開關電源基礎入門知識-微電子工作室

1、TI-開關電源基礎作為電源行業(yè)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(zhuǎn)化為現(xiàn)實的工作；同時，把自己編輯過程中的點滴努力都體現(xiàn)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(wǎng)站的網(wǎng)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(yè)門戶網(wǎng)站的我們也不停在思考，以何種方式給網(wǎng)友提供更

2、 好的培訓課程。一直以來，我們聯(lián)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(wǎng)的第一本電子書，之后我們聯(lián)合 TI 還會繼 續(xù)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(xiàn)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(jīng)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(jīng)驗。Jealy 兔子 電源網(wǎng)技術編輯開關電源是利用現(xiàn)代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時

3、間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制 IC 和 MOSFET 構成。隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關電源技術也在不斷地 創(chuàng)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(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。隨著電力電子技術的高速發(fā)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(xiàn)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

4、開關電源，更促進了開關電源技術的迅速發(fā)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(fā)展和創(chuàng)新，使得開關電源技術在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)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(fā)展空間。開關電源基礎知識( Switcher-Fundamentals)培訓課程共計五個章節(jié)：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(diào)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。 學習開關 電源基 礎知識 課程更

5、多 TI 培 訓課程 第一章開關電源基礎知識1.1 開關電源的類型 11.2 什么是開關穩(wěn)壓器 31.3 脈寬調(diào)試方式(PWM)31.4 實例：簡化的降壓開關電源41.5 開關電源的類型（非隔離式）51.6 降壓轉(zhuǎn)換器（降壓型開關穩(wěn)壓器）的工作模型51.7 降壓轉(zhuǎn)換器基礎（電流和電壓波形）51.8 降壓轉(zhuǎn)換器拓撲 61.9 升壓轉(zhuǎn)換器（升壓型開關穩(wěn)壓器）61.10 升壓轉(zhuǎn)換器（電流和電壓波形）71.11 升壓轉(zhuǎn)換器拓撲和電路示例71.12 降壓-升壓轉(zhuǎn)換器（電流和電壓波形）81.13 降壓-升壓轉(zhuǎn)換器拓撲 81.14 控制器與穩(wěn)壓器91.15 開關穩(wěn)壓器總結(jié) 10第二章效率與 Vout 的關系

6、效率與 Vout 的關系11第三章同步于非同步3.1 什么是同步與非同步133.2 區(qū)分同步、非同步133.3 同步，非同步的優(yōu)缺點143.4 同步于非同步的選擇15第四章隔離式與非隔離式4.1 非隔離式拓撲結(jié)構174.2 隔離式拓撲結(jié)構18第五章脈寬調(diào)制與脈沖頻率調(diào)制5.1 概述255.2 典型便攜式電源應用實例255.3 定義PWM 和 PFM 255.4PWM 控制架構 265.5 滯環(huán)模式控制265.6 脈沖跳躍/ 省電模式 Burst Mode 275.7PWM 模式和跳躍模式波形圖 275.8 轉(zhuǎn)換器效率和損耗275.9 雙模式降壓轉(zhuǎn)換器285.10 輸出紋波差異 295.11 省

7、電模式與強制 PWM 模式的對比295.12 多種省電模式 305.13 概要/ 結(jié)論（可變頻率轉(zhuǎn)換器） 31附錄一：編委信息與后記 附錄二：版權說明 學習開關 電源基 礎知識 課程更多 TI 培 訓課程 第一章開關電源基礎知識1.1 開關電源的類型1.1.1 線性穩(wěn)壓器，所謂線性穩(wěn)壓器，也就是我們俗話說的 LDO，一般有這么兩種特點：l傳輸元件工作在線性區(qū)，它沒有開關的跳變；l僅限于降壓轉(zhuǎn)換，很少會看到升壓的應用。 1.1.2 開關穩(wěn)壓器l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(tài)；l里面至少包括一個電能儲能的元件，如：電感器或者電容器；l多種拓撲（降壓、升壓、降壓-升壓等

8、） 1.1.3 充電泵，一般在一些小電流的應用l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(qū)；l在電能轉(zhuǎn)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(wěn)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(chǎn)生很大的挑戰(zhàn)，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(jié)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

