开关电源基础：电源变换器基础

开关DC-DC开关电源是现代高频开关电源的基本组成部分，即：将直流（DC）输入电压Vin转换成更满足我们电路设计要求的直流（DC）输出电压Vo。而AC-DC也称为离线式开关电源，一般在市电环境（AC-220V）下工作，先将交流（AC）输入电压Vac整流成直流电压（称为HVDC母线或高压直流母线），再作为后级DC-DC电压变换的输入。

当输入电压Vin或者输出负载电流Io变化时，开关电源需保持稳定的直流输出电压，这对开关电源来说是非常重要的。因此功率变换器都有一个控制电路（反馈环路）来持续监视输出电压的大小，并将它与内部基准参考电压做比较：如果输出电压偏离设定值，那么控制电路将会自动调整能量包的大小，这一过程称为输出调整。外加输入电压Vin在其工作范围内（Vinmax~Vinmin）变化时，保持输出电压稳定的过程称为电网调整；而Io在工作范围（Iomin~Iomax）内变化时，保持输出电压稳定的过程称为负载调整。电源的输出调整率也非常重要，在外部扰动下快速调整的性能称为环路响应，其一般是负载阶跃响应和电网暂态响应的叠加。

一，电源变换器的历史

电源是设备系统中各器件的能量供给者，而电源变换器是为了适应不同器件工作电压需求的电源电压变换系统，即Vin输入Vout输出；同样的对于能量功耗来说：Pin（Vin*Iin）输入Po（Vo*Io）输出。理想情况下我们希望Pin = Po：电源电压在转换过程中没有任何的损耗。但现实世界往往并不能如人意，在电源电压转换过程中必然会有一部分能量损耗掉：Ploss = Pin – Po。这就出现了电源的转换效率：η = Po/Pin，如果以转换效率来定义损耗的能量Ploss = Pin*（1-η）。

能量损耗除了造成无谓浪费外，它还会给我们带来了什么呢？我们来看热力学第一定律：能量守恒定律（爱因斯坦的质能方程将其推广到：质能守恒定律）；电源能量在电源电压变换过程中损耗掉一部分，那必然以其它方式呈现出来：热能。所以消耗掉的能量表现为设备温度的升高（相对环境的温升ΔT），而温度的升高必然会影响整个系统的可靠性。

一般情况下：每10℃温升，会使系统失效率加倍。

所以对于电源变换器来说要尽量做到：更高的转换效率。而对于设备系统来说要尽量做：到更高的能效比。

提升能效比，无论是对设备本身可靠性还是节能减排方面来说，都是非常有益的。

1，线性调整器（LDO：低压差线性调整器）

线性调整器又称为串联型调整器（下面统一用LDO来指代），通过输入和输出之间串联一个晶体管来实现电压变换的功能。此时该串联的晶体管（BJT）工作于放大区（如下右图所示，），起可变电阻的作用，即确定输入电压Vin和输出电压Vo后，其压差Vdrop = Vin – Vo消耗在晶体管（BJT）上，结构如下图所示。所以我们可以看到LDO的几个明显特点：

LDO输出电压Vo由于输入电压（Vin）升高或负载电流（Io）减小而升高时：晶体管（NPN）基极电压下降，等效电阻阻值（RCE）增加，输出电压Vo降低，从而保持采样电压等于参考电压。

1. LDO的电源变换效率η比较低，其效率取决于输入/输出电压的大小：η = Vo/Vin；在相同输入电压下，输出电压越小，电源变换效率越低；

LDO的输入功率Pin=Vin*Iin，输出功率Po = Vo*Io；而晶体管（BJT）是串在电源电路上的，根据基尔霍夫第一定律（电流定律）Iin = Io；所以η = Po/Pin = (Vo*Io)/(Vin*Iin) = Vo/Vin；举个栗子， 5V输入2.5V输出，那么此时LDO的效率是50%；由线性调整器的结构所决定，没有办法改变。

2. LDO效率低，其消耗的能量由变换器本身进行耗散，而LDO本身的封装散热能力有限，所以其输出电流一般不大（<5A，远低于开关电源）；

这主要取决于两方面：1，LDO的功率损耗与输出电流成正比，从系统层面考虑，输出电流大那么能量浪费就会很大；2，受限于LDO的本身散热能力；所以一般在硬件设计中也不会应用在电流过大的场合，而且需要计算LDO的温升是否满足设计需求。

3. 如上右图晶体管（BJT）工作在放大区时Vc必然大于Ve，即Vin > Vo，因此LDO在原理上只能是降压型的；

LDO只能应用于电源降压变换的场景，而不能应用于：升压、反压等。

4. LDO有最小压差的问题，举个栗子：假如某个LDO器件最小压差要求是0.3V，那么当Vin-Vo< 0.3V的情况下是不适用的。

晶体管（BJT）放大状态下的压差（Vc-Ve）必然会大于其饱和状态下的压差，而晶体管饱和状态的压差不会是0V，所以LDO的压差是有最小要求的。

5. LDO最大的优点是：“安静”，它不会引入噪声，也没有EMI的问题；而开关电源最大缺点之一便是：EMI问题。

2，开关调整器

根据柏拉图的“理念论”，我们总是要 摹仿“理念世界”中完美的电源变换器，使得电源转换效率不断趋于100%这一完美指标。而如上一节所述，LDO的功耗很大一部分消耗在晶体管的“放大区”，那是否能让晶体管的“饱和区”呢？

