开关电源基础知识

Posted 2021-01-10 ydvely521

1.1 开关电源的类型

1.1.1 线性稳压器，所谓线性稳压器，也就是我们俗话说的LDO，一般有这么两种特点：

? 传输元件工作在线性区，它没有开关的跳变；

? 仅限于降压转换，很少会看到升压的应用。

1.1.2 开关稳压器

? 传输器件开关(场效应管)，在每个周期完全接通和完全切断的状态；

? 里面至少包括一个电能储能的元件，如：电感器或者电容器；

? 多种拓扑（降压、升压、降压-升压等）

1.1.3 充电泵，一般在一些小电流的应用

? 传输器件开关(如：场效应管、三极管)，有些完全导通，而有些则工作在线性区；

? 在电能转换或者储能的过程中，仅限使用了电容器，如一些倍压电路。

答疑：有些情况为什么要使用开关稳压器？为什么不用LDO 和充电泵？

我们知道，所有的能量都不会凭空消失，损耗的能量最终会以热的形式传递出去，

这样，工程师在设计中就会产生很大的挑战，比如说，损耗最终以热的形式传递，那么

电路中就需要增加更大的散热片，结果电源的体积就变大了，而且整机的效率也很低。

如果在开关模式的开关电源，不仅可以提高效率，还可以降低了热管理的设计难度。

我们可以举一个例子来对比线性电源和开关电源的效率和体积：

从它们的效率来看，一个12V 输入，3.3V/2A 输出的电源，如果用线性稳压器来实现的

话，它输出效率只有28%，而用开关电源来做的话，它的输出效率能达到90%以上。所以

线性电源在高输入电压，低输出电压的情况下的效率是非常的低，它只适用于一些输入和输

出的压差比较低的场合。像这些情况下使用开关电源的优势是显而易见的。线性稳压器的损

耗为17.4W，开关稳压器的损耗只有0.73W，这些损耗最终会以热量的形式传递出去，器件

的工作温度=器件温升+环境温度，温升=热阻 × 损耗的情况下：假如器件的热阻θ=35℃/W

来计算，LDO 的温升=35℃ × 17.4W=609℃，开关稳压器温升=35℃ × 0.73W=25.55℃。

可见，开关稳压器可以工作在60~70℃的环境温度也是没问题的，而LDO 在这种情况下，

发热非常严重，必须得降低它的热阻，而热阻的大小就取决于散热面积，散热面积越大，热

阻就越小，所以LDO 需要很大的散热面积(如下图)，来减少它的热阻以获得较低的温升。

上图红色标注地方分别是一个2.5W的LDO 和一个6W 的开关电源，两者功率相差2.4

倍，但开关电源的面积仅是LDO 的1/4 不到，也就是说开关电源的损耗大大减少了，能够

承受更高的热阻，减少散热的面积。

再次强调一遍，如果说输入与输出之间压差较低的情况下，可以使用LDO，但压差较

大的情况下，建议使用开关电源。当然，开关电源也有它的劣势，它的输出会有噪声、振铃、

跳变，而LDO 则不会。某些场合的负载对电源的电压是很敏感的话，可以在开关电源后面

载加一级LDO。例如我们要把5V 转为1.2V ， 如果直接有LDO 的话，效率可能只有20%，

但我们可以把5V 用开关电源变为1.5V，再用LDO 把1.5V 转为1.2V，这样，效率就会高，

是一个比较优化的设计。

1.1.5 总结：开关电源VS 线性稳压器

（1）开关电源

① 能够提升电压（升压）

② 以及使电压减低（降压）甚至反相

③ 具有较高的效率和功率密度

（2）线性稳压器

① 只能实现降压

② 输出电压相对更稳定

 

如图是一个简化的降压的开关电源，为了方便电路的分析，先不加入反馈控制部分。

状态一：当S1 闭合时，输入的能量从电容C1，通过S1→电感器L1→电容器C2→负载RL

供电，此时电感器L1 同时也在储存能量，可以得到加在L1 上的电压为：Vin-Vo=L*di/dton。

状态二：当S2 关断时，能量不再是从输入端获得，而是通过续流回路，从电感器L1 存储

的能量→电容C2→负载RL→二极管D1，此时可得式子：L*di/dtoff= Vo，最后我们可以得

出Vo/Vin=D，而Vo 永远是小于Vin 的，因为占空比D≤1。

各个器件的作用：

1、输入电容器(C1) 用于使输入电压平稳；

2、输出电容器(C2) 负责使输出电压平稳；

3、箝位二极管(D1) 在开关开路时为电感器提供一条电流通路；

4、电感器(L1) 用于存储即将传送至负载的能量。