9、源的效率和體積：線性穩(wěn)壓器：根據(jù)上圖我們可以算出它的最大輸出效率為：h = Pout ´100%Pin它的功率損耗為：Pd = (Vin -Vout)´ I 學習開關電源基礎知識課程 更多 TI 培訓課程 開關穩(wěn)壓器：根據(jù)上圖我們可算出它的最大輸出效率為：h = Pout ´100%Pin它的功率損耗為：Pd = Pin ´ (1-h)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(wěn)壓器來實現(xiàn)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

10、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(yōu)勢是顯而易見的。線性穩(wěn)壓器的損 耗為 17.4W，開關穩(wěn)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(huán)境溫度，溫升=熱阻 × 損耗的情況下：假如器件的熱阻 =35/W 來計算，LDO 的溫升=35 × 17.4W =609，開關穩(wěn)壓器溫升=35 × 0.73W =25.55。 可見，開關穩(wěn)壓器可以工作在 6070的環(huán)境溫度也是沒問題的，而 LDO 在這種情況下， 發(fā)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

11、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。1.1.4 下圖為線性電源和開關電源體積的比較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(diào)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

12、在開關電源后面 載加一級 LDO。例如我們要把 5V 轉(zhuǎn)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?yōu)?1.5V，再用 LDO 把 1.5V 轉(zhuǎn)為 1.2V，這樣，效率就會高， 是一個比較優(yōu)化的設計。1.1.5 總結(jié)：開關電源 VS 線性穩(wěn)壓器（1）開關電源能夠提升電壓（升壓）以及使電壓減低（降壓）甚至反相具有較高的效率和功率密度（2）線性穩(wěn)壓器只能實現(xiàn)降壓輸出電壓相對更穩(wěn)定1.2 什么是開關穩(wěn)壓器？開關穩(wěn)壓器，英文(regulatior)，有人叫它調(diào)節(jié)器、穩(wěn)壓源。實現(xiàn)穩(wěn)壓，就是需要控制系 統(tǒng)(負反饋)，從自動控制理論中我們知道，當電壓上

13、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(huán)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(diào)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(xiàn)能量流動平 穩(wěn)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(xiàn)平穩(wěn)的電壓。1.3.2

14、 在電子行業(yè)中有兩種主要儲能器件左圖：電容器右圖：電感器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(tài)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(tài)二：當 S2 關斷時，能量不再是從輸入端獲得，而是通過續(xù)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

15、 Vin 的，因為占空比 D1。各個器件的作用：1、輸入電容器(C1) 用于使輸入電壓平穩(wěn)；2、輸出電容器(C2) 負責使輸出電壓平穩(wěn)；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。1.按輸出電壓分：減低： 降壓； 提升： 升壓；提升/減低：降壓/升壓2.按拓撲結(jié)構分：Buck、Boost、Cuk、SEPIC、 Zeta、Buck-Boost、其他1.6 降壓轉(zhuǎn)換器（降壓型開關穩(wěn)壓器）的工作模型開關電源是一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)，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

16、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(xiàn)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(zhuǎn)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(xù) 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(wěn)定的輸出電壓。1.8 降壓轉(zhuǎn)換器拓撲上圖就是一個電路結(jié)構，我們可以通過兩個電阻的分壓采樣輸出的電壓，再經(jīng)過一個比較器和基準比較，

17、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(zhuǎn)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(shù)和漏 感會導致在 MOS 管在開通時產(chǎn)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。1.9 升壓轉(zhuǎn)換器（升壓型開關穩(wěn)壓器）升壓轉(zhuǎn)換器也可以用水流的模型來比喻，和降壓轉(zhuǎn)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(jié)構圖和波形圖來分析。 學習開關電源基礎知 識課程更多 TI

18、 培訓課程 左圖就是升壓轉(zhuǎn)換器(Boost)的拓撲結(jié)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(xiàn)升壓。1.11 升壓轉(zhuǎn)換器拓撲和電路示例上圖所示升壓轉(zhuǎn)換器的控制回路是通過分壓電阻的采樣，然后經(jīng)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(jīng)形成了回路，從輸入電感二極管電容負載，

19、所以如果不是在同步的升壓拓撲 結(jié)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。1.12 降壓-升壓轉(zhuǎn)換器（電流和電壓波形）狀態(tài)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(tài)二：開關管關斷，二極管 D 正向?qū)ɡm(xù)流，電流回路為：電感器 L電容 C負載 RL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(jù)公式 Vo=Vin×D/(1-D) 中知 道，當 D=0.5 時，Vo=Vin；當 D0.5 時，VoVin；當 D0.5 時，VoVin。而且我們可 以看到，這種拓撲結(jié)

