开关电源介绍

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1、开关电源介绍摘要：开关电源是非常通用的电源架构，设计人员常常面临DC-DC转换器的选型问题。不同电路在进行直流电源转换时具有较大的性能差异，需折中考虑。本文介绍了开关电源的优势和设计考虑，并介绍了它们的基本工作原理和相关理论。种类繁多的电子产品对直流电压的需求也多种多样，这就需要一个行之有效的方法将标准电源转化成负载所需的电压，这种方法必须通用、高效、可靠。在现代电子产品中，开关电源(SMPS)被普遍用来提供各种不同的直流电源，而且，它对于提高DC-DC电源转换系统的效率和可靠性也是不可或缺的。为什么选择SMPS?绝大部分的电气直流负载由标准电源供电。但是，标准

2、电源的电压可能不符合微处理器、电机、LED或其他负载的电压要求，尤其当标准电源本身的输出电压并不稳定时。电池供电设备就是一个最好的例子：标准的Li+电池或镍氢电池的典型电压对于大多数应用而言，不是过高就是过低，或者随着放电过程电压下降的过多。通用性幸运的是，SMPS的通用性帮我们解决了这一难题，它将标准电源电压转换成合适的、符合规定的电源电压。SMPS拓扑结构有很多，但可以划分为几种基本的类型，不同类型的转换器可以对输入电压实现升压、降压、反转以及升/降压变换。与线性稳压器只能对输入电压进行降压不同的是，可以选择不同拓扑的SMPS来满足任何输出电压的需求，这也正

3、是SMPS极具吸引力的原因。可定制另外，先进的SMPSIC的设计提供了不同的集成度，将经过裁剪的标准SMPS电路集成到单片IC，允许设计人员在不同规模的拓扑中进行选择。由此减轻厂商对通用电源或特殊应用电源的设计负担，并可根据项目需要为工程师提供定制的SMPSIC，从而进一步提高了这类器件的灵活多用性。效率工程师经常面临的一个问题是：如何高效的转换DC电源。例如，如何将输入电压降压转换为一个更低的输出电压。比较简单的方案是使用线性稳压器，毕竟，这一方案仅需几个外部的电容和适当的热管理。但是，方案简单所带来的一个结果是效率低下—当输入-输出压差较大时，效率往往低得让

4、人无法接受。线性稳压器的效率直接与其调整管所消耗的功率有关。调整管的功耗等于ILDO×(VIN-VOUT)，由此可见，有些情况下调整管会产生较大损耗。例如，负载为100mA时，将3.6V的电池电压降至1.8V输出，线性稳压器的功耗为0.18W。效率将低于50%，电池的工作时间也将缩减50%(按照理想情况估算)。线性稳压器的低效率迫使工程师寻求新的改进方案，正是在这一背景下，开关电源引起人们的关注。根据SMPS的工作原理，在不同负载和电压下，一个设计良好的SMPS效率可达90%甚至更高。上述例子中，如果使用图1所示的降压型SMPS代替线性稳压器，效率可达到90%。

5、这相比线性稳压器，效率提高了40%。通过直观的比较，降压SMPS的优势便体现出来了，其他的SMPS拓扑结构同样具有相近或是更高的效率。图1.MAX8640Y采用简单的降压型SMPS电路SMPS设计不仅仅具有高效率这一主要优势，由于功耗的降低还带来许多直接的好处。例如，与低效率的竞争产品相比，SMPS的散热片面积大大减小。降低了对热管理的要求；而且更重要的是，由于器件不会工作在低效的高温环境中，大大提高了器件的可靠性，进而延长工作寿命。SMPS拓扑及转换原理如上所述，根据电路拓扑的不同，SMPS可以将直流输入电压转换成不同的直流输出电压。实际应用中存在多种拓扑结构

6、，比较常见有三种基本类型，按照功能划分为(参见图2)：降压(buck)、升压(boost)、升/降压(buck-boost或反转)。下面还将讨论图2中所画出的电感充电/放电通道。图2.基本的SMPS拓扑：buck、boost和buck/boost三种拓扑都包括MOSFET开关、二极管、输出电容和电感。MOSFET是拓扑中的有源受控元件，与控制器(图中没给出)连接，控制器输出脉宽调制(PWM)方波信号驱动MOSFET栅极，控制器件的关断或导通。为使输出电压保持稳定，控制器检测SMPS输出电压，并改变方波信号的占空比(D)，即MOSFET在每个开关周期(TS)导通时

7、间。D是方波导通时间和周期的比值(TON/TS)，直接影响SMPS的输出电压。两者之间的关系在等式4和等式5给出。MOSFET的导通和关断状态将SMPS电路分为两个阶段：充电阶段和放电阶段，分别表示电感中的能量传递状态(参见图2的环路)。充电期间电感所储存的能量，在放电期间传递给输出负载和电容。电感充电期间，输出电容为负载供电，维持输出电压稳定。根据拓扑结构不同，能量在电路元件中循环传递，使输出电压维持在适当的值。在每个开关周期，电感是电源到负载能量传输的核心。如果没有电感，MOSFET切换时，SMPS将无法正常工作。电感(L)中所储存的能量(E)取决于电感电流

8、值(I)：因此，电感中能