开关电源的工作原理及特性

3 开关电源

开关电源是晶体管在全开模式（饱和区）及全闭模式（截止区）之间切换的电源。

晶体管在饱和区和截止区时，都具有低消耗的特性；虽然切换时处于放大区，但时间短，比较节省能源，产生废热较少。

下图是开关电源和线性电源的功率损耗对比：

开关电源电力转换分类可分为：

1）AC/DC开关电源。由PWM控制器+晶体管+变压器+稳压电路实现。常见的应用如电源适配器。

2）DC/DC开关电源。由PWM控制器+晶体管+储能器件实现。

3）DC/AC开关电源。由PWM控制器+晶体管实现，常见的应用如电动汽车里的电机。

4）AC/AC开关电源。由AC/DC+DC/AC组成。

DC/DC是我们电气设备中最常用的电源。今天我们主要从电源拓扑分类上讲解电感型（降压、升压、降压-升压）和电容型（电荷泵）的工作原理。

3.1 降压型DC/DC

最常见的降压型DC/DC拓扑为Buck。

3.1.1 Buck型电源工作原理

我们可以把Buck电源的电流比喻为水流，输入电容就是一个高的蓄水池、输出电容是一个小的蓄水池，把一小杯一小杯的水从大水池传送到小水池，通过控制传送的间隔时间和水杯的水量从而实现小水池固定的水量，当输出的水量低了，就增加杯子的水量，当输出的水量高了，就减少杯子的水量。

当开关开通的时候，能量从输入向输出传递，电流是斜线上升的，好比模型里杯子的水往小水池传送；当小水池的水偏高了，开关就关断，这时电感、负载、二极管形成自然的续流回路，电流开始线性减少；当小水池的水低到一定程度后，重新开始开通开关；通过这样高频率的开通和关断，就形成一个稳定的输出电压。

3.1.2 非同步、同步Buck电源

在Buck型电源中，上下管都有场效应管的都有场效应管的就同步的，只有一个上管的开关的就是非同步的。如图 1 就是非同步的，而图 2 就是同步。

下图是用 LM22670 芯片做的电路示例，这就是一个典型的非同步降压转换器，因为他的下管是用了一个肖特基二极管。为什么要用肖特基呢？因二极管的寄生参数和漏感会导致在 MOS 管在开通时产生一个高压的震荡，这个震荡最终会导致芯片的 SW 引脚高压损坏和开关损耗非常大，导致效率很低，所以一般会使用快恢复或者肖特基二极管。

下图是用 TPS40192芯片做的电路示例，这就是一个典型的同步降压转换器。一个控制器，外围加上上下两个 MOS 管，那么上管就可以当功率管，下管当做同步的场效应管。

3.1.3 同步，非同步的优缺点

1）效率对比

非同步采用二极管，即使采用锗管，压降也有 0.2-0.3V。输出的电压很低的时候，二极管的小电压降就占了很大的比重，它的消耗功率就很可观了，所以在大电流的时候效率就会减低了。

同步采样MOS管 ，MOS管的导通电阻 Rds on 是非常小的，一般都为毫欧级别。在相同的条件下，一般的 MOS 管的导通电压降远远小于普通肖特基二极管的正向导通压降的，所以在电流不变的情况下，MOS 管的损耗功率是远远比二极管小的，所以说使用 MOS 管的效率会比使用二极管的效率会高。

2）成本对比

非同步的续流是二极管，它的的价格比 mos 管便宜，而且不需要额外的控制电路，电路简单的多。

所以非同步无论是材料成本还是制作成本都要比同步的低。

3）可靠性对比

非同步的可靠性肯定是比同步的更加可靠的。

因为mos 管不可能是理想的开关，它也是有开通时间和关断时间的，所以如果上下两个管子的死区时间没有控制好，使上管的关断时间和下管的开通时间有重叠，造成有直通现象，那么 mos 管就会因电流过大而损坏。

3.2 升压型DC/DC

最常见的升压型DC/DC拓扑为Boost。

3.2.1Boost电源工作原理

升压转换器也可以用水流的模型来比喻，和降压转换器不同的只是把低处的水流往高处传送。

Boost的工作原理如下：

1）当开关管导通的时候，输入的电压对电感充电，形成的回路是：输入 Vi→电感 L→开关管 Q；

2）当开关管关断时，输入的能量和电感能量一起向输出提供能量，形成的回路是：输入 Vi→电感 L→二极管 D→电容 C→负载 RL，因此这时候输出的电压肯定就比输入的电压高，从而实现升压。

3.2.2 非同步、同步Boost

同Buck型电源一样，Boost型电源同样也有非同步和同步。

如下图 1就是非同步的Boost。需要注意的是这种电路在芯片不工作的时候，它的输入到输出就已自然经形成了回路，从输入→电感→二极管→电容→负载，所以如果不是在同步的升压拓扑结构里面，在输入电路部分应该增加一个切换电路，否则在电池供电的时候，电池的电量就白白用完了。

3.3 降压-升压型DC/DC

最常见的降压-升压型DC/DC拓扑为Buck-Boost。一般是用来实现负压电源。

Buck-Boost的工作原理如下：

1）开关管开通，二极管 D 反向截止，电感器储能，电流回路为：输入 Vin →开关管 Q→电感器 L；

2）开关管关断，二极管 D 正向导通续流，电流回路为：电感器 L→电容 C→负载 RL→二极管 D；

3）我们可以根据公式 Vo=Vin×D/(1-D) 中知道，当 D=0.5 时，Vo=Vin；当 D＜0.5 时，Vo＜Vin；当 D＞0.5 时，Vo＞Vin。

下图是用 TPS5430DA芯片做的非同步负压电路。

3.4 电感型开关电源总结

根据晶体管的调制方式，DC-DC开关电源又可以分PWM（脉宽调制） 和 PFM（脉冲频率调制），这里就不详细介绍了。感兴趣的小伙伴，可以去看看TI官网下载《电源基础知识》学习。

下面我们简单把DC-DC开关电源和线性电源做个简单对比：

储能器件为电感的开关电源，称为感式开关电源。那么还有别的储能器件吗？有的如电容。

没有使用电感作为储能器件，称为无感式开关电源，又称为电容式开关电源。我们也可以称它为电荷泵(chargepump)。