20、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頭 的方式的時候我們可以用這種方式來實現(xiàn)負電壓。1.13 降壓-升壓轉(zhuǎn)換器拓撲 學習開關電源基礎知識課程更多 TI 培訓課程 上圖是用 TPS5430DA 實現(xiàn)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(wěn)壓器控制器(Controler)和穩(wěn)壓器(Regularlator)，上圖是一個控制器和穩(wěn)壓器的區(qū)分參考，集成開關管的 IC 我們一般稱之為穩(wěn)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(xiàn)在很多的穩(wěn)壓器已經(jīng)可以做到大于 3A，而且

21、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。 控制器與穩(wěn)壓器實例對比 學習開關電源基礎知識課程更多 TI 培訓課程 1.15 開關穩(wěn)壓器總結(jié) 學習開關電源基礎知識課程更多 TI 培訓課程 第二章效率與 VOUT的關系在開關穩(wěn)壓電源中，輸入電源的范圍是知道的，輸出穩(wěn)壓點的設置也是知道的，但是輸 出 Vout 和效率的關系是什么呢？我們經(jīng)常的說的是占空比越大，效率越高，損耗越小，那么它是怎么得到的呢？有經(jīng)驗 的工程師就會根據(jù)公式去推導出來。占空比最大的時候為什么效率最高？下面舉個案例來更 大家解釋一下。電源的效率：上式中 Pout 為輸出功率，Pd 為耗散

22、功率 下面用一個簡化的功耗計算公式來計算一下，為什么說是簡化呢，我們的開關損耗有開通損耗、關斷損耗、導通損耗、驅(qū)動損耗，為了演示更加明顯下面的計算只是寫了一個導通 損耗。假設沒有電感器電流紋波，輸入 Vin=5V，輸出 Io=1A，那么在輸出為 3.3V 和 1V 的 情況下的損耗好如下表：其實上面計算 mos 管的電流有效值的計算是錯誤的，正確的式子是,上面的 只是一個簡化后的計算公式，只是為了更加容易計算而已。 學習開關電源基礎知識課程更多 TI 培訓課程 由上面的計算可以知道在 3.3V 輸出的時候，效率為：在輸出為 1V 的時候，效率為：由此可見 3.3V 輸入的效率比較高，根據(jù)這個特

23、性我們也描出了同等條件下輸出與功率 的關系，有下圖我們可以看出輸出越大，也就是占空比越大，效率就越高。 學習開關電源基礎知識課程更多 TI 培訓課程 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(fā)現(xiàn)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(diào)同步于非同步了。（2）同步同步是采用通態(tài)電阻極低的專用功率 MOSFET，來取代整流二極管

24、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(qū)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(qū)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(xù)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，

25、而圖 2 就是同步的。圖 1圖 2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(jié)構的 Buck 電路。 學習開關電源基礎知識課程更多 TI 培訓課程 3.3 同步，非同步的優(yōu)缺點（1）非同步的優(yōu)缺點l 在輸出電流變化的情況下，二極管的電壓降相當恒定 當續(xù)流二極管正向?qū)〞r，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。l 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

26、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。l 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。l 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?qū)▔簝r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(jié)構比較簡單，不需要外 加控制電路，生產(chǎn)的工藝流

27、程也會比較簡單。 學習開關電源基礎知識課程更多 TI 培訓課程 （2）同步的優(yōu)缺點l MOSFET 具有較低的電壓降在 MOSFES 的參數(shù)中有一個很重要的參數(shù)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。l 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?qū)?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l 需要額外的控制電路Mos 管需要

28、驅(qū)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(qū)動 控制電路，所以所先對非同步，同步的電路也會比較復雜。l 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(qū)動電路，驅(qū)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(chǎn)的流程工藝也會復雜一些。3.4 同步于非同步的選擇l 效率 在看完各自的優(yōu)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

29、，但它也比較貴，成本也高。l 成本同步也非同步之間，非同步的續(xù)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。l 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(qū)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(xiàn)象，那 么 mos 管就會因電流過大而損壞。 學習開關電源基礎知識課程更多 TI 培訓課程 所以在選擇同步的時候時序

