开关电源基础知识（上）_拓扑类型、效率与输入输出及占空比的关系

1、开关电源基础知识
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：
l 传输元件工作在线性区，它没有开关的跳变；
l 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
l 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；
l 里面至少包括一个电能储能的元件，如：电感器或者电容器；
l 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
l 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；
l 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。

1.1.4 下图为线性电源和开关电源体积的比较

SHAPE \* MERGEFORMAT

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
1.2 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。
1.3 脉宽调试方式(PWM)
1.3.1 周期性的改变开关的导通与关断时间的简单方法

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。
1.3.2 在电子行业中有两种主要储能器件

1.4 实例：简化的降压开关电源

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。
1.5 开关电源的类型（非隔离式）

1.6 降压转换器（降压型开关稳压器）的工作模型

开关电源是一个闭环的控制系统，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。
1.7 降压转换器基础（电流和电压波形）

当开关开通的时候，能量从输入向输出传递，电流是斜线上升的，好比模型里杯子的水
往小水池传送；当小水池的水偏高了，开关就关断，这时电感、负载、二极管形成自然的续
流回路，电流开始线性减少；当小水池的水低到一定程度后，重新开始开通开关；通过这样
高频率的开通和关断，就形成一个稳定的输出电压。
1.8 降压转换器拓扑

上图就是一个电路结构，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。
下图是用 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，因为他
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。
1.9 升压转换器（升压型开关稳压器）

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。
1.10 升压转换器（电流和电压波形）

左图就是升压转换器(Boost)的拓扑结构，我们前面讲过，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。
1.11 升压转换器拓扑和电路示例

上图所示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。
1.12 降压-升压转换器（电流和电压波形）

状态一：开关管开通，二极管 D 反向截止，电感器储能，电流回路为：输入 Vin →开关管 Q→
电感器 L；
状态二：开关管关断，二极管 D 正向导通续流，电流回路为：电感器 L→电容 C→负载 RL→
二极管 D；
输出什么时候是升压，什么时候是降压呢？我们可以根据公式 Vo=Vin×D/(1-D) 中知
道，当 D=0.5 时， Vo=Vin；当 D＜0.5 时， Vo＜Vin；当 D＞0.5 时， Vo＞Vin。而且我们可
以看到，这种拓扑结构我们很容易得到了负向的电压，当某些场合不想用隔离变压器拉抽头
的方式的时候我们可以用这种方式来实现负电压。
1.13 降压-升压转换器拓扑

上图是用 TPS5430DA 实现的一个负电压输出的电路，TPS5430DA 和 LM22670 的引脚相同，
两者可以互换。
1.14 控制器与稳压器

控制器(Controler)和稳压器(Regularlator)，上图是一个控制器和稳压器的区分参考，集
成开关管的 IC 我们一般称之为稳压器，需要外置开关管的 IC 我们称之为控制器，而图中的
描述我们只能作为一个参考，现在很多的稳压器已经可以做到大于 3A，而且热阻低到 10℃
/W 也有很多，但很多大功率的开关电源还是需要控制器，外置 MOS 管。
控制器与稳压器实例对比

1.15 开关稳压器总结

2、效率与 VOUT 的关系
在开关稳压电源中，输入电源的范围是知道的，输出稳压点的设置也是知道的，但是输
出 Vout 和效率的关系是什么呢？
我们经常的说的是占空比越大，效率越高，损耗越小，那么它是怎么得到的呢？有经验
的工程师就会根据公式去推导出来。占空比最大的时候为什么效率最高？下面举个案例来更
大家解释一下。
电源的效率η：

上式中 Pout 为输出功率， Pd 为耗散功率
下面用一个简化的功耗计算公式来计算一下，为什么说是简化呢，我们的开关损耗有开
通损耗、关断损耗、导通损耗、驱动损耗，为了演示更加明显下面的计算只是写了一个导通
损耗。假设没有电感器电流纹波，输入 Vin=5V，输出 Io=1A，那么在输出为 3.3V 和 1V 的
情况下的损耗如下表：

其实上面计算 mos 管的电流有效值的计算是错误的，正确的式子是

上面的只是一个简化后的计算公式，只是为了更加容易计算而已。

由上面的计算可以知道在 3.3V 输出的时候，效率为：

在输出为 1V 的时候，效率为：

由此可见 3.3V 输入的效率比较高，根据这个特性我们也描出了同等条件下输出与功率
的关系，有下图我们可以看出输出越大，也就是占空比越大，效率就越高。

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