說在開頭

我相信各位胖友們通過對(duì)《阻容感基礎(chǔ)》，《信號(hào)完整性基礎(chǔ)》以及《半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)》艱苦卓絕地鉆研，已為 “硬功夫” 這門絕世武功，打下了堅(jiān)實(shí)的入門基礎(chǔ)，入門之日簡(jiǎn)直就是指日可待（我xxx，都半年了，還沒入門哪~）。接下來我們要對(duì)這三門基礎(chǔ)知識(shí)活學(xué)活用，逐漸偏向于實(shí)際電路應(yīng)用。下面開始正題。

如果有人問我單板硬件中哪個(gè)模塊設(shè)計(jì)最重要？我正要回答，他又補(bǔ)充了一句：沒有之一哦。既然這樣，那我就要回答的嚴(yán)謹(jǐn)一點(diǎn)：在我看來，對(duì)于一般硬件電路設(shè)計(jì)來說電源系統(tǒng)是單板上最重要的系統(tǒng)/模塊，沒有之一。正如《電源完整性基礎(chǔ)》專題中所說，電源系統(tǒng)好比是人的心血管系統(tǒng)或許還得加上呼吸系統(tǒng)。

Sanjaya Maniktala在《精通開關(guān)電源設(shè)計(jì)》這本書中，對(duì)開關(guān)電源做了一個(gè)非常形象的比喻。

想象我們站在一個(gè)周五晚高峰的上海高鐵站，有成千上萬(wàn)的乘客涌進(jìn)高鐵站要坐高鐵到杭州，當(dāng)然所有乘客不能同時(shí)擠上一趟高鐵，而是每隔30分鐘一趟分流運(yùn)送。開關(guān)電源與運(yùn)輸系統(tǒng)非常類似，差別在于運(yùn)送的是能量而非人：用一個(gè)開關(guān)把這些能量截成一個(gè)個(gè)的能量包，然后通過儲(chǔ)能元件（電感器、電容器）進(jìn)行傳輸，從而可以按照要求調(diào)整和轉(zhuǎn)換這些能量包，最后再將這些能量包匯合，從輸出端得到平穩(wěn)的能量。

在規(guī)定時(shí)間內(nèi)運(yùn)送一定數(shù)量的乘客：一種方法是通過載量更大的大型列車，此時(shí)發(fā)車間隔時(shí)間長(zhǎng)一些（例如45分鐘）；另外一種方法是載量小的小型列車，發(fā)車間隔時(shí)間短一點(diǎn)（例如15分鐘）。小型列車單次的載客量少，所以一次到達(dá)目的車站的乘客就少，所以車站容量就可以小一點(diǎn)；因此對(duì)于開關(guān)電源來說：提升開關(guān)頻率，目的就是減小能量包的大小，處理能量包的電感器和電容器（相當(dāng)于車站）就能減小，從而減小電感器和電容器的尺寸。

應(yīng)用這種原理的電源就成為開關(guān)電源或開關(guān)型功率變換器。

開關(guān)DC-DC開關(guān)電源是現(xiàn)代高頻開關(guān)電源的基本組成部分，即：將直流（DC）輸入電壓Vin轉(zhuǎn)換成更滿足我們電路設(shè)計(jì)要求的直流（DC）輸出電壓Vo。而AC-DC也稱為離線式開關(guān)電源，一般在市電環(huán)境（AC-220V）下工作，先將交流（AC）輸入電壓Vac整流成直流電壓（稱為HVDC母線或高壓直流母線），再作為后級(jí)DC-DC電壓變換的輸入。

