3.1 开关电源的类型电源的类型 线性稳压器 传输元件工作在线性区 仅限于降压转换 开关稳压器 传输元件开关，在每个周期完全接通和完全切断 包括一个电感器 多种拓扑（降压、升压、降压-升压等） 充电泵 传输元件开关，有些完全导通，而有些则工作在线性区 仅限电容器2为什么采用开关模式？测量效率….效率效率6.6WX 100 = 28%6.6WX 100 = 90%(2A)(12V)(0.61A)(12V) Pd=(12-3.3)*2A=17.4W !! 非常热！Pd=12*0.61*10%=0.73W3 线性稳压器与开关电源的比较2.5W LDO +作为散热器的接地平面6W 开关电源4开关电源VS线性稳压器 开关电源 能够提升电压（升压） 以及使电压减低（降压）甚至反相 线性稳压器不要在意那个电感器 只能实现降压 开关电源 具有较高的效率5什么是开关稳压器？开关 输入输出Switch反馈控制电路(PWM)6什么是PWM？ 脉冲宽度调制（英文首字母缩写） 改变开关的导通与关断时间的简单方法 占空比（tON 与 T 之比) 但是，我们不能采用一个脉冲输出！需要一种实现能量流动平稳化的方法7将脉冲输出电压转换为稳定的电压 需要某种将在开关接通期间存储能量而在开关切断时提供此能量的手段 在电子行业中有两种主要储能器件：电容器和电感器8实例：简化的降压开关电源S1L1输出C1 输入RLV = V · DCC2O IND1控制器 输入电容器 (C1) 用于使输入电压平稳 输出电容器 (C2) 负责使输出电压平稳 箝位二极管 (D1) 在开关开路时为电感器提供一条电流通路 电感器 (L1) 用于存储即将传送至负载的能量9开关电源的类型（非隔离式） 减低：降压 提升：升压 提升/减低： 降压/升压 Cuk SEPIC Zeta 其他…10 降压转换器（降压型开关稳压器） 输入开关稳压器输出11降压转换器基础（电流和电压波形） 输出 VO = VIN · DC DC=ton/T12降压转换器拓扑 电LM22676 路 示 例13 升压转换器（升压型开关稳压器）14升压转换器（电流和电压波形） 输出 VO = VIN ·/(1-DC) DC=ton/T15升压转换器拓扑 电 路 示 例16降压-升压转换器（电流和电压波形） 输出 |VO | = VIN ·D/(1-DC) DC=ton/T17 降压-升压转换器拓扑18控制器与稳压器稳压器稳压器控制器控制器 • 一个封装中包括开关(有时是二极管)• 开关和二极管置于 IC 封装的外部稳压器控制器 • 最适合 3A• 高电流控制 (3A) • 低部件数，小占板面积• 可扩展至负载 • 散热问题• 组件数量有所增加19控制器与稳压器实例对比控制器 稳压器稳压器 降压 升压20开关稳压器总结降压优点：V VOUT IN• 高效率• V=VOUTIN升压• 宽输入电压范围 VV INOUT• 低功率耗散（小型散热器）2• 高功率密度 (Watt/cm )• 提供隔离（利用变压器）降压/升压• 提供多个输出 (O/P) （利用变压器） VV INOUT21开关稳压器总结降压缺点：V VOUT IN• EMI• 瞬态响应较慢升压• 设计难度加大 VV INOUT• 较高的输出纹波和噪声降压/升压 VV INOUT22开关稳压器总结降压应用：V VOUT IN• 高效型电源• 高环境温度升压• 大的输入至输出电压差 VV INOUT• 空间受限• 高输出功率降压/升压 VV INOUT23 谢谢!24 效率与 VOUT 的关系效率与VOUT的关系 效率取决于输出电压吗？产品数据表中写道：FEATURES• High-Efficiency Synchronous Step-DownConverter With up to 95% Efficiency 为什么我的电源的效率达不到 95% ？