一文读懂开关电源(DC-DC)的原理介绍

一文读懂开关电源（DC/DC）的原理介绍
DC/DC电源指的是直流转直流的电路，有升压降压两种电路，按理来说，LDO也是DCDC电源，但行业内只认为以开关形式实现的电源为DC/DC电源。

一、DC/DC基本拓扑
一个功率变换器，当输入、负载和控制均为固定值时的工作状态，在开关电源中，被称为稳态。

稳态下，功率变换器中的电感满足电感电压伏秒平衡定律：对于已工作在稳态的DC/DC功率变换器，有源开关导通时加在功率电感上的正向伏秒一定等于有源开关截至时加在该电感上的反向伏秒。

1、BUCK降压型
当PWM驱动高电平使得NMOS管S1导通，忽略MOS管的导通压降，电感电流呈线性上升，此时电感正向伏秒为：VxTon=（Vin-V o）xTon
当PWM驱动低电平使得NMOS管S1截至时，电感电流不能突变，经过续流二极管形成回路（忽略二极管压降），给输出负载供电，此时电感电流下降，此时电感反向伏秒为：VxToff=V ox（Ts-Ton）根据电感电压伏秒平衡定律可得：（Vin-V o）xTon=V ox（Ts-Ton）即V o=DxVin （D为占空比）
2、BOOST升压型
和BUCK电路类似的分析方法，当MOS管导通时，电感的正向伏秒为：VinxTon；当MOS管截至时，电感的反向伏秒为：（V o- Vin）
x（Ts-Ton）
根据电感电压伏秒平衡定律可得：VinxTon=（V o- Vin）x（Ts-Ton）即V o=Vin/（1-D）
3、同步整流技术
由于二极管导通时至少存在0.3V的压降，因此续流二极管D 所消耗的功率将会称为DC/DC电源主要功耗，从而严重限制了效率的提高。

为解决该问题，以导通电阻极小的MOS管取代续流二极管。

然后通过控制器同时控制开关管和同步整流管，要保证两个MOS管不能同时导通，负责将会发生短路。

二、DC/DC电源调制方式
DC/DC电源属于斩波类型，即按照一定的调制方式，不断地导通和关断高速开关，通过控制开关通断的占空比，可以实现直流电源电平的转换。

DC/DC电源的调制方式有三种：PWM方式、PFM方式、PWM与PFM的混合方式。

1、PWM（脉冲宽度调制）
PWM采用恒定的开关频率，通过调节脉冲宽度（占空比）的方法来实现稳定电源电压的输出。

在PWM调制方式下，开关频率恒定，即不存在长时间被关断的情况。

优点：噪声低、效率高，对负载的变化响应速度快，且支持连续供电的工作模式。

缺点：轻负载时效率较低，且电路工作不稳定，在设计上需要提供假负载。

2、PFM（脉冲频率调制）
PFM通过调节开关频率以实现稳定的电源电压的输出。

PFM工作时，在输出电压超过上阈值电压后，其输出将关断，直到输出电压跌落到低于下阈值电压时，才重新开始工作。

优点：功耗较低，轻负载时，效率高且无需提供假负载。

缺点：对负载变化响应较慢，输出电压的噪声和纹波相对较大，不适合工作于连续供电方式。

三、DC/DC芯片的内部构造
接下来我们来看看DC/DC电源芯片内部的单元模块，并且给大家看看基本拓扑与电源芯片的联系。

1、Vref&;Error 基准电压与误差放大器
误差放大器的作用就是将反馈电压（FB引脚电压）与基准电压（200mv）的差值进行放大，然后再用该信号去控制PWM输出信号的占空比。

2、Thermal Shutdown 温度保护：当温度高于限定值，芯片停止工作。

3、soft start软启动电路：用于电源启动时，减小浪涌电流，使输出电压缓慢上升，减小对输入电源的影响。

四、DC/DC电路的硬件设计参数选择标准
1、设置输出电压：先选择合适的R2,R2过小会导致静态电流过大，从而导致加大损耗；R2太大会导致静态电流过小，而导致FB 引脚的反馈电压对噪声敏感，一般在数据手册中有推荐值范围参考。

选定R2，根据输出电压计算R1的值，R1=（（V out-Vref）/Vref）xR2。

电压选定以后，开关电源会自动调节占比总，取得我们想要的电压。

2、电感：电感的选择要满足直到输出最小规定电流时，电感电流也保持连续。

在电感选取过程中需要综合输出电流、纹波、体积等多个因素进行考虑。

较大的电感将导致较小的纹波电流，从而导致较低的纹波电压，但是电感越大，将具有更大的物理占用面积，更高的串联电阻和更低的饱和电流。

电感感值越小，开关电源PWM信号的频率就越高，一般开关电源很少有好过10MHz的开关频率，大部分在100K~1MHz之间，所需要的功率电感值在2.2uH~22uH之间。

3、输出电容：输出电容的选择主要是根据设计中所需要的输出纹波的要求来进行选取。

电容产生的纹波：相对很小，可以忽略不计；电容等效电感产生的纹波：在300KHz~500KHz以下，可以忽略不计；电容等效电阻产生的纹波：与ESR和流过电容电流成正比，该电流纹波主要是和开关管的开关频率有关，基本为开关频率的n次谐波，为了减少纹波，让ESR尽量小。

需要在开关电源输出端增加pF级电容，减少百兆级噪声的干扰。