如何实现开关型直流稳压电源的电路设计？电路图解析

开关电源的优点是体积小，重量轻，稳定可靠；缺点相对于线性电源来说纹波较大（一般≤1%VO(P-P),好的可做到十几mV(P-P)或更小)。

开关型直流稳压电源（Switching Mode Power Supply, SMPS）通过高频开关的占空比控制实现高效稳压，电路设计涉及多个关键模块。以下为设计步骤、常用拓扑及Buck电路的中文解析：

一、设计步骤

确定规格
- 输入电压范围（如12-24VDC或85-265VAC）
- 输出电压/电流（如5V/10A）
- 效率目标（＞85%）、纹波（如＜50mVpp）
- 工作温度、尺寸限制

选择拓扑结构	拓扑	适用场景
Buck	降压（Vin > Vout）	结构简单，应用广泛
Boost	升压（Vin < Vout）	适合电池供电设备
Buck-Boost	升降压	输入输出极性相反
Flyback	隔离电源（中小功率）	带电气隔离，成本低
Forward	隔离电源（中功率）	效率高于反激

关键元器件选型
- 开关管：MOSFET（低导通电阻、快速开关）
- 二极管：快恢复/肖特基二极管（如输出5V选SS34）
- 电感：铁硅铝磁环或铁氧体，计算公式：
  [ L = \frac{(V{in} - V{out}) \times D}{f_{sw} \times \Delta IL} ]
  （(D)：占空比，(f{sw})：开关频率，(\Delta I_L)：纹波电流）
- 输出电容：低ESR电解电容或陶瓷电容，计算公式：
  [ C_{out} = \frac{\Delta IL}{8 \times f{sw} \times \Delta V_{ripple}} ]
- 控制IC：如TI的LM5117（Buck）、ST的VIPer22A（Flyback）
控制环路设计
- 电压反馈：电阻分压网络采样输出电压
- 补偿网络：Type II或Type III补偿器（如RC网络）
- 工作模式：PWM（固定频率）或PFM（轻载高效）
保护电路
- 过流保护（电流采样电阻）
- 过压保护（齐纳二极管或OVP IC）
- 过热保护（NTC热敏电阻）
EMC设计
- 输入EMI滤波器（π型滤波器）
- MOSFET缓冲电路（RC Snubber）
- 变压器屏蔽（反激拓扑）

二、Buck降压电路解析（示例）

         +------------------+
 Vin o---| SW       PWM     |-----+------o Vout
         |       控制器     |     |      (如5V)
         | FB     (如LM2596)|     |      |
         +---------+--------+     |    +--+--+
                   |              |    |     |
                 R1| R2        L1 |    | C1  |
                   |    D1 ──╮    |    |     |
         GND o-----+-----┘    ├───┘    +-----+
                           │   |
                           └─┬─┘
                             ▼ 
                            Schottky

模块解析：

输入滤波
- C_in（未图示）：降低输入纹波（通常用低ESR电容）。
开关管与控制
- 开关管：集成在IC内部的MOSFET，由PWM信号驱动。
- PWM控制器：根据反馈电压调整占空比D（(D = \frac{V{out}}{V{in}})）。
电感储能
- L1：开关导通时储能（电流↑），关断时通过D1续流（电流↓），平滑电流。
输出滤波
- C1：滤除高频纹波（ESR越低，纹波越小）。
反馈网络
- R1/R2：分压采样Vout（(V{FB} = V{out} \times \frac{R2}{R1+R2})），与参考电压比较（如1.25V）。
续流二极管
- D1（肖特基）：开关关断时为电感提供电流通路（防止电压尖峰）。