通俗易懂的開關電源基礎知識（38頁pdf下載）

ID:408286 · 發表于 2018-10-11 20:58

很不錯的DCDC基礎知識，很值得入門學習和提高。

作為電源行業的技術編輯，每天編寫及整理出一篇篇技術文章便是我們工作的樂趣與重心。在常人眼里，編輯工作似乎既繁瑣又枯燥無味。但是身為編輯的我卻可以深刻地體會到：雖然工作非常辛苦，但卻異常幸福。

因為這是一個可以不停地思考、不停地接觸新知識、不停地讀書、不停地將靈感轉化為現實的工作；同時，把自己編輯過程中的點滴努力都體現在文章中，留下一個個實實在在的印記。而今天我有幸將這些我所了解的知識變成一本小小的電子書，這一份強烈的欣喜感油然而生。

熟悉我們網站的網友都知道，一直以來，TI 在技術培訓上面投入了很大的人力物力，而作為行業門戶網站的我們也不停在思考，以何種方式給網友提供更好的培訓課程。一直以來，我們聯合 TI 進行在線課程的培訓講解，為的就是能夠讓大家不受地域、時間的限制的了解自己需要的知識。

《開關電源基礎知識》是電源網的第一本電子書，之后我們聯合 TI 還會繼續推出更多更好的培訓及相應電子書。我們希望可以將視頻中最有參考與學習價值的東西以電子書的形式呈現給大家。所以，也懇請廣大讀者以及工程師批評指正，以便在以后的版本中及時修正。在此也想對部分已經觀看過培訓視頻、并給出很多積極反饋的工程師朋友表示感謝。希望更多工程師朋友加入到與我們互動的行列中，分享你的學習經驗。

開關電源是利用現代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制 IC 和MOSFET 構成。隨著電力電子技術的發展和創新，使得開關電源技術也在不斷地創新。目前，開關電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用幾乎所有的電子設備，是當今電子信息產業飛速發展不可缺少的一種電源方式。

隨著電力電子技術的高速發展，電力電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切，而電子設備都離不開可靠的電源，進入 80 年代計算機電源全面實現了開關電源化，率先完成計算機的電源換代，進入 90 年代開關電源相繼進入各種電子、電器設備領域，程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了開關電源，更促進了開關電源技術的迅速發展。

開關電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關電源。隨著電力電子技術的發展和創新，使得開關電源技術在不斷地創新，這一成本反轉點日益向低輸出電力端移動，這為開關電源提供了廣泛的發展空間。

開關電源基礎知識( Switcher-Fundamentals)培訓課程共計五個章節：本拓撲類型、效率與輸入輸出及占空比的關系、同步與非同步的定義、隔離與非隔離、脈寬調制與變頻各類控制方式特點。其深入淺出的說明了基礎概念，建立電源設計溝通的平臺。

1.1 開關電源的類型
1.1.1線性穩壓器，所謂線性穩壓器，也就是我們俗話說的 LDO，一般有這么兩種特點：
  傳輸元件工作在線性區，它沒有開關的跳變；
  僅限于降壓轉換，很少會看到升壓的應用。
1.1.2開關穩壓器
  傳輸器件開關(場效應管)，在每個周期完全接通和完全切斷的狀態；
  里面至少包括一個電能儲能的元件，如：電感器或者電容器；
  多種拓撲（降壓、升壓、降壓-升壓等）
1.1.3充電泵，一般在一些小電流的應用
  傳輸器件開關(如：場效應管、三極管)，有些完全導通，而有些則工作在線性區；
  在電能轉換或者儲能的過程中，僅限使用了電容器，如一些倍壓電路。
答疑：有些情況為什么要使用開關穩壓器？為什么不用LDO和充電泵？
我們知道，所有的能量都不會憑空消失，損耗的能量最終會以熱的形式傳遞出去，這樣，工程師在設計中就會產生很大的挑戰，比如說，損耗最終以熱的形式傳遞，那么電路中就需要增加更大的散熱片，結果電源的體積就變大了，而且整機的效率也很低。
如果在開關模式的開關電源，不僅可以提高效率，還可以降低了熱管理的設計難度。我們可以舉一個例子來對比線性電源和開關電源的效率和體積：

