开关电源—工作原理模型分析

什么是开关电源？它的作用是啥？它的工作原理是啥？等等一系列的问题关于开关电源的问题都围绕着我解不开。

对于上学时候的我来说，开关电源就像一个黑匣子，永远不知道它到底干嘛用的，充满了神秘的色彩。校园里的我一直有个错误的想法，“电源用的最多不就是3.3或者5V嘛，不管什么办法能够产生出来就好了呀”，现在想起来，天啊，我在学校这么混的吗？为什么会有这个想法。但是每次上网查资料，百度片面化的查阅使得本人觉得，一提到开关电源就会觉得这个东西好难呀，感觉学不会，对开关电源充满了恐惧。

现在的我慢慢了解到了这玩意的重要性，一个系统最重要最基本的就是电源了，电源特性的好坏程度决定了产品的定位和稳定性。现在市面上几乎绝大多数的产品都会有开关电源，要想真正了解开关电源，那必须说说它的另一个伙伴LDO一起来讨论了。

目前市面上所有的电源都是两种方式产生：开关电源（SMPS）和低压差线性稳压电源（LDO）。

首先来说说线性稳压电源，下图为线性稳压电源的原理图。

通过原理图可以看出，前端输入IN，经过一个NPN的三极管，底下有个运放和一个分压电阻得到输出OUT。好吧，来分析分析这个原理图。如果这个图看着很变扭，把它立起来看似乎就能明白了。首先我们应该能判断出电压串联负反馈电路，运算放大器的负极性电压等于Vref，通过电阻R1和R2的串联关系可以得出：

R2*Vout/(R1+R2)=Vref

Vout=Vref*(R1+R2)/R2

LDO应该是我在学校最为熟悉的一种电源，包括我的毕业设计电源用的也是LDO，它的用法很简单，就拿三端线性稳压器7805来举例，他的作用是将一个输入电压稳定在5V输出，它的原理图与线性稳压电源的区别在哪呢，如下图所示。

从两个图的对比可以看出，前面的NPN管换成了PNP管，这样的做法使得三极管的饱和压降变小了，同时也使得反馈的稳定性增加了。同时REF接入到了运算放大器的负极性，目的是因为保证运放的输出端能够与PNP管形成稳定的饱和电路。

实际LDO电源的芯片前端用到的多为达林顿管，其目的无非也是降低三极管的饱和电压，从而增加反馈的稳定性罢了。

从公式可以看出，输出电压似乎与输入电压没有任何关系，只与Vref有关。而这个Vref是芯片内部定好的，一般可以从datasheet里面可以查阅到，那么问题来了，Vin和Vout似乎并没有关系？其实我们可以这样理解，Vin是从三极管的集电极输入，这大大增加了Vin的输入范围，那么可以理解为Vin有一个很大的电压margin 范围，在这个范围内都能输出一个稳定的电压值。

那么问题又来了，为什么非要接入R1和R2的分压电阻来确定Vout，而不是直接Vout与负极性相连接，那不就可以Vout=Vref，那不是简单多了？其实不然，个人认为第一个原因是由于工艺的原因，工艺上比较容易做到较低的带隙基准参考电压，比如1.2V等；第二个原因在于运放的输入端有电压范围，不适合太高，比如5V。从原理图中可以看出，由于输入电流与输出电流差值较大，负载电阻的大小会影响Vout的输出，这一点是LDO最大的缺点了。

上面说了这么多的原理，如果模电没有基础的同学可能觉得很难，没关系，如果将模型在简化的话，我觉得可以用下图表示更加的清晰。

没错，这个模型来表示LDO一点也不过分。可以看出它的负载对输出电压有一定的影响。

那么说了这么多的LDO，今天的主角开关电源还没有正式的介绍。如果能够理解了LDO的模型，那么开关电源的原理也就不难理解了。

从原理图可以看出，开关电源的原理和LDO几乎是一模一样的，几个不同的地方在于多了一个晶体振荡器，他输出的频率来控制开关电源的输出频率；多了一个开关，当然这个开关是芯片内部来实现的，之所以叫开关电源，正是由于这个开关的作用；后面多了一个环流二极管，一个电感和一个电容，这些部分的作用我们在后面结合波形来详细分析。

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