30、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(qū)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。圖 4圖 5為了更加凸顯同步于非同步的效率問題，下面舉個例子來說明一下： 輸入電壓：Vin=5V同步 mos 管內(nèi)阻 Rds on _sync=0.12ohm 輸出電壓：Vout=1V功率 mos 管內(nèi)阻：Rds on_PWR=0.2 ohm 輸出電流：Iout=1A非同步續(xù)流二極管正向?qū)▔航?VF_DIONDE=

31、0.5V 學習開關電源基礎知識課程更多 TI 培訓課程 =88%=69.4%從上面的比教可以看出影響效率的主要就是續(xù)流二極管的損耗，對于低輸出電壓的來說 采用同步的效果是非常明顯的，而對于較高的 VOUT，采用同步還是非同步并不太成問題， 較高的占空比，同步 FET 或箝位至二極管中的功耗較少。第四章隔離式與非隔離式4.1 非隔離式拓撲結(jié)構在電源中電源的拓撲結(jié)構有著不同的形式，這里圖 1 所給出的圖形示出了三種基礎的DC-DC 電源轉(zhuǎn)換拓撲它們分別是，Buck、Boost、Buck-Boost 。優(yōu)點：結(jié)構簡單、體積小、成本較低；輸出電壓調(diào)節(jié)范 圍寬。缺點：前后不隔離，如果用市電供電，人接觸電

32、源的輸 出端或地端可能有觸電危險,還有就是在下雨天打雷的 時候，由于沒有隔離很有可能就會把整個電路的都會燒 壞：只能升壓或降壓或極性轉(zhuǎn)換，輸出電壓不能與輸入 電壓相等。圖 1 學習開關電源基礎知識課程更多 TI 培訓課程 4.2 隔離式拓撲結(jié)構由于許多應用中都需要輸入/輸出隔離，所以基于 Buck、Boost、Buck-Boost 這三種拓撲， 推導出了其他的常用拓撲：反激式，正激式， 推挽式，半橋式， 全橋式優(yōu)點：l保護人員、設備免遭感應在隔離另一端的危險瞬態(tài)電壓損害l去除隔離電路之間的接地環(huán)路以改善抗噪聲能力。l在系統(tǒng)中輕松完成輸出接線，而不與主接地發(fā)生沖突。 缺點：l體積較大，或同等體積

33、的功率較小4.2.1 正激變換器單端正激變換器是由 BUCK 變換器派生而來的。圖 2 上圖為 BUCK 變換器的原理圖， 將開關管右邊插入一個隔離變壓器，就可以得到圖 2 下圖的單端正激變換器4.2.2 反激變換器圖 2 上圖反激變換器是由 BUCK-BOOST 變換器推演而來的。圖 2 上圖為 BUCK-BOOST 變換器 的原理圖，將電感變換一個隔離變壓器，就可以得到圖 2 下圖的反激變換器。 學習開關電源基礎知識課程更多 TI 培訓課程 4.2.3 正激式/ 反激式拓撲比較圖 2 下圖原理圖上的區(qū)別，在上圖的比較中可以看到黃色部分，正激變換器在加入隔離變壓器器的同時也加入了一個輔助電感

34、 Nr，它是一個磁復位的電感。但是由 Buck-boost 改造出來的 反激變換器去沒有這個復位繞組，為什么呢，因為反激變換器的變壓器它既是電感又是變壓 器，所以電感的特性來講，它是不需要復位繞組的，電感就是一個儲能的器件，它在 MOS 開通時儲存能量,MOS 關斷時釋放能量，所以一直在平衡的狀態(tài)，它是不會到達飽和。 學習開關電源基礎知識課程更多 TI 培訓課程 正激變換器，它的 VIN 一直都是加在上面的，當 mos 不斷的開通，它的能量也不停的加在原邊，所以它的磁芯就會容易飽和，所以這個時候我們就需要加一個復位的電感，釋放 它原邊電感的能量。下面再對比一下正激和反激的其他特性：4.2.4