當(dāng)輸入電壓Vin或則輸出負(fù)載電流Io變化時(shí)，開關(guān)電源需保持穩(wěn)定的直流輸出電壓，這對(duì)開關(guān)電源來說是非常重要的。因此功率變換器都有一個(gè)控制電路（反饋環(huán)路）來持續(xù)監(jiān)視輸出電壓的大小，并將它與內(nèi)部基準(zhǔn)參考電壓做比較：如果輸出電壓偏離設(shè)定值，那么控制電路將會(huì)自動(dòng)調(diào)整能量包的大小，這一過程稱為輸出調(diào)整。外加輸入電壓Vin在其工作范圍內(nèi)（Vinmax~Vinmin）變化時(shí)，保持輸出電壓穩(wěn)定的過程稱為電網(wǎng)調(diào)整；而Io在工作范圍（Iomin~Iomax）內(nèi)變化時(shí)，保持輸出電壓穩(wěn)定的過程稱為負(fù)載調(diào)整。電源的輸出調(diào)整率也非常重要，在外部擾動(dòng)下快速調(diào)整的性能稱為環(huán)路響應(yīng)，其一般是負(fù)載階躍響應(yīng)和電網(wǎng)暫態(tài)響應(yīng)的疊加。

接下來《開關(guān)電源基礎(chǔ)》專題將以《精通開關(guān)電源設(shè)計(jì)》作為藍(lán)本，進(jìn)行開關(guān)電源的技術(shù)分享。

• 電源變換器的歷史

電源是設(shè)備系統(tǒng)中各器件的能量供給者，而電源變換器是為了適應(yīng)不同器件工作電壓需求的電源電壓變換系統(tǒng)，即Vin輸入Vout輸出；同樣的對(duì)于能量功耗來說：Pin（Vin*Iin）輸入Po（Vo*Io）輸出。理想情況下我們希望Pin = Po：電源電壓在轉(zhuǎn)換過程中沒有任何的損耗。但現(xiàn)實(shí)世界往往并不能如人意，在電源電壓轉(zhuǎn)換過程中必然會(huì)有一部分能量損耗掉：Ploss = Pin – Po。這就出現(xiàn)了電源的轉(zhuǎn)換效率：η = Po/Pin，如果以轉(zhuǎn)換效率來定義損耗的能量Ploss = Pin*（1-η）。

能量損耗除了造成無謂浪費(fèi)外，它還會(huì)給我們帶來了什么呢？我們來看熱力學(xué)第一定律：能量守恒定律（愛因斯坦的質(zhì)能方程將其推廣到：質(zhì)能守恒定律）；電源能量在電源電壓變換過程中損耗掉一部分，那必然以其它方式呈現(xiàn)出來：熱能。所以消耗掉的能量表現(xiàn)為設(shè)備溫度的升高（相對(duì)環(huán)境的溫升ΔT），而溫度的升高必然會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

——一般情況下：每10℃溫升，會(huì)使系統(tǒng)失效率加倍。

所以對(duì)于電源變換器來說要盡量做到：更高的轉(zhuǎn)換效率。而對(duì)于設(shè)備系統(tǒng)來說要盡量做：到更高的能效比。

——提升能效比，無論是對(duì)設(shè)備本身可靠性還是節(jié)能減排方面來說，都是非常有益的。

1，線性調(diào)整器（LDO：低壓差線性調(diào)整器）

線性調(diào)整器又稱為串聯(lián)型調(diào)整器（下面統(tǒng)一用LDO來指代），通過輸入和輸出之間串聯(lián)一個(gè)晶體管來實(shí)現(xiàn)電壓變換的功能。此時(shí)該串聯(lián)的晶體管（BJT）工作于放大區(qū)（如下右圖所示，具體原理參考：《三極管基礎(chǔ)》相關(guān)章節(jié)），起可變電阻的作用，即確定輸入電壓Vin和輸出電壓Vo后，其壓差Vdrop = Vin – Vo消耗在晶體管（BJT）上，結(jié)構(gòu)如下圖所示。所以我們可以看到LDO的幾個(gè)明顯特點(diǎn)：

——LDO輸出電壓Vo由于輸入電壓（Vin）升高或負(fù)載電流（Io）減小而升高時(shí)：晶體管（NPN）基極電壓下降，等效電阻阻值（RCE）增加，輸出電壓Vo降低，從而保持采樣電壓等于參考電壓。

