前面講了一些線性穩壓的原理和設計的基本方法，事實上，除了一些功率較大或者對精度要求較高的電源設計，使用集成的線性穩壓芯片很少出現“翻車”事故，一般只需關注輸入輸出范圍即可。此外，需注意由于集成的開關電源芯片(尤其是貼片封裝的，如SOT-223)，由于體積較小，散熱較差，一般工作電流在300mA時已經較燙，500mA以上應考慮加散熱片輔助散熱。

總的來說線性穩壓電源設計較為簡單，本文開始總結一些開關電源相關的原理和設計方法。

文章目錄

• 開關電源的特點
• 開關電源拓撲結構
• Buck拓撲結構
• Boost拓撲結構
• Buck&Boost拓撲結構

開關電源的特點

開關電源正如其“名”，其利用半導體管的“開”和“關”實現對控制的輸出，由于半導體工藝的進步，半導體管已經能承受較大的電流，并且內阻極小，一般可小于20mΩ，因此開關電源輸出能力較強，且效率極高。但同時因其開關特性，其輸出不可避免的引入了與工作頻率同頻率的紋波及其高次諧波，因此一般用于功率較高但對精度要求不高的電路，且若與對精度要求較高的模擬電路之間需要單點接地以消除干擾。

開關電源拓撲結構

常見的DC-DC變換器拓撲結構有Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Zzeta、Sepic等幾種，其中最為常用的是前三種，后面會以Buck電路為例重點介紹。

開關電源的分析計算一般是基于對電感的伏秒平衡關系分析，下面舉例說明三種最常用的開關電源結構。需要注意的是，這里僅為了說明原理，實際應用中由于效率、成本等因素的影響結構會有所不同。

Buck拓撲結構

上圖為Buck電路的基本拓撲結構，首先感性認知一下，由PWM控制的NMOS管不斷的開關，當Q1導通時，輸入電壓經過電感L1給電容C1充電，由于“電感電流不突變，電容電壓不突變”的特性，輸出電壓逐漸上升，在尚未上升到輸入電壓時Q1截止，此時LCD構成新的回路，由于電感的“續流”和電容持續提供能量，輸出電壓逐漸下降。Q1不斷開關，重復上述過程，最終輸出電壓在一個較小的范圍內波動。

下面進行計算分析，假設上述控制Q1開關的PWM信號占空比為D，頻率為f，則

根據伏秒平衡可得

化簡得

此時計算得到的即為指定輸入和輸出時候的占空比，當然上述計算都是有一個假設前提，即電路效率為100%，實際上有損耗占空比會略高于理論值，同時實際運用中很難有一個穩定輸入的電源，比如使用電池供電，隨著電能的消耗，電池實際輸出電壓會降低，因此實際使用中需利用實際輸出電壓反饋來調整占空比。

如圖為Buck拓撲結構的multisim仿真，黃色為輸出電壓，紅色為輸出電流(1mV/mA)，以函數發生器提供PWM(10kHz，50%，3.3V)，輸入電壓8.4V(模擬的是2s鋰電池)，根據公式(4)可得理論輸出電壓為4.2V，但從圖中可以看出，實際輸出電壓僅為約5.4mV，這是因為PWM電壓僅為3.3V，不能使MOSFET完全導通，實際上欲使MOSFET完全導通需要的電壓一般高于整個開關電源的輸入電壓(早期的開關電源多使用三極管，此時更好理解，欲使三極管工作在飽和區，控制信號所在的基極電壓需大于電源輸入端所在的集電極)，而要產生這樣一個電壓大于輸入電壓的控制信號是非常困難的，實際上控制信號一般為3.3V或者5V，后續的博文在講述實際使用的Buck電路結構時將詳細說明該問題的解決方案(劇透一下~一個自舉電容就能解決問題)。

這里暫時以提高PWM的方法代替，得到如圖所示仿真結果，可以看到實際輸出確為4.2V左右，同時輸出電壓有明顯的周期性波動，該周期性波動的頻率即為控制信號頻率，波動大小與LC的參數有關。實際上PWM控制開關管輸出的是一個有效值為目標輸出的方波，經過LC濾波器濾除交流部分得到輸出基本穩定的直流電源。

上圖紅色曲線為電流曲線，可以看到電流是連續的，也就是說每次開關電感都沒有完全放電，這種開關模式被稱為連續導通模式(CCM，Continuous Conduction Mode);與之相對的是斷續導通模式(DCM，Discontinous Conduction Mode)，其在每個周期電感完全放電，也就是說其在一個周期內存在輸出電壓為“0”的情況;另外還有一種介于兩者之間的臨界模式(Boundary Conduction Mode)，但這是一種非標準的設計模式。

Boost拓撲結構

如圖為Boost電路的拓撲結構，感性認知，即MOS管Q2導通時，由于電感近似短路，電流迅速上升;Q2截止時，由于電感電流不能突變，電感繼續提供一個很大的電流給電容充電，從而達到輸出高于輸出的效果。

再進行計算分析，根據伏秒平衡可得

Buck&Boost拓撲結構

根據伏秒平衡可得

化簡得

以上說明了幾種開關電源的基本原理，當然，多數時候我們都是直接使用集成的開關電源芯片，如TI的TPS系列。常用的DC-DC芯片有MP2359、TPS565208等。后續的文章會說明如何選用集成的開關電源芯片設計電源。