关于开关稳压器的一些认识

图 1

1、什么是开关稳压器？

开关稳压器，英文(regulatior)，有人叫它调节器、稳压源。实现稳压，就是需要控制系统(负反馈)，从自动控制理论中我们知道，当电压上升的时候通过负反馈把它降低，当电压下降的时候就把它升上去，这样形成了一个控制的环路。如图中的方框图是 PWM(脉宽控制方式)，当然还有其他如：PFM(频率控制方式)、移相控制方式等。 

2、开关稳压器的主要分类

按照输入电压与输出电压的关系，开关稳压器主要分为降压型（BUCK）与升压型（BOOST），及降压/升压型（BUCK/BOOST），本文主要针对前两种做说明。

3、开关稳压器的调制方式 

 脉宽调试方式(PWM): 周期性的改变开关的导通与关断时间的简单方法 

图 2

占空比：开通的时间 Ton 与开关周期 T 的比值，ton(开通时间) toff(关断时间) = T(开关周期)，占空比 D=ton / T。但是，我们不能采用一个脉冲输出！需要一种实现能量流动平稳化的方法。通过很多的脉冲，高频地切换，将在开关接通期间存储能量而在开关切断时提供此能量的手段，从而实现平稳的电压。 

4、 降压转换器（BUCK）的工作模型

图 3 降压转换器（BUCK）的工作模型

开关电源是一个闭环的控制系统，如上图 3 我们可以把开关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。 

图 4 简化的降压开关电源

如上图 4 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： 

a、输入电容器(C1) 用于使输入电压平稳； 

b、输出电容器(C2) 负责使输出电压平稳； 

c、箝位二极管(D1) 在开关开路时为电感器提供一条电流通路； 

d、电感器(L1) 用于存储即将传送至负载的能量。   

图 5 降压转换器拓扑

图 5 上半部分是一个电路结构，我们可以通过两个电阻的分压采样输出的电压，再经过一个比较器和基准比较，如果输出小于基准，MOS 管就开通；如果输出大于基准，就关断 MOS管。 

图 5 下半部分是用 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，因为它的下管是用了一个快恢复或者肖特基二极管。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。 

5、 升压转换器（BOOST）的工作模型 

图 6 升压转换器（BOOST）的工作模型 

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。我们可以用拓扑结构图和波形图来分析。 

图 7

图 7 左边是升压转换器(BOOST)的拓扑结构，电感 L 是一个储能元件，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；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。 

图 8

图 8 上半部分是升压转换器的控制回路是通过分压电阻的采样，然后经过误差比较器和基准源比较，最后输出 PWM。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。 

6、开关稳压器总结

优点：

高效率；

宽输入电压范围；

低功率耗散；

高功率密度；

缺点：

EMI问题；

瞬态响应慢；

设计难度加大；

较高的输出纹波和噪声；

本文主要参考资料来源德州仪器，内容偏重于基础知识梳理