1. LDO的電源變換效率η比較低，其效率取決于輸入/輸出電壓的大小：η = Vo/Vin；在相同輸入電壓下，輸出電壓越小，電源變換效率越低；

——LDO的輸入功率Pin=Vin*Iin，輸出功率Po = Vo*Io；而晶體管（BJT）是串在電源電路上的，根據(jù)基爾霍夫第一定律（電流定律）Iin = Io；所以η = Po/Pin = (Vo*Io)/(Vin*Iin) = Vo/Vin；舉個(gè)栗子， 5V輸入2.5V輸出，那么此時(shí)LDO的效率是50%；由線性調(diào)整器的結(jié)構(gòu)所決定，沒有辦法改變。

2. LDO效率低，其消耗的能量由變換器本身進(jìn)行耗散，而LDO本身的封裝散熱能力有限，所以其輸出電流一般不大（<5A，遠(yuǎn)低于開關(guān)電源）；

——這主要取決于兩方面：1，LDO的功率損耗與輸出電流成正比，從系統(tǒng)層面考慮，輸出電流大那么能量浪費(fèi)就會(huì)很大；2，受限于LDO的本身散熱能力；所以一般在硬件設(shè)計(jì)中也不會(huì)應(yīng)用在電流過大的場(chǎng)合，而且需要計(jì)算LDO的溫升是否滿足設(shè)計(jì)需求。

3. 如上右圖晶體管（BJT）工作在放大區(qū)時(shí)Vc必然大于Ve，即Vin > Vo，因此LDO在原理上只能是降壓型的；

——LDO只能應(yīng)用于電源降壓變換的場(chǎng)景，而不能應(yīng)用于：升壓、反壓等。

4. LDO有最小壓差的問題，舉個(gè)栗子：假如某個(gè)LDO器件最小壓差要求是0.3V，那么當(dāng)Vin-Vo < 0.3V的情況下是不適用的。

——晶體管（BJT）放大狀態(tài)下的壓差（Vc-Ve）必然會(huì)大于其飽和狀態(tài)下的壓差，而晶體管飽和狀態(tài)的壓差不會(huì)是0V（具體原理參考：《三極管基礎(chǔ)》相關(guān)章節(jié)），所以LDO的壓差是有最小要求的。

5. LDO最大的優(yōu)點(diǎn)是：“安靜”，它不會(huì)引入噪聲，也沒有EMI的問題；而開關(guān)電源最大缺點(diǎn)之一便是：EMI問題。

2，開關(guān)調(diào)整器

根據(jù)柏拉圖的“理念論”，我們總是要 摹仿“理念世界”中完美的電源變換器，使得電源轉(zhuǎn)換效率不斷趨于100%這一完美指標(biāo)。而如上一節(jié)所述，LDO的功耗很大一部分消耗在晶體管的“放大區(qū)”，那是否能讓晶體管的“飽和區(qū)”呢？

但飽和區(qū)的晶體管Vce壓差基本保持不變，如果還是保持線性調(diào)整的模式，時(shí)不可能完成電源電壓的隨意變換；那么用“開關(guān)”的方式呢？

好辦法！器件電源需要能量時(shí)將“開關(guān)”打開，能量從輸入端--->輸出端，如果不需要時(shí)就將“開關(guān)”關(guān)閉，就不會(huì)有能量傳輸?shù)捷敵龆?#xff1b;但這樣又有一個(gè)問題：此時(shí)輸出的是一個(gè)方波，而并非是穩(wěn)定的電壓。所以這時(shí)需要一個(gè)儲(chǔ)能元件（桶）：電容器，用于平滑輸出電源電壓，并在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)向負(fù)載提供能量。如下圖所示。

——打個(gè)比方（“比方”不要怕，我一般擅長(zhǎng)舉“栗子”）：將這個(gè)儲(chǔ)能元件看成是一個(gè)水桶，有一根粗水管（Vin）給桶送水，一根細(xì)水管（Vo）在放水；但是粗水管一會(huì)“放水”一會(huì)“關(guān)水”，而細(xì)水管則一直在放水；例如水桶里的水低于0.9m高度時(shí)就觸發(fā)粗水管“放水”，水桶里的水高于1.1m高度時(shí)就觸發(fā)粗水管“關(guān)水”；這樣就能保證水桶里的水面高度維持0.9m~1.1m之間，保持一定的穩(wěn)定性，起到了平滑水面的作用。