2效率与VOUT的关系 简化的功耗计算公式假设没有电感器电流纹波V =5V, I =1AIN O3.3V 输出1V 输出 功率FET 传导损耗 同步FET 传导损耗 总FET 损耗0.173W0.136W (不包括其他电路损耗)3 效率与VOUT的关系 3.3V 输出TPS62400 Efficiency vs Vout (Vin=5V,Iout=300mA)94.594) 93.5%( 93yc 92.5ne 92ic 91.5iff 91 1V 输出E 90.59089.51.522.533.5Vout (V)4 谢谢!5 同步与非同步同步与非同步 非 • 在输出电流变化的情况下， 同 二极管电压降相当恒定 步 • 效率较低 降 • 比较便宜 压 • 可采用较高的输出电压 同 • MOSFET 具有较低的电压降 步 • 效率较高 降 • 需要额外的控制电路 压 • 成本较高/lit/an/slyt358/slyt358.pdf2 同步与非同步功率FETHigh side FET同步FETLow side FET3 同步与非同步集成型功率 FET箝位二极管或整流二极管集成型功率 FET和同步 FET4 同步与非同步 VIN=5V VOUT=1VRDSON_SYNC=0.12ohmVF_DIODE=0.5V I =1A OUT RDSON_PWR=0.2ohm1V 输出同步1V 输出非同步2PIV PFET_SYNC Iout 1  D Rdsondiode diode_avg diode PFET_SYNC 1A 0.820.12Pdiode ( 1  D)Iout0.5VP0.4Wdiode P0.096W FET_SYNC 69.4%  88%对于较高的VOUT，采用同步还是非同步并不太成问题较高的占空比= 同步FET 或箝位至二极管中的功耗较少5 谢谢!6 隔离式与非隔离式非隔离式拓扑 这里所给的图形示出了三种基础型的 DC-DC 电源转换器拓扑 主要局限 – 它们未在输入和输出之间提供电隔离• 许多应用中都期望提供这种电隔离 基于这三种拓扑，推导出了其他的常用拓扑：• 反激式• 正激式• 推挽式• 半桥式• 全桥式2隔离式拓扑许多应用中都需要输入/输出隔离。

隔离可切断无用信号 的传播路径，优势如下： 保护人员、设备免遭感应在隔离另一端的危险瞬态电压损害 去除隔离电路之间的接地环路以改善抗噪声能力。 在系统中轻松完成输出接线，而不与主接地发生冲突。3 隔离式拓扑 • 这些图形示出了两种最简单的隔离式拓扑：正激式和反激式。黄色阴影区域是基础型拓扑的附加部分。4正激式/反激式拓扑比较 FeatureForward正激Flyback反激 输入滤波中等，脉冲中等，脉冲 输出滤波从电感器提供低的连续高的脉冲输出电流需要采用输出电流大的输出电容器 效率中等低至中等 多输出能力有，耦合输出电感器设有，利用谨慎的变压器设计计会很困难实现了优良的交叉调节 成本中等低，无输出电感器 典型功率范围 20 – 400W150W 复杂性中等，需要变压器复位低5反激式转换器特性 优点：• 采用一个耦合电感器来充当隔离变压器并用于储能。• 输入和输出地是隔离的。• 利用占空比和匝数比来实现电压的降低或提升。• 易于实现多个输出。• 不需要采用一个单独的输出电感器。• 最适合较低的功率级别。6反激式转换器特性 缺点：• 高输出纹波电流。• 高输入纹波电流。

• 环路带宽可能受限于右半平面(RHP) 零点。7反激式的优点及应用 采用最简单的隔离式拓扑，因而具有最低的成本 使用了数量最少的功率组件：4 个 最为人们所了解、 实现的数量最多而且得到最广泛支持 的拓扑之一由于上述原因，对于功率范围 150W 的应用而言反激式转换器是一种上佳的选择8 重要的波形9 稳态分析10反激式转换器设计问题 必须选择合适的反激式转换器组件，以便能够处理必要的电流和电压应力。这些应力由前一章节里给出的公式确定。 所有这些应力均与变压器有关：匝数比、电感。11反激式转换器设计问题 该图示说明了针对反激式变压器的基本要求。 请注意，由于集肤效应的原因，在高开关频率变压器中需要采 用多股细导线。为使操作在较宽的负载范围内保持于连续导通 模式，需要高电感。由于使用了较高的电感，初级和次级电路 中的纹波电流都将较低。12实例–设计规范一项设计总是从制定设计 规范开始的，包括输入电压 范围、功率级别、输出电压 等等。占空比和开关频率一 般都是预先确定的。通常而 言，采用一个介于 200 kHz 和 300 kHz 之间的开关频率 可以很好地兼顾开关损耗与 滤波器要求。