從它們的效率來看，一個 12V輸入，3.3V/2A輸出的電源，如果用線性穩壓器來實現的話，它輸出效率只有28%，而用開關電源來做的話，它的輸出效率能達到 90%以上。所以線性電源在高輸入電壓，低輸出電壓的情況下的效率是非常的低，它只適用于一些輸入和輸出的壓差比較低的場合。像這些情況下使用開關電源的優勢是顯而易見的。線性穩壓器的損耗為17.4W，開關穩壓器的損耗只有 0.73W，這些損耗最終會以熱量的形式傳遞出去，器件的工作溫度=器件溫升+環境溫度，溫升=熱阻 × 損耗的情況下：假如器件的熱阻 θ=35℃/W來計算，LDO 的溫升=35℃ × 17.4W=609℃，開關穩壓器溫升=35℃ × 0.73W=25.55℃�？梢�，開關穩壓器可以工作在 60~70℃的環境溫度也是沒問題的，而 LDO 在這種情況下，發熱非常嚴重，必須得降低它的熱阻，而熱阻的大小就取決于散熱面積，散熱面積越大，熱阻就越小，所以 LDO 需要很大的散熱面積(如下圖)，來減少它的熱阻以獲得較低的溫升。

上圖紅色標注地方分別是一個 2.5W的 LDO和一個 6W的開關電源，兩者功率相差 2.4倍，但開關電源的面積僅是 LDO 的 1/4 不到，也就是說開關電源的損耗大大減少了，能夠承受更高的熱阻，減少散熱的面積。
再次強調一遍，如果說輸入與輸出之間壓差較低的情況下，可以使用 LDO，但壓差較大的情況下，建議使用開關電源。當然，開關電源也有它的劣勢，它的輸出會有噪聲、振鈴、跳變，而 LDO則不會。某些場合的負載對電源的電壓是很敏感的話，可以在開關電源后面載加一級 LDO。例如我們要把5V轉為 1.2V ，如果直接有 LDO的話，效率可能只有 20%，但我們可以把 5V用開關電源變為1.5V，再用 LDO把 1.5V轉為1.2V，這樣，效率就會高，是一個比較優化的設計。

1.1.5 總結：開關電源 VS線性穩壓器
（1）開關電源
①  能夠提升電壓（升壓）
②  以及使電壓減低（降壓）甚至反相
③  具有較高的效率和功率密度

（2）線性穩壓器
①  只能實現降壓
②  輸出電壓相對更穩定
③
1.2什么是開關穩壓器？

開關穩壓器，英文(regulatior)，有人叫它調節器、穩壓源。實現穩壓，就是需要控制系統(負反饋)，從自動控制理論中我們知道，當電壓上升的時候通過負反饋把它降低，當電壓下降的時候就把它升上去，這樣形成了一個控制的環路。如圖中的方框圖是 PWM(脈寬控制方式)，當然還有其他如：PFM(頻率控制方式)、移相控制方式等。

1.3脈寬調試方式(PWM)

1.3.1 周期性的改變開關的導通與關斷時間的簡單方法

占空比：開通的時間Ton與開關周期T 的比值，ton(開通時間) + toff(關斷時間) = T(開關周期)，占空比D=ton / T。但是，我們不能采用一個脈沖輸出！需要一種實現能量流動平穩化的方法。通過很多的脈沖，高頻地切換，將在開關接通期間存儲能量而在開關切斷時提供此能量的手段，從而實現平穩的電壓。

1.3.2 在電子行業中有兩種主要儲能器件

1.4實例：簡化的降壓開關電源

如圖是一個簡化的降壓的開關電源，為了方便電路的分析，先不加入反饋控制部分。
狀態一：當S1閉合時，輸入的能量從電容 C1，通過S1→電感器 L1→電容器 C2→負載RL供電，此時電感器L1同時也在儲存能量，可以得到加在 L1上的電壓為：Vin-Vo=L*di/dton。
狀態二：當S2 關斷時，能量不再是從輸入端獲得，而是通過續流回路，從電感器 L1存儲的能量→電容 C2→負載 RL→二極管D1，此時可得式子：L*di/dtoff= Vo，最后我們可以得出Vo/Vin=D，而Vo永遠是小于Vin的，因為占空比D≤1。
各個器件的作用：
1、輸入電容器(C1) 用于使輸入電壓平穩；
2、輸出電容器(C2) 負責使輸出電壓平穩；
3、箝位二極管(D1) 在開關開路時為電感器提供一條電流通路；
4、電感器(L1) 用于存儲即將傳送至負載的能量。

