說在開頭

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

如果有人問我單板硬件中哪個模塊設計最重要？我正要回答，他又補充了一句：沒有之一哦。既然這樣，那我就要回答的嚴謹一點：在我看來，對于一般硬件電路設計來說電源系統是單板上最重要的系統/模塊，沒有之一。正如《電源完整性基礎》專題中所說，電源系統好比是人的心血管系統或許還得加上呼吸系統。

Sanjaya Maniktala在《精通開關電源設計》這本書中，對開關電源做了一個非常形象的比喻。

想象我們站在一個周五晚高峰的上海高鐵站，有成千上萬的乘客涌進高鐵站要坐高鐵到杭州，當然所有乘客不能同時擠上一趟高鐵，而是每隔30分鐘一趟分流運送。開關電源與運輸系統非常類似，差別在于運送的是能量而非人：用一個開關把這些能量截成一個個的能量包，然后通過儲能元件（電感器、電容器）進行傳輸，從而可以按照要求調整和轉換這些能量包，最后再將這些能量包匯合，從輸出端得到平穩的能量。

在規定時間內運送一定數量的乘客：一種方法是通過載量更大的大型列車，此時發車間隔時間長一些（例如45分鐘）；另外一種方法是載量小的小型列車，發車間隔時間短一點（例如15分鐘）。小型列車單次的載客量少，所以一次到達目的車站的乘客就少，所以車站容量就可以小一點；因此對于開關電源來說：提升開關頻率，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（相當于車站）就能減小，從而減小電感器和電容器的尺寸。

應用這種原理的電源就成為開關電源或開關型功率變換器。

開關DC-DC開關電源是現代高頻開關電源的基本組成部分，即：將直流（DC）輸入電壓Vin轉換成更滿足我們電路設計要求的直流（DC）輸出電壓Vo。而AC-DC也稱為離線式開關電源，一般在市電環境（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DC-DC電壓變換的輸入。

當輸入電壓Vin或則輸出負載電流Io變化時，開關電源需保持穩定的直流輸出電壓，這對開關電源來說是非常重要的。因此功率變換器都有一個控制電路（反饋環路）來持續監視輸出電壓的大小，并將它與內部基準參考電壓做比較：如果輸出電壓偏離設定值，那么控制電路將會自動調整能量包的大小，這一過程稱為輸出調整。外加輸入電壓Vin在其工作范圍內（Vinmax~Vinmin）變化時，保持輸出電壓穩定的過程稱為電網調整；而Io在工作范圍（Iomin~Iomax）內變化時，保持輸出電壓穩定的過程稱為負載調整。電源的輸出調整率也非常重要，在外部擾動下快速調整的性能稱為環路響應，其一般是負載階躍響應和電網暫態響應的疊加。

接下來《開關電源基礎》專題將以《精通開關電源設計》作為藍本，進行開關電源的技術分享。

• 電源變換器的歷史

電源是設備系統中各器件的能量供給者，而電源變換器是為了適應不同器件工作電壓需求的電源電壓變換系統，即Vin輸入Vout輸出；同樣的對于能量功耗來說：Pin（Vin*Iin）輸入Po（Vo*Io）輸出。理想情況下我們希望Pin = Po：電源電壓在轉換過程中沒有任何的損耗。但現實世界往往并不能如人意，在電源電壓轉換過程中必然會有一部分能量損耗掉：Ploss = Pin – Po。這就出現了電源的轉換效率：η = Po/Pin，如果以轉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外，它還會給我們帶來了什么呢？我們來看熱力學第一定律：能量守恒定律（愛因斯坦的質能方程將其推廣到：質能守恒定律）；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出來：熱能。所以消耗掉的能量表現為設備溫度的升高（相對環境的溫升ΔT），而溫度的升高必然會影響整個系統的可靠性。

——一般情況下：每10℃溫升，會使系統失效率加倍。

所以對于電源變換器來說要盡量做到：更高的轉換效率。而對于設備系統來說要盡量做：到更高的能效比。

——提升能效比，無論是對設備本身可靠性還是節能減排方面來說，都是非常有益的。

1，線性調整器（LDO：低壓差線性調整器）

線性調整器又稱為串聯型調整器（下面統一用LDO來指代），通過輸入和輸出之間串聯一個晶體管來實現電壓變換的功能。此時該串聯的晶體管（BJT）工作于放大區（如下右圖所示，具體原理參考：《三極管基礎》相關章節），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，結構如下圖所示。所以我們可以看到LDO的幾個明顯特點：

——LDO輸出電壓Vo由于輸入電壓（Vin）升高或負載電流（Io）減小而升高時：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；舉個栗子， 5V輸入2.5V輸出，那么此時LDO的效率是50%；由線性調整器的結構所決定，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，遠低于開關電源）；

——這主要取決于兩方面：1，LDO的功率損耗與輸出電流成正比，從系統層面考慮，輸出電流大那么能量浪費就會很大；2，受限于LDO的本身散熱能力；所以一般在硬件設計中也不會應用在電流過大的場合，而且需要計算LDO的溫升是否滿足設計需求。

