Buck型開關電源的基本原理和組成結構

第第頁Buck型開關電源的基本原理和組成結構

導讀：

筆者發(fā)現(xiàn)大部分（硬件）（工程師）不太懂（開關電源）原理，害怕其（電源）設計，不懂電源layout，面對電源問題摸不清方向。當然做計算機硬件（產(chǎn)品）達到一定規(guī)模的公司，都配備了專門的電源工程師來把關產(chǎn)品的電源設計。然而，規(guī)模小一點的公司，硬件工程師基本上要負責電源在內的所有硬件（電路設計）。出問題最多的往往還是看似不起眼的各種電源問題。

因此，筆者想在“計算機硬件合集”核心內容開始前先講講開關電源。當然一篇博文不可能把開關電源介紹完整，筆者主要目的是讓各位工程師了解開關電源最基本的（工作原理）；在此基礎上，以后看到各（廠商）的電源方案，看到類似（CPU）核電源這種高電流和高性能的多相復雜電源控制器、心里不慌，知道哪些是關鍵；還有遇到電源問題腦海里有清晰的調試方法和步驟；能指導（PCB）layout工程師對電源關鍵（信號）布局布線。

事實上，能理解開關電源基本工作原理，以上這些問題都不是難題，再復雜的電源控制器其基本拓撲不會變，無非就是增加了一些負載均衡，提高電壓（電流檢測）精度，提高動態(tài)調節(jié)電源輸出能力等關鍵電路。還有一些附加功能，比如：功耗管理、溫度控制和過壓、過流等故障保護等。

功率變換的實際電路拓撲一直沒有明顯改變，仍然是三個基本拓撲：buck電路（降壓型）、boost電路（升壓型）和buck-boost電路（先降壓再升壓型），本公眾號主要關注計算機硬件電路，而計算機板級上的每一路電源基本屬于buck拓撲，因此本文主要介紹buck型電路基本原理。

掌握好開關電源，必須理解電感、（電容）這兩個關鍵元件，尤其電感。本文將從電感、電容、開關管、拓撲、開關電源基本組成結構、脈寬調制原理等方面一步步揭開開關電源神秘的面紗。

電容

常用電容

（MLCC）（NPO，C0G，X7R，X5R，Y5V…）

（電解電容）（鋁，鉭，OS-CON，Poscap）

瓷片電容等幾類

電容的作用：

濾波

去耦合（LC）

旁路

（AC）（耦合）

調諧

RCdelay

儲能等

旁路是把輸入信號中的干擾作為濾除對象，而去耦是把輸出信號的干擾作為濾除對象，防止干擾信號返回電源。

解釋：

C=Q/V，其中C為電容，Q為電容兩端的電荷量，V為電容兩端電壓。

電感

電感的作用：濾波、振蕩、延遲、陷波等

在（電子線路）中，電感線圈對交流有限流作用，它與（電阻器）或（電容器）能組成（高通）或低通（濾波器）、移相電路及諧振電路等

電感與磁珠區(qū)別：

電感是儲能元件，而磁珠是能量轉換（消耗）器件

電感多用于電源濾波回路；磁珠多用于信號回路，用于（EMC）對策，磁珠主要用于抑制電磁輻射干擾，而電感則側重于抑制傳導性干擾。

解釋：

法拉第定律：由于感應電壓的產(chǎn)生，電感（電流）的建立不能瞬時完成。

電感中電阻幾乎為0，它是一根長的銅導線繞于磁芯上，若其電流改變，電感兩端就會產(chǎn)生感應電壓。

濾波

解釋：

電感和（電容濾波）的最終目的

電感平滑電流變化。當開關管導通（電感充電階段）時，電感儲存電能，平滑電流。當開關管斷開（電感放電階段）時，電感釋放電能，維持輸出電流。

電容平滑電壓變化。當開關管導通（電容充電階段）時，電容儲存電荷，平滑電壓。當開關管斷開（電感放電階段）時，電感釋放電荷，維持輸出電壓。

電感電容濾波的原理是利用電感和電容的特性來濾除開關電源輸出中的高頻噪聲，使輸出變得更平穩(wěn)（如上圖紅框所示：UO是Ui經(jīng)過濾波后的電源輸出，此處只是示意，當電感、電容在開關電源電路中參數(shù)適當，且當電源變換達到穩(wěn)態(tài)，輸出電壓和電流則是一個穩(wěn)定的波形）。

對偶原理分析

解釋：

此處是一個拓展，想讓大家了解一下對偶性原理，讀者可根據(jù)自己對電感和電容的了解以及圖示提示，想象一下上圖中開關斷開和閉合瞬間會發(fā)生什么？很有意思的一個過程。