開關電源是一個閉環的控制系統，我們可以把開關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。

1.7降壓轉換器基礎（電流和電壓波形）

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。

上圖就是一個電路結構，我們可以通過兩個電阻的分壓采樣輸出的電壓，再經過一個比較器和基準比較，如果輸出小于基準，MOS管就開通；如果輸出大于基準，就關斷 MOS管。
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，因為他下管是用了一個快恢復或者肖特基二極管。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。

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。我們可以用拓撲結構圖和波形圖來分析。

左圖就是升壓轉換器(Boost)的拓撲結構，我們前面講過，電感 L是一個儲能元件，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；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。

1.11升壓轉換器拓撲和電路示例

上圖所示升壓轉換器的控制回路是通過分壓電阻的采樣，然后經過誤差比較器和基準源比較，最后輸出PWM。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。

狀態一：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；
狀態二：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R二極管D；輸出什么時候是升壓，什么時候是降壓呢？我們可以根據公式 Vo=Vin×D/(1-D) 中道，當D=0.5時，Vo=Vin；當D＜0.5時，Vo＜Vin；當D＞0.5時，Vo＞Vin。而且我們以看到，這種拓撲結構我們很容易得到了負向的電壓，當某些場合不想用隔離變壓器拉抽的方式的時候我們可以用這種方式來實現負電壓。

1.13降壓-升壓轉換器拓撲

上圖是用TPS5430DA實現的一個負電壓輸出的電路， TPS5430DA和 LM22670的引腳相同，兩者可以互換。

1.14控制器與穩壓器

控制器(Controler)和穩壓器(Regularlator)，上圖是一個控制器和穩壓器的區分參考，集成開關管的IC我們一般稱之為穩壓器，需要外置開關管的 IC我們稱之為控制器，而圖中的描述我們只能作為一個參考，現在很多的穩壓器已經可以做到大于 3A，而且熱阻低到10℃/W也有很多，但很多大功率的開關電源還是需要控制器，外置 MOS管。

1.15開關穩壓器總結

第三章同步于非同步

3.1什么是同步與非同步
（1）非同步
如果說我們的 high mosfes 和LOW mosfes 同步的時候，會發現有些應用它就叫開關管，并沒有叫high mosfes 和 LOW mosfes ，也就是高端 mos管和低端 mos 管；那么這種情況的肯定就是非同步的，因為他只有一個 mos管（或者說開關管）所以他不用去強調同步于非同步了。
（2）同步
同步是采用通態電阻極低的專用功率 MOSFET，來取代整流二極管以降低整流損耗的一項新技術。它能大大提高 DC/DC 變換器的效率并且不存在由肖特基勢壘電壓而造成的死區電壓。功率 MOSFET 屬于電壓控制型器件，它在導通時的伏安特性呈線性關系。用功率 MOSFET 做整流器時，要求柵極電壓必須與被整流電壓的相位保持同步才能完成整流功能，故稱之為同步整流。

3.2區分同步、非同步
在應用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，或者說如下圖兩個的 buck 電路，在主功率那一級中的功率開關管是我們常見的如圖 1，而下的續流二極管變成了開關管，那么這個開關管就叫同步場效應管如圖 2。那么圖1就是非同步的，而圖 2就是同步的。

如下圖：
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，如此就可以看出他是一個同步結構的 Buck電路。

3.3同步，非同步的優缺點
（1）非同步的優缺點
  在輸出電流變化的情況下，二極管的電壓降相當恒定當續流二極管正向導通時，輸出電流變化，二極管的正向壓降是恒定不變的，鍺管的壓降為0.2-0.3V,硅管的壓降為 0.7V。

