精通开关电源设计 自学笔记与探讨

1.1简介

老师把开关电源描述成一个规模庞大的运输系统，把规定时间内运输一定量的旅客比作功率。一种使用大型客车，但是相隔时间长，另一只就是用小型货车，相隔时间很短。这样就解释了开关电源的频率高的问题，问题形容的生动形象。减小能量包的大小，从而减小用来存储和传输能量的尺寸。

输入电压Vin在规定工作范围Vinmin-Vinmax内变化，保持输出电压稳定的过程成为网压调节，也就是我们培训的张老师讲的电压调整率。

20天把开关电源拓扑做了一遍！！！

1.2 概述和基本术语

    1.2.1 效率

    经验表明，温度每升高10°C，系统失效的可能性就会加倍。因此，作为设计人员的技能之一就是尽量减小温升，由此提高效率。

1.2.2 线性调整器

低压降调整器，英文缩写LDO，一般认为最小压降约为200mV或者更低才能称为LDO。而传统线性调整器的压降通常约为2V，还有一种中间类型称为准LDO，其压降介于两者之间，约为1V。

线性调整器的优点在于非常安静，没有噪声，也没有电磁干扰（EMI）。

通常，开关调整器在输入和输出端都需要接滤波器来减小噪声，因为这些噪声与邻近设备相互干扰，并可能引起故障。开关变换器仍需要接入电感和定容组合的滤波器，有时甚至需要更多级滤波器来进一步衰减噪声。

1.2.3 通过使用开关器件提高效率

实际开关过程有损耗，原因之一在于晶体管不可能完全地导通和关断，当它导通时，晶体管上有很小的压降；当它处于关断状态时，仍有很小的电流流过。另外，器件的开关不是瞬时完成的，半导体器件的导通和关断的状态转换通常需要一个过程。在此区间，V*I不为零，产生了额外的损耗。

半导体器件极大地增强了变换器的可靠性和使用寿命。其最大优点是它不像机械开关那样有物理惯性，从而能够在导通和关断两种状态间非常迅速地重复转换。

书中提到：“开关变换的速度几乎完全由外部驱动电路的功率和有效性确定。”为什么是驱动电路的功率啊？谁给解释下

1.2.4 半导体开关器件基本类型

NPN型晶体管比PNP型晶体管使用广泛的原因是价格低廉。

MOSFET为电压型控制

BJT为电流型控制

现代MOSFET在其导通和关断的转换过程中也需要有一定的门极电流。

BJT通常更适合于大电流装置，因为其导通压降是一常数，甚至在电流很大时也不变。这很大程度上降低了开关损耗，特别是开关频率不太高时效果更明显。MOSFET的导通压降与通过的电流成比例，当负载很大时其导通损耗就很大。

IGBT适合于较低频率，大电流装置，其驱动比BJT的要简单的很多。

1.2.5 半导体开关器件并非理想器件

开关器件导通时会有虽小但不可忽略的正向导通压降，这将产生较大的导通损耗。

在转换时间或交叉时间内，无法使V=0或I=0，所以V*I不为零，这将导致额外的开关损耗，成为交叉损耗。

若有降低晶体管的正向导通压降以减小导通损耗，就可能造成开关转换速度变慢，从而增加损耗。

1.2.6通过电抗元件获得高效率

现代开关电源效率高的根本原因是电容和电感的有效共同使用。

电容和电感被归类为电抗元件，因为他们具有独特的储能作用，该功能使其不发生功耗（本身不消耗能量），仅将所获得的能量储存起来。

电容储存的能量成为静电能量。

电感储存的能量成为磁能。

无论在开关导通或关断时改变开关状态都会使得输入与输出有效隔开，但是输出端负载总是乣连续的能量供给。因此需在变换器一定位置引入储能元件。

电感能限制电流上升速度而没有功耗，电感与电容配合后最终可以限制电容的浪涌电流，因而电感成为我们最后的选择。

1.2.8 基于LC的开关调整器

谐振拓扑，这类拓扑的开关频率需调整，而设计者通常希望调整器频率能够恒定。

实际上，任何变频的开关拓扑都将产生难以预测的不同频率的电磁干扰和噪声。为减少这些危害，需要使用相当复杂的滤波器。因此，谐振拓扑在商用领域未能得到广泛应用。

1.2.9 寄生参数的影响

实际应用中电抗元件的温升可归因于其自身固有的低值寄生电阻的热损耗。

电感除了有基本参量电感L外，还有非零直流电阻（DCR），主要来源于绕组铜线。

类似，实际电容除含有基本参量电容C，也含有少量的等效串联电阻（ESR）。

器件的正向导通压降一定意义上也可看做串联寄生电阻产生的导通损耗。

正常工作条件下，电压控制开关调整器实际上市依靠输出电容寄生的等效串联电阻(esr)来将强环路稳定。

这句话什么意思，谁能给解释一下，谢谢！

1.2.10 高频率开关时产生的问题

某些损耗随温度升高而增加，如MOSFET的导通损耗。

铝电解电容随温度升高损耗降低。因为其ESR随频率升高而减小。

选择高开关频率的首要原因仅是使变化器能在超过人的听觉范围的频率上工作。

另一原因是最大程度减小电源中器件的体积。电感尺寸与开关频率成反比。

限制频率提高的卫衣原因是开关损耗，开关损耗与开关频率精确成比例。

热管理是良好的电源设计最重要的目标之一。

1.2.11 可靠性，使用寿命和热管理

热管理的含义是尽可能吸收电源散发到四周的热量，从而降低其温度。

可靠性按正弦指数衰减。

温度没升高10°C，失效率加倍。

铝电解电容的内部电解液会随时间而挥发，导致电容失效。

延长使用寿命与提高可靠性的方方是降低电源中元件的温度以及电源内部环境温度。这需要外壳痛风性好，在PCB上多装散热片，甚至内置风扇将热空气排出，当然，也要考虑风扇得失效率和使用寿命。

某些损耗会随温度的升高而减小，但是企图以提高温升来实现效率的提高和性能改善的想法是不可取的，因为温升会显著影响系统的稳定性。

一个优秀的设计师最终平衡考虑可靠性，使用寿命，成本，性能，尺寸等因素，做出合理的选择。

1.2.13 技术进步

肖特基二极管它有很大的漏电流而且最大反向电压不超过100V，虽然导通压降低。

功率变换的三种主要拓扑BUCK，boost，buck-boost。

给大家留一个思考题一起探讨

在功率变换讨论中，人们总是很自然地注重于电压。那为什么不注重考虑电流呢？