非隔离开关电源相关知识理解汇总
思维导图
一、概念理解
1、开关电源：
顾名思义，开关电源就是利用电子开关器件（如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等），通过控制电路，使电子开关器件不停地“接通”和“关断”，让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现 DC/AC、DC/DC 电压变换，以及输出电压可调和自动稳压的电源电路
2、隔离电源和非隔离电源：
非隔离电源：输入和输出之间有直接的电流回路，例如，输入和输出之间是共地的
隔离电源：电源的输入回路和输出回路之间没有直接的电气连接，输入和输出之间是绝缘的高阻态，没有电流回路
3、分类
按照开关元件的激励方式，可分为自激式和它激式；
按照调整管在直流变换器中的位置不同可分为串联型（降压斩波式）、并联型（升压式斩波型式）以及极性反转式开关稳压器。
按开关管的个数及连接方式又可将开关电源分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式等。单端式仅用一只开关管，推挽式和半桥式采用两只开关管，全桥式则采用四只开关管。
按能量传递方式又可分为正激式和反激式
二、总体特点和对比
三、典型拓扑结构原理分析
主要介绍三种典型拓扑结构：降压型（Buck） 升压型（Boost） 升/降压型（Buck-Boost）
1、BUCK拓扑介绍
（1）元件介绍：
开关管Q：主要控制部件，通过控制Q的开通和关断的时间比来控制整体的输出电压
储能滤波电感L：作用是在控制开关 K 接通期间 Ton 限制大电流通过，防止输入电压 Ui 直接加到负载 R 上，对负载 R 进行电压冲击，同时对流过电感的电流 iL 转化成磁能进行能量存储，然后在控制开关 K 关断期间 Toff 把磁能转化成电流 iL 继续向负载 R 提供能量输出
储能滤波电容C： 作用是在控制开关 K 接通期间 Ton 把流过储能电感 L 的部分电流转化成电荷进行存储，然后在控制开关 K 关断期间 Toff 把电荷转化成电流继续向负载 R 提供能量输出
整流二极管D：主要是起到续流作用，故称它为续流二极管，其作用是在控制开关关断期间 Toff，给储能滤波电感 L 释放能量提供电流通路。
同时，电感L和电容C构成LC滤波电路，作用是把脉动直流电压通过平滑滤波输出其平均值。
（2）工作过程介绍：
当开关导通时（Ton），Ui通过LC滤波电路给负载供电，同时电感将流过其的电流转换成磁能进行存储。
当开关关断时（Toff），由于电感上的电流不能突变，电感L将储存的磁能转换成电流，通过整流二极管 D 继续向负载 R 提供能量
（3）工作情况说明
当 Ui = 2Uo 时，即滤波输出电压 Uo 等于电源输入电压 Ui 的一半时，或控制开关 Q的占空比 D 为二分之一时，流过储能电感 L 的电流上升率在 K 接通期间与 K 关断期间绝对值完全相等，即电感存储能量的速度与释放能量的速度完全相等，流过储能电感 L 的电流 iL 为临界连续电流，且滤波输出电压 Uo 等于滤波输入电压 uo 的平均值 Ua
当 Ui > 2Uo 时，即：滤波输出电压 Uo 小于电源输入电压 Ui 的一半时，或控制开关 Q的占空比小于二分之一时，即在下次开通之前能量已经消耗完了，因此会出现断流的情况，在这种情况下，流过储能电感 L 的电流 iL 不是连续电流，开关电源工作于电流不连续状态，因此，输出电压 Uo 的纹波比较大，且滤波输出电压 Uo 小于滤波输入电压 uo 的平均值 Ua
当Ui < 2Uo 时，即：滤波输出电压 Uo 大于电源输入电压 Ui 的一半时，或控制开关 Q的占空比大于二分之一时，即：电感存储能量每次均释放不完。在这种情况下，流过储能电感 L 的电流 iL 是连续电流，开关电源工作于连续电流状态，输出电压 Uo的纹波比较小，且滤波输出电压 Uo 大于滤波输入电压 uo 的平均值 Ua
BOOST拓扑介绍
工作过程说明：
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
BUCK-BOOST拓扑介绍
1、原理结构/工作过程说明
这种反转式串联开关电源拓扑结构与一般的串联式开关电源的区别是，这种反转式串联开关电源输出的电压是负电压，正好与一般串联式开关电源输出的正电压极性相反；并且由于储能电感 L 只在开关 K 关断时才向负载输出电流，因此，在相同条件下，反转式串联开关电源输出的电流比串联式开关电源输出的电流小一倍。
Ui 为输入电源，K 为控制开关，L 为储能电感，D 为整流二极管，C 为储能滤波电容，R 为负载电阻。
当控制开关 K 接通的时候，输入电源 Ui 为储能电感 L 供电，流过储能电感 L 的电流开始增加，同时电感L将电流转换为磁能储存；电流回路为：输入 Vin →开关管 Q→电感器 L
当控制开关 K 由接通转为关断的时候，由于电感L的电流不能突变，则会产生反电动势，使电流继续流动，并通过续流二极管 D 进行续流，再经电容储能滤波，然后向负载 R 提供电流输出。控制开关 K 不断地反复接通和关断过程，在负载 R 上就可以得到一个负极性的电压输出。
反转式串联开关电源输出电压与输入电压与开关接通的时间成正比，与开关关断的时间成反比。
2、工作情况说明：