  效率低
因為二極管的電壓降恒定，所以當流過二極管的電流很大的時候，原本在二極管上很小的電壓再乘以電流之后，輸出的電壓很低的時候，這時候的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。

  比較便宜
大家都知道的二極管的價格肯定是比 MOS 的價格便宜的，這里說是可以是同等條件下的，大家都是用同一個襯底的情況下。如果說一個是普通襯底的 mos管，而另外一個是碳化硅襯底的二極管，或者說一個是低壓的 mos管和一個高壓的二極管，那么他們的價格就不一定是二極管的比 mos管的便宜了。

  可采用較高的輸出電壓
在輸入電壓比較高的時候使用是比較好的，因為在輸出電壓高時，二極管的正向導通壓價所占的比重就很小，對效率的影響就比較低，而且它的電路結構比較簡單，不需要外加控制電路，生產的工藝流程也會比較簡單。

（2）同步的優缺點
  MOSFET 具有較低的電壓降
在MOSFES的參數中有一個很重要的參數那就是 MOSFES的導通電阻Rds on ，一般情況MOSFES 的導通電阻Rds on是非常小的，一般都為毫歐級別，所以 MOSFES在導通之后的壓降非常比較低的。
  效率較高
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

  需要額外的控制電路
Mos 管需要驅動電路的，所以說同步的需要為 MOS 管額外添加一個控制電路，使得上下兩個 MOS 管能夠同步，而非同步的二極管是自然整流的，所以不需要額外添加驅動控制電路，所以所先對非同步，同步的電路也會比較復雜。

  成本比較高
由于一般相同 mos管的價格比二極管高，而且 mos管還需要驅動電路，驅動ic，所以在成本上同步的比非同步的制造成本相對會貴一些，生產的流程工藝也會復雜一些。

3.4同步于非同步的選擇
  效率
在看完各自的優缺點之后，在制作時到底該如何選擇同步于非同步呢？如果要求效率比較高，而成本高一點無所謂的話，那么必定是要選擇的同步的。上面也提到了，mos 管損耗小，可以提高效率，但它也比較貴，成本也高。

  成本
同步也非同步之間，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，所以它無論是材料成本還是制作成本都要比同步的低，所以在要求效率不是很高的時候也可以選擇非同步。

  可靠性
還有一個就是可靠性，非同步的可靠性肯定是比同步的更加可靠的，為什么呢，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。

所以在選擇同步的時候時序的選擇也是一個很重要的問題。因此同步的時候控制 IC 的選擇也是個比較重要的問題圖 4，IC只是個集成功率 FET 的控制器，如果要把它的整流二極管換成 mos管做同步的時候，那么它的死區就要嚴格的控制了，但是如果像圖 5中的IC，它集成了上下管，這些就不需要擔心的太多了。

完整的pdf格式文檔51黑下載地址（共38頁）：

TI開關電源基礎知識.pdf (3.52 MB, 下載次數: 239)

ID:413021 · 發表于 2018-10-21 11:32

謝謝分享收藏了

ID:221033 · 發表于 2018-10-30 09:02

謝謝分享

ID:40094 · 發表于 2018-11-14 23:39

好東西。。。。。。。。。。。。。

ID:495831 · 發表于 2019-3-29 07:42

講的很詳細，還是中文版

ID:460412 · 發表于 2019-4-4 10:27

謝謝分享收藏了

ID:492266 · 發表于 2019-4-8 09:51

謝謝分享收藏了

ID:18591 · 發表于 2019-11-24 18:05

很棒~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

ID:137563 · 發表于 2019-11-25 08:06

很好的資料收藏支持一下。

ID:673747 · 發表于 2019-12-25 17:01

謝謝，很好的資料

ID:8222 · 發表于 2020-1-17 22:46

謝謝分享，很好的學習資料。

ID:375228 · 發表于 2020-1-29 20:33

下載學習，謝謝分享，很好的學習資料

ID:479220 · 發表于 2020-2-1 14:16

太好了, 等有幣了再下載來看, 感謝分享!!!

ID:335993 · 發表于 2020-2-5 14:49

有圖有真相，簡單易學，謝謝樓主！

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