MOS管

場效應管的名字也來源于它的輸入端（稱為gate）通過投影一個電場在一個絕緣層上來影響流過（晶體管）的電流。

場效應管特點：

1.輸入（電阻）大

2.噪聲低，溫度穩(wěn)定性好，抗輻射能力強

3.便于集成化

4.放大能力差

主板上的常見應用：

1、主要是開關作用和電平轉換

2、MOS管的功耗小，在工控機上等對（電源管理）要求高的地方可以使用，省電。

解釋：

本文介紹MOS管，主要用于開關電源的開關作用。使電感電容充電和放電。具體原理詳見下文分析。

兩種基本拓撲

解釋：

先了解以上兩種電源拓撲的電路結構，具體工作原理詳見下文分析。buck電路因為開關管(MOS)與負載RL串聯(lián)，所以叫串聯(lián)型，Boost電路因為*開關管(MOS)與負載RL并聯(lián)，所以叫并聯(lián)型。

buck變換器的充電和放電階段分析

解釋：（結合Buck拓撲）

模式1即開關管導通階段，見上圖等效電路圖，電感電容充電，由于電感的特性它阻止電流突變，而產(chǎn)生感應電動勢，其電流與負載電流方向一致。忽略mos管壓降，源極端（e點）電壓約等于輸入電壓。

模式2即開關管截止階段，見上圖等效電路圖，電感電容放電，由于電感的特性它阻止電流突變，而產(chǎn)生感應電動勢，其電流與負載電流方向依然保持一致，并通過（二極管）D續(xù)流組成閉合回路（又稱續(xù)流二極管）。忽略mos管壓降，源極端（e點）電壓約等于-Ud，若忽略二極管壓降，約等于0。

輸出電壓計算公式

解釋：

負載電壓等于導通和截止兩個階段之和，計算公式見上圖。忽略mos和續(xù)流二極管管壓降，輸出電壓等于輸入電壓乘以占空比。因此，調節(jié)mos管的導通時間即占空比即可調節(jié)輸出電壓大小。

Buck型開關電源最基本組成結構

解釋：

上圖為Buck開關電源最基本組成結構，你將來看到任何一家buck電源控制器，其內部拓撲結構也是如此，如導讀所言，無非就是在此拓撲基礎上增加了一些負載均衡，提高電壓電流檢測精度，提高動態(tài)調節(jié)電源輸出能力等關鍵電路。還有一些附加功能，比如：功耗管理、溫度控制和過壓、過流等故障保護等。

工作原理詳見下文脈寬調制原理。

脈寬調制原理

解釋：

假設該電源因為負載突變、或者某種干擾導致輸出電壓瞬間升高，電源控制器必須瞬態(tài)響應并調節(jié)保證輸出穩(wěn)定：

通過取樣電路（R1和R2分壓）送到比較（放大器）Un1端點電壓升高，因為Un1為比較放大器的“負”端，通過和基準電壓比較后，放大器輸出Up2變小（這是放大器的原理，如果不懂查閱（模擬）電路），同理，Up2經(jīng)過與三角波電路比較后，輸出脈寬變小，即占空比q變小，根據(jù)前面的輸出電壓計算公式可知，Uo=Ui*q，占空比變小，輸出電壓變小。因此達到調節(jié)輸出電壓的目的。

多相電源控制器參考

解釋：

我截取了（VR）11電源控制器（原（intersil）4相電源控制器）作為參考：

4個紅框是一相組成部分，暫不管這些，先把buck拓撲主要（元器件）框出來：電源輸入、mos管，電感、電容、負載、續(xù)流二極管，是否能看明白它就是一個buck拓撲電路？再回過頭看多相，其實每一相都是一樣的，為了給輸出提供更大的電流能力，內部（控制器）多做了幾路驅動，相當于并聯(lián)，就像同時幾條河流的水匯聚到大海一樣。只不過內部增加了均流、穩(wěn)定、可靠等這些電路，其基本拓撲沒有變。

續(xù)流二極管的替換

解釋：

這里主要講述續(xù)流二極管為什么被mos管替代的原因，二極管和mos管有什么區(qū)別呢？二極管管壓降比較大，一般0.5V左右，而mos管導通階段內阻很低，幾毫歐級甚至小于1毫歐級，把它換掉是不是電源的損耗小了很多？從而效率大大提高。詳情見下文兩張圖。

二極管的電源工作效率

MOS管的電源工作效率

總結：

當然設計好開關電源是有難度的，涉及的知識面很廣。本文主要目的是讓硬件