但饱和区的晶体管Vce压差基本保持不变，如果还是保持线性调整的模式，时不可能完成电源电压的随意变换；那么用“开关”的方式呢？

好办法！器件电源需要能量时将“开关”打开，能量从输入端--->输出端，如果不需要时就将“开关”关闭，就不会有能量传输到输出端；但这样又有一个问题：此时输出的是一个方波，而并非是稳定的电压。所以这时需要一个储能元件（桶）：电容器，用于平滑输出电源电压，并在开关管关断时向负载提供能量。如下图所示。

打个比方：将这个储能元件看成是一个水桶，有一根粗水管（Vin）给桶送水，一根细水管（Vo）在放水；但是粗水管一会“放水”一会“关水”，而细水管则一直在放水；例如水桶里的水低于0.9m高度时就触发粗水管“放水”，水桶里的水高于1.1m高度时就触发粗水管“关水”；这样就能保证水桶里的水面高度维持0.9m~1.1m之间，保持一定的稳定性，起到了平滑水面的作用。

好，还是看成电压的话，就是当输出电压Vo低于某一阈值，开关管导通从Vin电源充满输出电容器并向负载供电，当输出电压Vo高于某一阈值时，则关断开关管。

此时晶体管是作为“开关”使用的，主要有两种工作状态：闭合导通（完全导通）和打开关断（完全关断）；所以在理想情况下：开关导通时晶体管压降为0，开关断开时导通电流为0；所以每种状态下P = V*I = 0，即开关管的损耗为0。但事实并非如理想，如下情况都会导致晶体管产生额外的损耗：

1. 晶体管在导通阶段工作在饱和区：属于完全导通状态，Ice很大，此时的压降Vce≠0；

2. 晶体管在关断阶段工作在截止区：属于完全截止状态，Vce = Vin，但存在漏电流Ice≠0；

3. 晶体管在导通状态与关断状态切换时，不可能瞬间完成：两种状态之间存在过渡状态，即开关管压降和电流都不为0的阶段，此阶段P = V*I ≠ 0。

如上图所示，在直流储桶式调整器中，晶体管与电容器之间串联了一个电阻器R（小阻值），那为什么要串联一个电阻器呢？明眼人一看：这样不是减小了电源变换效率么？

电容器两端电压不能突变，那么当在电容器两端加一个电压源时，必然会产生一个非常非常大的浪涌电流，这个电流不仅会影响电容器本身的寿命，还会影响晶体管的寿命，所以必须在晶体管和电容器之间串联一个电阻，用于限制晶体管的开关瞬间电流。

串联电阻带来了电源变换效率的降低，这只是成功地将晶体管损耗转嫁到了电阻器上，相对于LDO，并没有真正提高效率；如果要想提升电源转换效率，只能去掉串联电阻R。

那是否有其它器件既能防止电容器浪涌电流，又不会消耗电源功耗呢？

我们琢磨一下关键信息：要能防止电流突变，而且又不是耗能元件；基本电路元件就那么四个：阻、容、感、忆阻器。只有电感器符合啊，不！简直就是为这个位置量身定制的呀：电感器本身（电感）并不消耗能量，而是将输入的电能转换成磁能储存起来，需要的时候又会释放出来。

如之前阻容感基础中所述，电容器储存的是静电能：P =1/2 * C* V²；电感器储存的是磁能：P = 1/2 * L* I²。如下图所示，这种结构除了能提升效率之外，在电源变换原理上能否行的通呢？对于LDO的结构来说，输出电容并非必须：因为晶体管已经完全将过剩电压消耗掉；而对于开关调整器来说，其工作方式必须符合开关功率转换逻辑：

1. 用开关管（BJT/MOS）来建立输出电压控制，实现电压调整；

如上所述，开关管的损耗为两端电压VCE和通过其的电流I乘积：P = VCE*I，如果VCE或I为0（或很小），那么损耗就为0（或很小）；通过不断的ON/OFF两种开关状态的切换，就能降低功耗，同时可以通过控制导通时间和关断时间的比例，就能调整平均能量包的大小来调整输出。

2. 每次开关动作都会断开输入和输出，但此时输出负载的能量必须保持连续，因此需要在变换器的输出位置引入储能元件：电容器；

在输出端增加电容器，以保证在输入输出电源断开时保持稳定的负载电压。

3. 但是一旦引入电容器，就需要限制流过电容器的浪涌电流，因为这不仅导致噪声和电磁干扰，而且还会导致电源转换效率的降低；

如上所述，这是所有电容器的特性，所有直接接入直流电源的电容都会遭到不可控的浪涌电流，直流储桶式调整器就是简单的用串联电阻器R来抑制浪涌电流。

4. 为了最大限度的提升电源转换效率，变换过程中的电阻器改为电感器（电抗元件），从原理来说电感器不仅能够储能，而且不消耗任何能量；

电阻器始终都是耗能器件，在开关管上节省下来的损耗可能会被电阻器上增加的损耗所抵消，导致得不偿失；所以电感器和电容器的组合成为了最终的选择，而且电感器的无损限流能力正好抑制电容器的浪涌电流。

5. 如上图所示，拓扑中将电阻器改为电感器外，还增加了一个“神秘”的二极管，这个二极管称为：续流二极管、逆向电压保护二极管、换流二极管等；使用该二极管源于电感器的自身特性：流过电感器电流不能突变。

开关管在导通/关断切换过程中，流过电感器的电流不能突变，如果在开关管关断时（从开关管处提供电流的路径已经切断）没有续流二极管存在，那么电流只能通过开关管和电感中间导体的自由电子提供，将积累起非常高的负电压（浪涌电压），最终击穿开关管或电感器电弧放电。