——好，還是看成電壓的話，就是當(dāng)輸出電壓Vo低于某一閾值，開關(guān)管導(dǎo)通從Vin電源充滿輸出電容器并向負(fù)載供電，當(dāng)輸出電壓Vo高于某一閾值時(shí)，則關(guān)斷開關(guān)管。

此時(shí)晶體管是作為“開關(guān)”使用的，主要有兩種工作狀態(tài)：閉合導(dǎo)通（完全導(dǎo)通）和打開關(guān)斷（完全關(guān)斷）；所以在理想情況下：開關(guān)導(dǎo)通時(shí)晶體管壓降為0，開關(guān)斷開時(shí)導(dǎo)通電流為0；所以每種狀態(tài)下P = V*I = 0，即開關(guān)管的損耗為0。但事實(shí)并非如理想，如下情況都會(huì)導(dǎo)致晶體管產(chǎn)生額外的損耗：

1. 晶體管在導(dǎo)通階段工作在飽和區(qū)：屬于完全導(dǎo)通狀態(tài)，Ice很大，此時(shí)的壓降Vce≠0；

2. 晶體管在關(guān)斷階段工作在截止區(qū)：屬于完全截止?fàn)顟B(tài)，Vce = Vin，但存在漏電流Ice≠0；

3. 晶體管在導(dǎo)通狀態(tài)與關(guān)斷狀態(tài)切換時(shí)，不可能瞬間完成：兩種狀態(tài)之間存在過渡狀態(tài)，即開關(guān)管壓降和電流都不為0的階段，此階段P = V*I ≠ 0。

如上圖所示，在直流儲(chǔ)桶式調(diào)整器中，晶體管與電容器之間串聯(lián)了一個(gè)電阻器R（小阻值），那為什么要串聯(lián)一個(gè)電阻器呢？明眼人一看：這樣不是減小了電源變換效率么？

我們?cè)陔娙萜髡鹿?jié)（具體原理參考：《電容器原理》章節(jié)）已經(jīng)知道了電容器兩端電壓不能突變，那么當(dāng)在電容器兩端加一個(gè)電壓源時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非常非常大的浪涌電流，這個(gè)電流不僅會(huì)影響電容器本身的壽命，還會(huì)影響晶體管的壽命，所以必須在晶體管和電容器之間串聯(lián)一個(gè)電阻，用于限制晶體管的開關(guān)瞬間電流。

——串聯(lián)電阻帶來了電源變換效率的降低，這只是成功地將晶體管損耗轉(zhuǎn)嫁到了電阻器上，相對(duì)于LDO，并沒有真正提高效率；如果要想提升電源轉(zhuǎn)換效率，只能去掉串聯(lián)電阻R。

那是否有其它器件既能防止電容器浪涌電流，又不會(huì)消耗電源功耗呢？

我們琢磨一下關(guān)鍵信息：要能防止電流突變，而且又不是耗能元件；基本電路元件就那么四個(gè)：阻、容、感、憶阻器（具體參考《從宇宙起源到阻容感》章節(jié)）。只有電感器符合啊，不！簡(jiǎn)直就是為這個(gè)位置量身定制的呀：電感器本身（電感）并不消耗能量，而是將輸入的電能轉(zhuǎn)換成磁能儲(chǔ)存起來（具體參考：《電感器原理》章節(jié)），需要的時(shí)候又會(huì)釋放出來。

如之前阻容感基礎(chǔ)中所述，電容器儲(chǔ)存的是靜電能：P =1/2 * C* V2；電感器儲(chǔ)存的是磁能：P = 1/2 * L* I2。如下圖所示，這種結(jié)構(gòu)除了能提升效率之外，在電源變換原理上能否行的通呢？對(duì)于LDO的結(jié)構(gòu)來說，輸出電容并非必須：因?yàn)榫w管已經(jīng)完全將過剩電壓消耗掉；而對(duì)于開關(guān)調(diào)整器來說，其工作方式必須符合開關(guān)功率轉(zhuǎn)換邏輯：