35、反激式轉(zhuǎn)換器特性優(yōu)點：l采用一個耦合電感器來充當隔離變壓器并 用于儲能。l輸入和輸出地是隔離的。l利用占空比和匝數(shù)比來實現(xiàn)電壓的降低或 提升。l易于實現(xiàn)多個輸出。l不需要采用一個單獨的輸出電感器。l最適合較低的功率級別。 缺點：l高輸出紋波電流。l高輸入紋波電流。l環(huán)路帶寬可能受限于右半平面(RHP) 零點。 學習開關電源基礎知識課程更多 TI 培訓課程 4.2.5 反激式的優(yōu)點及應用l采用最簡單的隔離式拓撲，因而具有最低的成本l使用了數(shù)量最少的功率組件：4個l最為人們所了解、實現(xiàn)的數(shù)量最多而且得到最廣泛支持的拓撲之一 由于上述原因，對于功率范圍<150W 的應用而言反激式轉(zhuǎn)換器是一種上

36、佳的選擇。4.2.6 反激的重要波形當開關管開通，電感的電流上升，可以看出它的電流的圖形和 BUCK-BOOST 的圖形是非常的相似的，它的區(qū)別就是在一個原副邊的匝比上面而已，這里也可以看出其變壓器的就 是一個電感的作用。4.2.7 反激的穩(wěn)態(tài)分析 學習開關電源基礎知識課程更多 TI 培訓課程 上圖是開關管的開通電流波形和續(xù)流二極管導通的波形，由波形我們也可以看出，開關管的波形加上續(xù)流二極管的電流波形就是電感的電流波形。4.2.8 反激變換器的設計問題 必須選擇合適的反激式轉(zhuǎn)換器組件，以便能夠處理必要的電流和電壓應力。這些應力由前一章節(jié)里給出的公式確定。所有這些應力均與變壓器有關：匝數(shù)比、電感

37、。占空比、匝比這些都是要工程師來設計的，在輸入的有最小電壓，最大電壓，它都有對應的占空比，中間還有一個穩(wěn)態(tài)的工作電壓，你要優(yōu)化在這個點上的效率，當然很少有工程 師想的那么多，因為一般反激的應用都是在小功率的場合，對應效率的要求也不是那么苛刻。 而且對于尺寸大小要求很高，所以頻率要做得很高，應用的功率也不是很大，效率低一點， 這個做出來的損耗也不是很大。下圖所示說明了針對反激式變壓器的基本要求：l請注意，由于集膚效應的原因，在高開關頻率變壓器中需要采用多股細導線。l為使操作在較寬的負載范圍內(nèi)保持于連續(xù)導通模式，需要高電感。l由于使用了較高的電感，初級和次級電路中的紋波電流都將較低。 學習開關電源

38、基礎知識課程更多 TI 培訓課程 4.2.9 實例設計規(guī)范一項設計總是從制定設計規(guī)范開始的，包括輸入電壓范圍、功率級別、輸出電壓等等。 占空比和開關頻率一般都是預先確定的。通常而言，采用一個介于 200 kHz 和 300 kHz 之 間的開關頻率可以很好地兼顧開關損耗與濾波器要求。事實上在 65kHz-300 kHz 都有人用， 要知道我們的頻率和開關損耗是成正比的，和體積是成反比的，當你的設計體積不是很嚴格 的時候，可以用 65 kHz 來做，那樣它的效率可以達到更好的效果。如果用 200 kHz 和 300 kHz 之間那么磁芯就可以做小，電源的體積就可以做得更小，紋波也可以做得更好。4

39、.2.10 反激式電路實例（1）隔離型 學習開關電源基礎知識課程更多 TI 培訓課程 上圖是國半 LM5020 的做的反激變換器，這是一個隔離型的反激變換器，大家可以看到它上面有個光耦，光耦一定要把 CTR（電流傳輸比）設置在線性區(qū)域，如果不在線性區(qū)域 當控制環(huán)路在調(diào)整的時候，CTR 就會變，那么它就會影響到反饋的環(huán)路，影響到整個電路 的穩(wěn)定性。這里大家可以參考一下啊，這個電路無論是光耦的供電還是型號的傳輸都是隔離 的，它真正的起到了電氣隔離和型號的隔離。（2）非隔離型對于這種非隔離的反激變換器我們可以認為它是優(yōu)化 DC-DC 里面 BUCK-BOOST 效率的時候，加入了變壓器的匝比那么它可