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

——LDO只能應用于電源降壓變換的場景，而不能應用于：升壓、反壓等。

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

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

5. LDO最大的優點是：“安靜”，它不會引入噪聲，也沒有EMI的問題；而開關電源最大缺點之一便是：EMI問題。

2，開關調整器

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

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

好辦法！器件電源需要能量時將“開關”打開，能量從輸入端--->輸出端，如果不需要時就將“開關”關閉，就不會有能量傳輸到輸出端；但這樣又有一個問題：此時輸出的是一個方波，而并非是穩定的電壓。所以這時需要一個儲能元件（桶）：電容器，用于平滑輸出電源電壓，并在開關管關斷時向負載提供能量。如下圖所示。

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

——好，還是看成電壓的話，就是當輸出電壓Vo低于某一閾值，開關管導通從Vin電源充滿輸出電容器并向負載供電，當輸出電壓Vo高于某一閾值時，則關斷開關管。

此時晶體管是作為“開關”使用的，主要有兩種工作狀態：閉合導通（完全導通）和打開關斷（完全關斷）；所以在理想情況下：開關導通時晶體管壓降為0，開關斷開時導通電流為0；所以每種狀態下P = V*I = 0，即開關管的損耗為0。但事實并非如理想，如下情況都會導致晶體管產生額外的損耗：

1. 晶體管在導通階段工作在飽和區：屬于完全導通狀態，Ice很大，此時的壓降Vce≠0；

2. 晶體管在關斷階段工作在截止區：屬于完全截止狀態，Vce = Vin，但存在漏電流Ice≠0；

3. 晶體管在導通狀態與關斷狀態切換時，不可能瞬間完成：兩種狀態之間存在過渡狀態，即開關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，在直流儲桶式調整器中，晶體管與電容器之間串聯了一個電阻器R（小阻值），那為什么要串聯一個電阻器呢？明眼人一看：這樣不是減小了電源變換效率么？

我們在電容器章節（具體原理參考：《電容器原理》章節）已經知道了電容器兩端電壓不能突變，那么當在電容器兩端加一個電壓源時，必然會產生一個非常非常大的浪涌電流，這個電流不僅會影響電容器本身的壽命，還會影響晶體管的壽命，所以必須在晶體管和電容器之間串聯一個電阻，用于限制晶體管的開關瞬間電流。

——串聯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嫁到了電阻器上，相對于LDO，并沒有真正提高效率；如果要想提升電源轉換效率，只能去掉串聯電阻R。

那是否有其它器件既能防止電容器浪涌電流，又不會消耗電源功耗呢？

我們琢磨一下關鍵信息：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：阻、容、感、憶阻器（具體參考《從宇宙起源到阻容感》章節）。只有電感器符合啊，不！簡直就是為這個位置量身定制的呀：電感器本身（電感）并不消耗能量，而是將輸入的電能轉換成磁能儲存起來（具體參考：《電感器原理》章節），需要的時候又會釋放出來。

如之前阻容感基礎中所述，電容器儲存的是靜電能：P =1/2 * C* V2；電感器儲存的是磁能：P = 1/2 * L* I2。如下圖所示，這種結構除了能提升效率之外，在電源變換原理上能否行的通呢？對于LDO的結構來說，輸出電容并非必須：因為晶體管已經完全將過剩電壓消耗掉；而對于開關調整器來說，其工作方式必須符合開關功率轉換邏輯：

1. 用開關管（BJT/MOS）來建立輸出電壓控制，實現電壓調整；

——如上所述，開關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兩種開關狀態的切換，就能降低功耗，同時可以通過控制導通時間和關斷時間的比例，就能調整平均能量包的大小來調整輸出。

2. 每次開關動作都會斷開輸入和輸出，但此時輸出負載的能量必須保持連續，因此需要在變換器的輸出位置引入儲能元件：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保持穩定的負載電壓。

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，因為這不僅導致噪聲和電磁干擾，而且還會導致電源轉換效率的降低；

——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遭到不可控的浪涌電流，直流儲桶式調整器就是簡單的用串聯電阻器R來抑制浪涌電流。

4. 為了最大限度的提升電源轉換效率，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能，而且不消耗任何能量；

——電阻器始終都是耗能器件，在開關管上節省下來的損耗可能會被電阻器上增加的損耗所抵消，導致得不償失；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，拓撲中將電阻器改為電感器外，還增加了一個“神秘”的二極管，這個二極管稱為：續流二極管、逆向電壓保護二極管、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。

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

我們一直生活在農耕時代不好么？柏拉圖說不好，因為那個完美世界在我們的靈魂深處召喚著我們，去改造這個現實世界。所以我們有了LDO后還想要追求更高的效率，絞盡腦汁創造出直流桶式開關調整器，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，但是關斷時電感電流也不能突變哪，會產生浪涌電壓！咋整？sigh，再給加一個續流二極管吧。

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電源拓撲結構中的主角了。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

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）-关于缘起的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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