1. 用開關(guān)管（BJT/MOS）來建立輸出電壓控制，實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)整；

——如上所述，開關(guān)管的損耗為兩端電壓VCE和通過其的電流I乘積：P = VCE*I，如果VCE或I為0（或很小），那么損耗就為0（或很小）；通過不斷的ON/OFF兩種開關(guān)狀態(tài)的切換，就能降低功耗，同時(shí)可以通過控制導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間的比例，就能調(diào)整平均能量包的大小來調(diào)整輸出。

2. 每次開關(guān)動(dòng)作都會(huì)斷開輸入和輸出，但此時(shí)輸出負(fù)載的能量必須保持連續(xù)，因此需要在變換器的輸出位置引入儲(chǔ)能元件：電容器；

——在輸出端增加電容器，以保證在輸入輸出電源斷開時(shí)保持穩(wěn)定的負(fù)載電壓。

3. 但是一旦引入電容器，就需要限制流過電容器的浪涌電流，因?yàn)檫@不僅導(dǎo)致噪聲和電磁干擾，而且還會(huì)導(dǎo)致電源轉(zhuǎn)換效率的降低；

——如上所述，這是所有電容器的特性，所有直接接入直流電源的電容都會(huì)遭到不可控的浪涌電流，直流儲(chǔ)桶式調(diào)整器就是簡(jiǎn)單的用串聯(lián)電阻器R來抑制浪涌電流。

4. 為了最大限度的提升電源轉(zhuǎn)換效率，變換過程中的電阻器改為電感器（電抗元件），從原理來說電感器不僅能夠儲(chǔ)能，而且不消耗任何能量；

——電阻器始終都是耗能器件，在開關(guān)管上節(jié)省下來的損耗可能會(huì)被電阻器上增加的損耗所抵消，導(dǎo)致得不償失；所以電感器和電容器的組合成為了最終的選擇，而且電感器的無損限流能力正好抑制電容器的浪涌電流。

5. 如上圖所示，拓?fù)渲袑㈦娮杵鞲臑殡姼衅魍?#xff0c;還增加了一個(gè)“神秘”的二極管，這個(gè)二極管稱為：續(xù)流二極管、逆向電壓保護(hù)二極管、換流二極管等；使用該二極管源于電感器的自身特性：流過電感器電流不能突變。

——開關(guān)管在導(dǎo)通/關(guān)斷切換過程中，流過電感器的電流不能突變，如果在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)（從開關(guān)管處提供電流的路徑已經(jīng)切斷）沒有續(xù)流二極管存在，那么電流只能通過開關(guān)管和電感中間導(dǎo)體的自由電子提供，將積累起非常高的負(fù)電壓（浪涌電壓），最終擊穿開關(guān)管或電感器電弧放電。

我們一直生活在農(nóng)耕時(shí)代不好么？柏拉圖說不好，因?yàn)槟莻€(gè)完美世界在我們的靈魂深處召喚著我們，去改造這個(gè)現(xiàn)實(shí)世界。所以我們有了LDO后還想要追求更高的效率，絞盡腦汁創(chuàng)造出直流桶式開關(guān)調(diào)整器，一看效率好像也沒高多少啊，一定得把電阻干掉，那干掉電阻會(huì)有電容的浪涌電流，那就再加電感器來抑制；好，電感器能抑制一開始的電流突變，但是關(guān)斷時(shí)電感電流也不能突變哪，會(huì)產(chǎn)生浪涌電壓！咋整？sigh，再給加一個(gè)續(xù)流二極管吧。

這下本來不需要電感器這麻煩貨的，突然搖身一變就成了開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的主角了。后面的整出來的一系列事情，都是為了搞定電感器帶來的問題。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的开关电源基础01：电源变换器基础（1）-关于缘起的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。