Buck型开关电源的基本原理和组成结构

导读：

笔者发现大部分硬件工程师不太懂开关电源原理，害怕其电源设计，不懂电源layout，面对电源问题摸不清方向。当然做计算机硬件产品达到一定规模的公司，都配备了专门的电源工程师来把关产品的电源设计。然而，规模小一点的公司，硬件工程师基本上要负责电源在内的所有硬件电路设计。出问题最多的往往还是看似不起眼的各种电源问题。

因此，笔者想在“计算机硬件合集”核心内容开始前先讲讲开关电源。当然一篇博文不可能把开关电源介绍完整，笔者主要目的是让各位工程师了解开关电源最基本的工作原理；在此基础上，以后看到各厂商的电源方案，看到类似CPU核电源这种高电流和高性能的多相复杂电源控制器、心里不慌，知道哪些是关键；还有遇到电源问题脑海里有清晰的调试方法和步骤；能指导PCB layout工程师对电源关键信号布局布线。

事实上，能理解开关电源基本工作原理，以上这些问题都不是难题，再复杂的电源控制器其基本拓扑不会变，无非就是增加了一些负载均衡，提高电压电流检测精度，提高动态调节电源输出能力等关键电路。还有一些附加功能，比如：功耗管理、温度控制和过压、过流等故障保护等。

功率变换的实际电路拓扑一直没有明显改变，仍然是三个基本拓扑：buck电路（降压型）、boost电路（升压型）和buck-boost电路（先降压再升压型），本公众号主要关注计算机硬件电路，而计算机板级上的每一路电源基本属于buck拓扑，因此本文主要介绍buck型电路基本原理。

掌握好开关电源，必须理解电感、电容这两个关键元件，尤其电感。本文将从电感、电容、开关管、拓扑、开关电源基本组成结构、脉宽调制原理等方面一步步揭开开关电源神秘的面纱。

电容

常用电容

MLCC（NPO，C0G，X7R，X5R，Y5V…）

电解电容（ 铝，钽，OS-CON， Poscap）

瓷片电容等几类

电容的作用：

滤波

去耦合（LC）

旁路

AC 耦合

调谐

RC delay

储能等

旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象，而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象，防止干扰信号返回电源。

注释：

C=Q/V，其中C为电容，Q为电容两端的电荷量，V为电容两端电压。

电感

电感的作用：滤波、振荡、延迟、陷波等

在电子线路中，电感线圈对交流有限流作用，它与电阻器或电容器能组成高通或低通滤波器、移相电路及谐振电路等

电感与磁珠区别：

电感是储能元件，而磁珠是能量转换（消耗）器件

电感多用于电源滤波回路；磁珠多用于信号回路，用于EMC对策，磁珠主要用于抑制电磁辐射干扰，而电感则侧重于抑制传导性干扰。

注释：

法拉第定律：由于感应电压的产生，电感电流的建立不能瞬时完成。

电感中电阻几乎为0，它是一根长的铜导线绕于磁芯上，若其电流改变，电感两端就会产生感应电压。

滤波

注释：

电感和电容滤波的最终目的

电感平滑电流变化。当开关管导通（电感充电阶段）时，电感储存电能，平滑电流。当开关管断开（电感放电阶段）时，电感释放电能，维持输出电流。

电容平滑电压变化。当开关管导通（电容充电阶段）时，电容储存电荷，平滑电压。当开关管断开（电感放电阶段）时，电感释放电荷，维持输出电压。

电感电容滤波的原理是利用电感和电容的特性来滤除开关电源输出中的高频噪声，使输出变得更平稳（如上图红框所示：UO是Ui经过滤波后的电源输出，此处只是示意，当电感、电容在开关电源电路中参数适当，且当电源变换达到稳态，输出电压和电流则是一个稳定的波形）。