由于反转式串联开关电源，仅当控制开关 K 关断期间才产生反电动势向负载提供能量。因此其工作情况有
当占空比为0.5时，输出电流的平均值 Io 为流过储能电感电流最大值的四分之一；
当占空比小于0.5时，输出电流的平均值 Io 小于流过储能电感电流最大值的四分之一；
当占空比大于0.5时，输出电流的平均值 Io 大于流过储能电感电流最大值的四分之一
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
四、常用开关电源芯片解析
主要介绍四种常用开关电源芯片：TPS5430DDR、MC34063、MP9942GJ、MP2451，包括基本参数、引脚说明以及功能，基本使用连接、元件参数的计算选择
1、TPS5430DDR部分
（1）基本参数
输入电压：5.5V-36V
输出电压：最低可至1.22V
输出电流：3A
开关频率：500KHZ
（2）引脚图与引脚说明
（3）主要用法说明
BOOT脚和PH脚间接自举电容给内置的高侧MOS管提供栅极偏置电压，一般取0.01uf，之后在其后接二极管、电感、负载构成BUCK拓扑
输出电压通过电阻分压网络的中心点反馈到VSENSE引脚来调节
ENA脚需要高于0.5V才使能芯片，悬空的话易受干扰，一般通过上拉电阻和电容网络实现使能和抗干扰
（4）主要参数计算
①电感电流
②反馈电阻的阻值（决定输出电压）
③输出电容
④二极管
反向电压需高于PH引脚的最高电压即：VIN(max)+0.5V
正向电流需要大于：Iout（max）+IL(PK)/2
导通压降小
2、MC34063部分
（1）基本参数
电压范围：3V-40V
输出电流：1.5A
静态电流：2.5mA
开关频率：100KHz
耗散功率：0.625W
（2）引脚图以及说明
（3）典型应用图解
（4）主要参数计算
VF输出整流正向压降=0.4V
Vsat输出开关饱和电压=1V
计算示例：
2、MP9942GJ部分
（1）基本参数：
输入范围：4V-36V
输出范围：0.8V-Vin*Dmax 2A
开关频率：410kHz（320k-500k）
同步频率范围：0.2MHZ-2.4MHZ（？）
耗散功率：1.25W
（2）引脚以及功能
（3）一般使用说明
PG一般接100K至VCC
IN接输入电压
BST和SW间接20Ω电阻和100nf自举电容，自举电容用于驱动高侧MOS管，电阻用于降低SW引脚的尖峰电压
EN/SY/NC引脚拉高使能，也可以连外部时钟来改变开关频率
VCC：用0.1uf-0.22uf电容接地（提供偏置的）
FB：设置输出电压
（4）典型应用
（5）参数计算选择
①FB电阻网络（输出电压设置）
R1固定41.2K RT固定51K
②电感一般选10uH(1uH-10uH)
③输入电容：0.1uf+22uf
降压变换器输入电流不连续，需要电容保持直流输入电压同时提供交流电流，同步整流
4、MP2451部分
（1）基本参数
输入范围：3.3V-36V
输出范围：0.8V-0.8*VIN 0.6A
开关频率：2MHz
耗散功率：0.57W
（2）引脚以及功能
（3）一般使用说明
BST和SW间接0.1uf自举电容驱动高侧MOS管
GND接输出电容接地
FB连电阻网络设置输出电压
EN拉高使能
VIN接输入电压需接输入电容滤波
SW后接电感和肖特基二极管（减少开关尖峰）
使用注意事项：一般用于低功耗场合，固定频率，非同步
（4）典型应用
（5）主要参数计算
①FB电阻网络选择
R1固定124k，并联33pf补偿电容（与R1一起设置反馈回路带宽）
②电感选择
五、Layout设计相关
总结了一些开关电源Layout 布局时需要注意的地方。
1、 大致文字总结
参考：http://www.elecfans.com/d/654133.html
旁路电容靠近Vin 引脚，输出滤波电容位置靠近Vout引脚
减小Vin 和GND以及电感等功率元件形成的电流环路面积
电感两引脚越远越好(减小Cp)，电容两引脚越近越好(减小ESL)
电感下方，背面都不允许走线，要铺铜处理。
减小PCB走线长度，用过孔连接大电流回路中的PCB层时使用多个过孔
注意PowerPAD需接地连接
二极管靠近PH引脚
主要考虑输入回路、反馈回路、输出回路的面积要小，同时考虑到输出回路的大电流散热问题
2、数据手册给出的布局建议
3、关于开关电源设计时的滤波问题
1、输入部分和输出部分的滤波：
一般来说采用大电容+小电容的滤波设计（比如10uf+100nf/100uf+100nf）
旁路电容：把输入信号的高频噪声作为滤除对象，将前级携带的高频杂波滤除；
去耦电容也称退耦电容，是把输出信号的干扰作为滤除对象。
取值方面按经验算法C=1/f （f为噪声频率），小电容滤高频即10MHz 取0.1uF，100MHz 取0.01uF
注意区分输入/输出电容和滤波电容
输入/输出电容是用来维持直流电压的（典型值10uf/22uf）
滤波电容则是为了吸收高频噪声。
输入/输出电容的取值则是需要根据不同的电路拓扑，开关频率，以及纹波要求按手册上给出的公式进行具体的计算得到。
2、输出后再接一级LC滤波
LC滤波电路对噪声纹波有良好的滤除效果。具体LC的取值则需要通过比对其谐振频率与纹波噪声的频率来综合考量确定。且比RC滤波耗能更低，效率更高。
……
未完待续
文中的图部分源自网络、数据手册
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