开关电源基础知识（笔记1）

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源一般由PWM控制IC和MOSFET构成。

一、开关电源的基础知识

1.1开关电源的类型

1、线性稳压器（LDO）：仅限于降压转换。

2、开关稳压器：多种拓扑结构，在每个周期完全接通和完全切断的状态，里面至少包括一种储能元件。

3、充电泵：小电流应用，处于导通状态或者线性区，仅使用了电容器。

小结：开关电源和线性稳压器（LDO）各有优缺点，如果输入输出的压差比较大，那么单独使用LDO效率较低，且发热问题需要解决。如果单独使用开关电源，效率较高，且发热问题影响较小，但是同样存在问题--输出电压信号噪声、纹波会比LDO大。

假使输入输出压差较大，且要求输出电压纹波较小，可以考虑先通过开关电源降压之后使用LDO减小输出纹波。

1.2什么是开关稳压器

开关稳压器就是需要控制系统（一般指负反馈）即电压上升时通过负反馈控制电压降低，当电压降低时通过负反馈升上去。常见控制方式：PWM、PFM、移相控制方式等。

1.3PWM（脉宽调试方式）

1、占空比：开通的时间Ton与开关周期T的比值。

需要注意的是在调试时不能采用一个脉冲输出，而是要通过很多的脉冲，高频的切换，在开关接通期间存储能量，在开关断开时提供能量的手段，实现电压平稳的输出。

2、简化的降压开关电源

状态一：当S1闭合时，输入的能量从C1-S1-L1-C2-负载RL供电。此时L1作为储能元件，得到L1上的电压为：Vin-Vo=L*di/dton。

状态二：当S1断开时，电感L1存储的能量-C2-负载RL-D1。此时L*di/dtoff=Vo。

3、降压转换器

 如何实现降压：如图IC为控制导通与断开MOS管。当MOS管导通时，输入能量流经电感L向负载RL供电，当MOS管断开时，电感L之前存储的能量向负载供电。电路实例中利用电压比较器通过电阻分压采样与基准电压比较从而实现控制MOS管的导通与关断。

 4、升压转换器

 如何实现升压：MOS导通时，输入能量向电感充电，MOS管断开时，输入能量和电感L之前存储的能量同时向负载供电，实现升压。

 5、降压-升压转换器

 工作状态：MOS管导通时，二极管截止，电感器储能。MOS管断开时，电感L供能，二极管正向导通。

如何判定升压降压：通过占空比判定，Vo=Vin*D（1-D）；其中D=ton/T；当D=0.5 时，Vo=Vin；当D＜0.5 时，Vo＜Vin；当D＞0.5 时，Vo＞Vin

二、效率与Vout的关系

占空比越大，效率越高

电源的效率：

举例：Vin=5V，Io=1A；

输出电压为3.3V时，占空比为0.67；输出电压为1时，占空比为0.2；

根据电源效率计算公式有

3.3V：

 1V：

 可知：3.3V电压输出时电源效率较大。

在同等条件下：

 输出电压越大（占空比越大）：电源效率越高。

 三、同步于非同步

 在应用中上下管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。

在主功率那一级中的功率开关管是我们常见的，如果下面续流二极管变成了开关管，那么这个开关管就叫同步场效应管如右图。

1、同步OR非同步优缺点

非同步一般使用二极管（锗管的压降为0.2-0.3V,硅管的压降为0.7V），二极管的压降恒定，当流经二极管的电流较大，且输出电压较低时，电源效率会较低，因为此时二极管的压降站的比重较大。反之当输出电压较高时，非同步还是具有一定的优势。

同步一般使用MOS管。而MOS管的压降相对于二极管来说是非常小的。因此在相同条件下，同步的电源效率会高于非同步。但是不利之处在与需要额外的信号控制MOS管。

四、隔离式与非隔离式

非隔离式：  前后不隔离，可能对人体损害（市电)或烧坏整体电路板。

1、正激变换器                                                  2、反激变换器    

Buck电路演变而来：在MOS管                                                  BUCK-BOOST 变换器推演的。

右侧插入隔离变压器，实现隔离。                                            将电感变换一个隔离变压器。

对比：为什么正激变换器多了一个复制电感Nr，，因为反激变换器的变压器它既是电感又是变压
器，所以电感的特性来讲，它是不需要复位绕组的，电感就是一个储能的器件，它在MOS
开通时储存能量,MOS 关断时释放能量，所以一直在平衡的状态，它是不会到达饱和。正激变换器，它的VIN 一直都是加在上面的，当mos 不断的开通，它的能量也不停的加在原边，所以它的磁芯就会容易饱和，所以这个时候我们就需要加一个复位的电感，释放它原边电感的能量。

 五、脉宽调制与脉冲频率调制

 1、PWM控制建构

 电阻分压得到采样信号，，然后通过一个补偿器补偿精准源，再把输出的误差信号和一个Ramp(三角波比较)，得到固定周期的脉冲。其中PWM开关频率由斜坡信号频率设定。

缺点：轻负载时效率不高。

2、转换器效率和损耗

 损耗的组成部分：
 MOSFET：开关损耗、栅极驱动器损耗、传导损耗。
无源组件：电感上的绕组和磁芯损耗、阻性损耗、电容器ESR 损耗。
转换器IC：内部基准、振荡器电路、栅极驱动电路损耗。