对偶原理分析

注释：

此处是一个拓展，想让大家了解一下对偶性原理，读者可根据自己对电感和电容的了解以及图示提示，想象一下上图中开关断开和闭合瞬间会发生什么？很有意思的一个过程。

MOS管

场效应管的名字也来源于它的输入端（称为gate）通过投影一个电场在一个绝缘层上来影响流过晶体管的电流。

场效应管特点：

1.输入电阻大

2.噪声低，温度稳定性好，抗辐射能力强

3.便于集成化

4.放大能力差

主板上的常见应用：

1、主要是开关作用和电平转换

2、MOS管的功耗小，在工控机上等对电源管理要求高的地方可以使用，省电。

注释：

本文介绍MOS管，主要用于开关电源的开关作用。使电感电容充电和放电。具体原理详见下文分析。

两种基本拓扑

注释：

先了解以上两种电源拓扑的电路结构，具体工作原理详见下文分析。buck电路因为开关管(MOS)与负载RL串联，所以叫串联型，Boost电路因为*开关管(MOS)与负载RL并联，所以叫并联型。

buck变换器的充电和放电阶段分析

注释：（结合Buck拓扑）

模式 1即开关管导通阶段，见上图等效电路图，电感电容充电，由于电感的特性它阻止电流突变，而产生感应电动势，其电流与负载电流方向一致。忽略mos管压降，源极端（e点）电压约等于输入电压。

模式2即开关管截止阶段，见上图等效电路图，电感电容放电，由于电感的特性它阻止电流突变，而产生感应电动势，其电流与负载电流方向依然保持一致，并通过二极管D续流组成闭合回路（又称续流二极管）。忽略mos管压降，源极端（e点）电压约等于-Ud，若忽略二极管压降，约等于0。

输出电压计算公式

注释：

负载电压等于导通和截止两个阶段之和，计算公式见上图。忽略mos和续流二极管管压降，输出电压等于输入电压乘以占空比。因此，调节mos管的导通时间即占空比即可调节输出电压大小。

Buck型开关电源最基本组成结构

注释：

上图为Buck开关电源最基本组成结构，你将来看到任何一家buck电源控制器，其内部拓扑结构也是如此，如导读所言，无非就是在此拓扑基础上增加了一些负载均衡，提高电压电流检测精度，提高动态调节电源输出能力等关键电路。还有一些附加功能，比如：功耗管理、温度控制和过压、过流等故障保护等。

工作原理详见下文脉宽调制原理。

脉宽调制原理

注释：

假设该电源因为负载突变、或者某种干扰导致输出电压瞬间升高，电源控制器必须瞬态响应并调节保证输出稳定：

通过取样电路（R1和R2分压）送到比较放大器Un1端点电压升高，因为Un1为比较放大器的“负”端，通过和基准电压比较后，放大器输出Up2变小（这是放大器的原理，如果不懂查阅模拟电路），同理，Up2经过与三角波电路比较后，输出脉宽变小，即占空比q变小，根据前面的输出电压计算公式可知，Uo=Ui*q，占空比变小，输出电压变小。因此达到调节输出电压的目的。

多相电源控制器参考

注释：

我截取了VR11电源控制器（原intersil 4相电源控制器）作为参考：

4个红框是一相组成部分，暂不管这些，先把buck拓扑主要元器件框出来：电源输入、mos管，电感、电容、负载、续流二极管，是否能看明白它就是一个buck拓扑电路？再回过头看多相，其实每一相都是一样的，为了给输出提供更大的电流能力，内部控制器多做了几路驱动，相当于并联，就像同时几条河流的水汇聚到大海一样。只不过内部增加了均流、稳定、可靠等这些电路，其基本拓扑没有变。

续流二极管的替换

注释：

这里主要讲述续流二极管为什么被mos管替代的原因，二极管和mos管有什么区别呢？二极管管压降比较大，一般0.5V左右，而mos管导通阶段内阻很低，几毫欧级甚至小于1毫欧级，把它换掉是不是电源的损耗小了很多？从而效率大大提高。详情见下文两张图。

二极管的电源工作效率

MOS管的电源工作效率

总结：

当然设计好开关电源是有难度的，涉及的知识面很广。本文主要目的是让硬件工程师了解buck开关电源的基本原理。计算机板级电源应用，现在的电源厂商提供的技术支持和设计仿真平台越来越成熟，笔者认为理解以上这些知识也足够了。其他的就是注意电源布局布线，这块其实也不难，规格书上都有重点描述，如果你真正理解开关电源原理，这些都不是难点。