開關(guān)穩(wěn)壓器是高效產(chǎn)生穩(wěn)定電源電壓和向上或向下轉(zhuǎn)換電壓的重要電路。

產(chǎn)生能夠驅(qū)動大量電流的穩(wěn)定電壓是電子設(shè)計的基本任務(wù)之一。低壓電子電路的基本模型是這樣的：

提供具有充足電流驅(qū)動能力的電壓作為系統(tǒng)的主要輸入之一。

該輸入電壓可能過高或變化太大，無法直接在電路中使用，被轉(zhuǎn)換為一個或多個穩(wěn)壓電源電壓，其幅度與用電元件的規(guī)格相對應(yīng)。

這些元件（微控制器、運算放大器等）使用穩(wěn)壓電源電壓來執(zhí)行電路所需的功能。

有多種方法可以實現(xiàn)此目的。當(dāng)我剛開始設(shè)計電路時，我盡可能使用線性穩(wěn)壓器，例如7805。然而，如今，不可否認(rèn)開關(guān)穩(wěn)壓器通常是優(yōu)越的方法，根據(jù)我的經(jīng)驗，它們通常是優(yōu)越的方法。

在本文中，我們將討論命名法，然后探討開關(guān)穩(wěn)壓的基本原理。

開關(guān)穩(wěn)壓器術(shù)語

“開關(guān)（電壓）調(diào)節(jié)器”可能是表示此類電路的最常見和最容易識別的術(shù)語。但是，您還將看到以下術(shù)語的各種組合：

開關(guān)模式電源

切換臺或開關(guān)

轉(zhuǎn)換器或穩(wěn)壓器

直流/直流

實際上，我更喜歡“開關(guān)模式穩(wěn)壓器”或“開關(guān)模式電源”，因為“開關(guān)模式”更成功地傳達了這些電路的性質(zhì)：開關(guān)是它們完成調(diào)節(jié)或轉(zhuǎn)換電壓任務(wù)的模式。

所有這些術(shù)語都存在歧義，很少引起問題，但值得注意：“開關(guān)穩(wěn)壓器”或“開關(guān)模式電源”理論上可以指使用開關(guān)與電感器或電容器結(jié)合使用來產(chǎn)生電源軌的電路。

電感器與基于電容器的開關(guān)模式電源

但實際上，上述術(shù)語僅限于基于電感的開關(guān)穩(wěn)壓器。圖1是基于電感的開關(guān)模式穩(wěn)壓器示例。絕大多數(shù)開關(guān)模式電源都是基于電感的。這些將是本文的主要重點。

圖1.基于電感的開關(guān)電源的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖片（修改）由維基共享資源提供

基于電容的開關(guān)穩(wěn)壓器（如圖2所示電路）通常稱為“電荷泵”電源或“開關(guān)電容”電源。圖1和圖2都是產(chǎn)生高于輸入電壓的輸出電壓的電路示例。

圖2.基于電容器的開關(guān)電源的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

線性電壓調(diào)節(jié)

現(xiàn)在讓我們考慮線性穩(wěn)壓器，如圖3所示。線性穩(wěn)壓器只能降低電壓，所以我們知道輸入電壓高于輸出電壓。

圖3.線性電壓調(diào)節(jié)框圖。作者形象

線性穩(wěn)壓器需要少量電流才能工作;這稱為接地電流。接地電流通常微不足道，因此我們忽略它，假設(shè)流入穩(wěn)壓器的電流等于流出穩(wěn)壓器并流入供電負(fù)載電路的電流。

現(xiàn)在讓我們考慮一下權(quán)力。我們將電功率計算為電壓乘以電流，并且由于輸出具有相等的電流，但相對于輸入的電壓較低，因此必須在某個地方損失功率。您還可以想象線性穩(wěn)壓器是具有壓降的簡單電阻元件：

本例中，線性穩(wěn)壓器的功耗PREG是：

事實上，線性穩(wěn)壓器中的一個組件是開關(guān)，不是機電開關(guān)，而是能夠用作純電氣開關(guān)的晶體管。但是，我們不將線性穩(wěn)壓器稱為開關(guān)穩(wěn)壓器，因為開關(guān)不會打開和關(guān)閉;相反，開關(guān)在具有顯著電阻的中間狀態(tài)下工作，并且該電阻會消耗功率并允許降低電壓。

線性調(diào)節(jié)簡單而高效，但效率低下。該開關(guān)在中間電阻狀態(tài)下工作，并以熱量的形式耗散潛在的大量功率。除非您希望您的調(diào)節(jié)器充當(dāng)調(diào)節(jié)器和電加熱器，否則這種功率將被浪費。

開關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)

這就引出了開關(guān)模式穩(wěn)壓器的概念。如果我們能夠保持開關(guān)完全開啟或完全關(guān)閉——換句話說，如果我們能夠避免高功率耗散中間區(qū)域——我們就可以創(chuàng)建一個更高效的穩(wěn)壓器。但我們對線性穩(wěn)壓器的討論表明，浪費的功率對于降低電壓是必要的。怎么辦？

這就是電感器的用武之地。電感器以這樣一種方式存儲和釋放能量，使得通過電感器的電流不能瞬時改變。開/關(guān)開關(guān)動作導(dǎo)致電感電流逐漸增加和減少。當(dāng)電感器與電容器結(jié)合使用時，所得LC濾波器可以將開/關(guān)波形平滑為相對穩(wěn)定的電壓。平滑電壓的大小由開/關(guān)波形的占空比決定。

例如，讓我們看一下圖 4。濾波后，不同的占空比（在本例中為10%、50%和90%）對應(yīng)于不同的直流電壓電平（由紅色曲線表示）。這些直流電壓電平并不完全平坦，因為濾波后仍然存在一些紋波。

圖4.直流電壓電平與PWM占空比成函數(shù)的關(guān)系。作者形象

因此，我們可以在高頻下打開和關(guān)閉開關(guān)，然后使用脈寬調(diào)制和濾波來創(chuàng)建所需的直流輸出電壓。我們 還 可以 監(jiān)測 反饋 信號， 并 根據(jù) 負(fù)載 條件 調(diào)整 PWM 占空比。這是開關(guān)穩(wěn)壓器電路中的基本工作模式：電感濾波，可在開/關(guān)開關(guān)動作下提供一致的負(fù)載電流;用于調(diào)節(jié)電壓的反饋和PWM。

即使開關(guān)以高頻工作，它仍然大部分時間處于低功耗狀態(tài)（即完全開啟和完全關(guān)閉狀態(tài)）。這就是為什么開關(guān)穩(wěn)壓器比線性穩(wěn)壓器效率高得多的原因。

當(dāng)然，還有很多細節(jié)和變化我沒有提到，但如果你了解了這一切，你就有了進一步學(xué)習(xí)的堅實基礎(chǔ)。

開關(guān)穩(wěn)壓器電路示例：降壓轉(zhuǎn)換器

圖5顯示了降壓轉(zhuǎn)換器（也稱為降壓轉(zhuǎn)換器）的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它采用開關(guān)模式操作來減小直流輸入電壓的大小。（請注意，嚴(yán)格來說，這不是穩(wěn)壓器，因為它不包括在可變負(fù)載條件下保持穩(wěn)定電壓所需的反饋子系統(tǒng)。

圖5.一種開關(guān)穩(wěn)壓器電路的示例：降壓轉(zhuǎn)換器。

編輯：黃飛

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