用开关与电感器或电容器结合使用来产生电源轨的电路。

电感器与基于电容器的开关模式电源

但实际上，上述术语仅限于基于电感的开关稳压器。图1是基于电感的开关模式稳压器示例。绝大多数开关模式电源都是基于电感的。这些将是本文的主要重点。

图1.基于电感的开关电源的基本拓扑结构。图片（修改）由维基共享资源提供

基于电容的开关稳压器（如图2所示电路）通常称为“电荷泵”电源或“开关电容”电源。图1和图2都是产生高于输入电压的输出电压的电路示例。

图2.基于电容器的开关电源的基本拓扑结构。

线性电压调节

现在让我们考虑线性稳压器，如图3所示。线性稳压器只能降低电压，所以我们知道输入电压高于输出电压。

图3.线性电压调节框图。作者形象

线性稳压器需要少量电流才能工作;这称为接地电流。接地电流通常微不足道，因此我们忽略它，假设流入稳压器的电流等于流出稳压器并流入供电负载电路的电流。

现在让我们考虑一下权力。我们将电功率计算为电压乘以电流，并且由于输出具有相等的电流，但相对于输入的电压较低，因此必须在某个地方损失功率。您还可以想象线性稳压器是具有压降的简单电阻元件：

本例中，线性稳压器的功耗PREG是：

事实上，线性稳压器中的一个组件是开关，不是机电开关，而是能够用作纯电气开关的晶体管。但是，我们不将线性稳压器称为开关稳压器，因为开关不会打开和关闭;相反，开关在具有显着电阻的中间状态下工作，并且该电阻会消耗功率并允许降低电压。

线性调节简单而高效，但效率低下。该开关在中间电阻状态下工作，并以热量的形式耗散潜在的大量功率。除非您希望您的调节器充当调节器和电加热器，否则这种功率将被浪费。

开关模式电压调节

这就引出了开关模式稳压器的概念。如果我们能够保持开关完全开启或完全关闭——换句话说，如果我们能够避免高功率耗散中间区域——我们就可以创建一个更高效的稳压器。但我们对线性稳压器的讨论表明，浪费的功率对于降低电压是必要的。怎么办？

这就是电感器的用武之地。电感器以这样一种方式存储和释放能量，使得通过电感器的电流不能瞬时改变。开/关开关动作导致电感电流逐渐增加和减少。当电感器与电容器结合使用时，所得LC滤波器可以将开/关波形平滑为相对稳定的电压。平滑电压的大小由开/关波形的占空比决定。

例如，让我们看一下图 4。滤波后，不同的占空比（在本例中为10%、50%和90%）对应于不同的直流电压电平（由红色曲线表示）。这些直流电压电平并不完全平坦，因为滤波后仍然存在一些纹波。

图4.直流电压电平与PWM占空比成函数的关系。作者形象

因此，我们可以在高频下打开和关闭开关，然后使用脉宽调制和滤波来创建所需的直流输出电压。我们 还 可以 监测 反馈 信号， 并 根据 负载 条件 调整 PWM 占空比。这是开关稳压器电路中的基本工作模式：电感滤波，可在开/关开关动作下提供一致的负载电流;用于调节电压的反馈和PWM。

即使开关以高频工作，它仍然大部分时间处于低功耗状态（即完全开启和完全关闭状态）。这就是为什么开关稳压器比线性稳压器效率高得多的原因。

当然，还有很多细节和变化我没有提到，但如果你了解了这一切，你就有了进一步学习的坚实基础。

开关稳压器电路示例：降压转换器

图5显示了降压转换器（也称为降压转换器）的基本拓扑结构。它采用开关模式操作来减小直流输入电压的大小。（请注意，严格来说，这不是稳压器，因为它不包括在可变负载条件下保持稳定电压所需的反馈子系统。

图5.一种开关稳压器电路的示例：降压转换器。

编辑：黄飞