40、以更加優(yōu)化占空比工作范圍。對于這個電路信號不是隔 離的，所以對于 EMI 的優(yōu)化起到了一定的難度。4.2.11 結(jié)論l反激式拓撲是適合隔離式電源的最簡單拓撲。大多數(shù)應用是在通信和以太網(wǎng)供電(PoE) 領域，這里的功率級別低于 50W, 現(xiàn)在，802.11 AF, AT 之外的 POE 電源標準還未發(fā)布。l討論了反激式工作原理并介紹了穩(wěn)態(tài)分析，旨在提供設計指引。l主要的設計問題是反激式電源變壓器。l采用一個實例來演示設計。l環(huán)路補償簡單，比例積分即可。 學習開關電源基礎知識課程更多 TI 培訓課程 第五章脈寬調(diào)制與脈沖頻率調(diào)制5.1 概述l PWM 和 PFM 是兩大類 DC-DC 轉(zhuǎn)換器架構l

41、每種類型的性能特征是不一樣的l重負載和輕負載時的效率l負載調(diào)節(jié)l設計復雜性lEMI / 噪聲考慮l集成型轉(zhuǎn)換器解決方案可整合這兩種操作模式以利用它們各自的優(yōu)勢5.2 典型便攜式電源應用實例降壓轉(zhuǎn)換器 電源處理器或“數(shù)字負載”（1）負載水平有可能發(fā)生顯著的變化： 在“睡眠”時為 12 mA，而在“主動”操作 期間則可達幾百 mA（2）期盼 / 需要在整個負載范圍內(nèi)實現(xiàn)高效率（3）需要上佳（足夠的）負載調(diào)節(jié)以處理瞬態(tài)狀況（4）升壓轉(zhuǎn)換器LED 背光燈、音頻偏置電源軌或其他的“模擬”負載（5）對于噪聲 / 紋波的敏感度在很大程度上取決于應用（6）對于 LED 應用，可以采用不同類型的亮度控制方法5.

42、3 定義PWM 和 PFM 學習開關電源基礎知識課程更多 TI 培訓課程 5.4PWM 控制架構如圖是教科書上經(jīng)典設計的架構圖，輸出的兩個分壓電阻出來做采樣信號，然后通過一個補償器和精準源的比較，再把輸出的誤差信號和一個 Ramp(三角波比較)，得到固定周期 的脈沖。PWM 控制的優(yōu)缺點：l優(yōu)點：1、中等和重負載條件下可實現(xiàn)良好的效率2、開關頻率由 PWM 斜坡信號頻率設定l缺點：3、效率在輕負載條件下顯著下降，因為開關頻率固定導致了開關損耗在輕載時效率不高4、快速瞬態(tài)響應和高穩(wěn)定性需要仰仗上佳的補償網(wǎng)絡設計5.5 滯環(huán)模式控制 學習開關電源基礎知識課程更多 TI 培訓課程 開關式(Bang-

43、Bang) 控制，也稱滯環(huán)模式控制，其實就是一個窗口比較器的概念，MOSFET 的接通和關斷基于輸出電壓的檢測，所以它的響應速度是最快，輸出電壓始終恰 好高于或低于理想設定點，比較器遲滯用于保持可預測的操作并避免開關“跳動”。5.6 脈沖跳躍/ 省電模式 Burst Mode在輕負載時，PWM 轉(zhuǎn)換器能自動切換至一種“低功耗”模式以最大限度地減少電池電 流消耗，該模式有時被稱為“PFM” 但實際上是一個間歇式地接通和關斷的固定頻率 (PWM) 轉(zhuǎn)換器。5.7 PWM 模式和跳躍模式波形圖根據(jù)左邊和右邊的波形我們可以看到，左邊的是經(jīng)典的 PWM 模式，右邊的圖是在輕載或者時的 PWM 跳躍模式的波形，跳躍模式中的 PWM 的頻率降低，所以開關損耗減少了。 如果我們從輸出電壓紋波來看的話，紋波是變大了，因為它這種模式下已經(jīng)不是每個周期都 調(diào)整 PWM，而是反饋信號到了窗口比較器的上限或者下限的時候才做出調(diào)整。5.8 轉(zhuǎn)換器效率和損耗“損耗”= 任何從輸入吸收而未傳送至輸出的能量 學習開關電源基礎知識課程更多 TI 培訓課程 損耗的組成部分：lMOSFET：開關損耗、柵極驅(qū)動器損耗、傳導損耗。l無源組件：電感上的繞組和磁芯損耗、阻性損耗、電容器 ESR 損耗。l