常用的电源电路结构:阻容降压电源/线性电源/开关电源

现代的电子产品，包括移动产品和落地式产品，电源是其基本的组成部分，也是其核心部分。电子系统需要稳定，高效，长寿命，低噪声，高可靠，低成本的电源，硬件工程师负责选取合适的电源作为你产品的“发动机”。这里介绍一下市面上常用的电源电路结构，阻容降压电源，线性电源，和开关电源。

阻容降压电源 使用电阻电容串联降压，由于电容在工频下的阻抗，起到限流的作用，并且电容不消耗能量，提高了工作效率。阻容降压的电路如下图所示，电容C1在电路中起限流和储能作用，设计时先确定最大负载电流，然后根据负载电流选择电容C1和R1。D1为全波整流，整流后经过滤波电容和稳压二极管得到稳定的电压。R2为负载，D2在电路中起很大作用，在R2负载较轻时，如果没有D2，输出电压将会很高。D2相当于可变化的负载，稳定输出电压保护后端器件，避免电压过高烧毁器件。阻容降压电路简单，成本低，广泛用于小家电中。但是缺点也很明显，寿命短，不能带动态负载，只能做小功率应用。

线性电源 简单的线性电源可以自己用分立器件搭建，用三极管或者MOS管构成负反馈电路，使输出电压固定在设计值。Vo=VD1-Vbe，一般的三极管Vbe开启电压在0.6-0.7V之间，R1为限流电阻，要保证VD1在可工作区，流过D1的电流在ID1min和ID1max之间。在电子产品中用得最多的是LDO低压差稳压电源，现在的工艺可以轻易的做到2%的精度，低功耗LDO静态功耗可以做到小于1uA。经典的LDO芯片1117和78XX系列，由于国产厂家可以轻松自己开发，价格极低，应用广泛，性价比很高。

LDO在输入和输出端要加上μF级别的电容，避免LDO振荡。另外，在LDO输出没有合适电压，可以通过简单的外围电路调整为想要的输出电压(下图D2可以换成其它基准源)。输出电压Vout为基准源的电压加上LDO本身的稳压值。LDO的选型较简单，根据输入电压、输出电压、负载电流、工作温度即可选择合适封装的LDO。线性电源，设计简单，外围器件少，成本较低。输出纹波和噪声小，不会引起EMC问题，可靠性高。但是效率低，效率于输入输出压差成反比，不适合大功率输出。

开关电源 主要分为降压(buck)，升压(boost)，升降压(buck-boost)三种拓扑。正激(forward)是buck电路的变形，反激(flyback)是buck-boost的变形，把储能电感变成了变压器。

Buck电路输出电压必须低于输入电压，输出电压Vo=Vin*D 。可以正对正输出，比如把10V降到5V，也可以负对负输出，把-10V降到-5V。Buck变换器只能改变电压不能改变极性。电感L2在开关导通时储能，并且一部分能量直接给到输出，电感L2在开关关断时释放能量，给输出供电，并由二极管D2续流。

Boost电路输出电压高于输入电压，输出电压Vo=Vin/(1-D) 。可以正对正输出，比如把5V升到10V，也可以负对负输出，把-5V升到-10V。Boost变换器也只能改变电压不能改变极性。电感L1在开关导通时储能，同时没有能量给到输出，电感L2在开关关断时释放能量，给输出供电，输入电源也同时给输出供电。二极管D1的作用是把C1和Q1隔开，避免Q1导通时C1放电，C1能够给输出持续供电。

buck-boost电路输出电压为负压(相对于输入)，可低于也可高于输入电压，输出电压Vo=Vin*D/(1-D)。可以正对负输出，比如10V变换到-5V或者-15V，也可以负对正输出，比如把-10V变换到5V或者10V。buck-boost变换器可以改变电压极性并且可升压也可降压。电感L3在开关导通时储能，没有能量给到输出。在开关关断时，电感L3通过D3释放能量。二极管D3的作用是在开关导通时反偏，避免输出电容C3放电，在开关关断时给L3提供放电回路。

forward和flyback的基本原理与三种基本拓扑的原理类似，是其变形。由于变压器的隔离作用，也叫做离线式电源。离线式电源设计由于涉及到变压器的设计，以及反馈环路模型和传递函数更加复杂，设计难度自然比三种基本拓扑高。cuck，sepic，zeta拓扑应用不多，有兴趣的同学可以深入研究。

其实可以把电源当作上下楼的“人”(能量)，线性电源就是“楼梯”，上下楼速度受到“楼梯口”(输出电压)大小的制约，可以持续的上下楼，但是效率较低。而开关电源就是“电梯”(储能电感和开关)，把"人"一箱一箱的运走，"电梯"的速度可以做到很快(开关速度)，效率高，但是电梯太快容易引起“人”的不适(引起EMC问题)。