13 反激式电路实例(非隔离反激式设计)下面所示的电路基于 LM5020 演示板。14 反激式电路实例(非隔离反激式设计)15结论 反激式拓扑是适合隔离式电源的最简单拓扑。大多数应用是在通信和以太网供电 (PoE) 领域，这里的功率级别低于 50W, 现在，802.11 AF, AT之外的POE电源标准还未发布。 讨论了反激式工作原理并介绍了稳态分析，旨在提供设计指引。 主要的设计问题是反激式电源变压器。 采用一个实例来演示设计。 环路补偿简单，比例积分即可。16 谢谢!17 脉宽调制 (PWM) 与脉冲频率调制 (PFM)概述 PWM 和 PFM 是两大类 DC-DC 转换器架构 每种类型的性能特征是不一样的 重负载和轻负载时的效率 负载调节 设计复杂性 EMI / 噪声考虑 集成型转换器解决方案可整合这两种操作模式以利用它们各自的优势2典型便携式电源应用实例 降压转换器 – 电源处理器或“数字负载”• 负载水平有可能发生显著的变化： 在“睡眠”时为 1～2mA，而在“主动”操作期间则可达几百 mA• 期盼 / 需要在整个负载范围内实现高效率• 需要上佳（足够的）负载调节以处理瞬态状况 升压转换器 – LED 背光灯、音频偏置电源轨或其他的“模拟”负载• 对于噪声 / 纹波的敏感度在很大程度上取决于应用• 对于 LED 应用，可以采用不同类型的亮度控制方法3定义–PWM和PFMPWM 转换器PFM 转换器 • PWM = 脉宽调制• PFM = 脉冲频率调制 • 一种转换器架构：固定频率振荡• 采用了一个可变频率时钟器• PFM 转换器实例：“恒定导通时间” • 驱动信号： 恒定频率，具有可变或 “恒定关断时间”控制 DC-DC 转换器。

的占空比（功率 FET 导通时间• 有几种 PFM 变种，而且该术语用于与总开关周期之比）指后面讨论的其他操作模式…4PWM控制架构 • 中等和重负载条件下可实现良好的• 效率在轻负载条件下显著下降 效率• 快速瞬态响应和高稳定性需要仰 • 开关频率由PWM斜坡信号频率设定仗上佳的补偿网络设计5滞环模式控制 FET 的接通和关断基于输出电压的检测 开关式 (Bang-Bang) 控制：输出电压始终恰好高于或低于理想设定点 比较器迟滞用于保持可预测的操作并避免开关“跳动”。6脉冲跳跃/省电模式 在轻负载时，PWM 转换器能自动切换至一种“低功耗”模式以最大限度地减少电池电流消耗 该模式有时被称为“PFM”– 但实际上是一个间歇式地接通和关断的固定频率 (PWM) 转换器7转换器效率和损耗 “损耗” = 任何从输入吸收而未传送至输出的能量 MOSFET无源组件转换器 IC • 开关损耗• L ：绕组和磁芯损耗• 内部基准 • 栅极驱动损耗• 阻性损耗• 振荡器电路 • 传导损耗• 电容器 ESR 损耗• 栅极驱动电路8转换器效率和损耗 在轻负载时，无源组件和 FET 损耗显著下降 IC 内部电流受振荡器的支配 某个固定频率上，IC 工作电流不会随负载而减小9IC的工作电流会影响轻负载效率 假如负载电流约为 1如果负载电流约为 200mA，则 IC 的内部电流mA，则 IC 的内部电流在 4 mA 左右为 4 mA 左右• “最好情况”效率 20%• “最好情况”效率 90双模式降压转换器 在 PWM 模式中 IC工作电流约为 3.5mA 在省电模式中 IC 工作电流约为 23 µA11输出纹波差