开关电源（1）-BUCK与BOOST电路

1、电源的分类

我们常见到的电源按照输入输出的类型主要分为三种：AC/DC，DC/DC，DC/AC（逆变器）。如下图所示：

1.1 开关电源的概念

    开关电源是指利用电力电子技术，控制开关管的开通和关断时间比率，维持稳定输出电压的一种电源（开关管通常是MOS、三极管、IGBT等）。按照输入输出类型分为交流开关电源和直流开关电源，按照开关管类型又可单独分为线性稳压器和开关稳压器。在这里重点介绍直流开关电源

1.2 DC/DC

广义上的DC/DC电源我们按照开关管的类型分为线性电源和开关电源两种。

线性电源：又称为线性电源、低压差稳压器、LDO（Low Dropout Regulator）。

开关电源：又称为开关电源、DC/DC（狭义上的叫法，根据不同的习惯叫法不同）

注：线性稳压器和开关稳压器的区别

线性电源：①传输元件工作在线性区，它没有开关的跳变；

                 ②仅限于降压转换，很少会看到升压的应用。

开关电源：①传输器件开关在每个周期完全接通和完全关断的状态

                 ②里面至少包括一个电能储能的元件，如：电感器或者电容器；

                 ③多种拓扑结构（降压、升压、降压-升压等）

    开关电源按照隔离方式又分为非隔离型和隔离型，非隔离型按照充电方式又分为电感形式和电容形式（电荷泵）。隔离型又分为正激型和反激型。

2、开关电源的两种基本拓扑结构

2.1 降压电路 BUCK

2.1.1 降压电路的概念

 如图所示，电路中仅包含一个直流源DC，一个开关S和一个负载R，以一定频率对S进行操作。

S=1，开关导通，时间t_on，Vo=Vi；S=0，开关断开，时间t_off，Vo=0

设占空比D，S动作周期为T，则可计算输出电压平均值为：Vo=D*Vi，D≤1,因此我们可以知道输出电压永远是小于输入电压的。

在上述电路的基础上，我们增加一些元器件让电路变得更加完整：

①输出端增加电容C，平滑输出电压

②增加电感L，抑制电流突变，同时用于储存电流

③增加二极管D，开关断开时提供续流回路

④将开关更改为功率开关管

以下就得到了典型的BUCK电路模型：

状态一：当开关闭合时，输入的能量从电源Vi，通过S→电感器L→电容器C→负载R供电，此时电感器L同时也在储存能量。

状态二：当S关断时，能量不再是从输入端获得，而是通过续流回路，从电感器L存储的能量→电容C→负载R→二极管D。 

2.1.2 电压-电流波形

开关导通的时候，能量从输入向输出传递，Iq电流斜率上升，此时Id电流是没有的；当输出电压高到一定程度时，开关就断开，这是电感、负载、二极管形成自然的续流回路，Id电流开始线性减少，此时Iq电流是没有的。当电压低到一定程度后，重新开通开关；通过这样高频率的开通和关断，就形成一个稳定的输出电压。

2.1.3 降压转换器拓扑

    上图就是一个降压转换器的电路结构，我们可以通过两个电阻的分压采样输出的电压，再经过一个比较器和基准比较，如果输出小于基准，MOS管就开通；如果输出大于基准，就关断MOS管。 

2.2 升压电路 BOOST

2.2.1 升压电路的概念

  我们已经知道通过对电压回路的不断开合从而实现降压，但是却不能实现升压。我们换一条思路，假设在线路的传输过程中，线路不存在损耗，即输出功率等于输入功率

                              P= Vin*Iin=Vout*Iout

在功率不变的情况下，只要降低传输过去的输出电流Iout，则可以提高输出电压。所以升压电流就等同于设计一个降流电流，仅包含一个输入电流源，一个开关S和一个负载R。因为开关要实现对输出的分流，所以开关要和负载进行并联。如下图所示：

S=1，开关导通，时间t_on，i_o=0；S=0，开关断开，时间t_off，i_o=i_i

输出电流的平均值：I_o=（1-D）I_i

功率不变的条件下，电压与电流成反比则输出电压为：Vo=1/（1-D）*Vi，D≤1,因此我们可以知道输出电压永远是高于输入电压的。

在上述电路的基础上，我们增加一些元器件让电路变得更加完整：

①现实中是很难找到电流源，我们把一个电压源串联电感近似于一个电流源；

②输出端增加电容C，平滑输出电压；

③使用二极管加功率开关器件替换开关S，防止电容短路且提供供电回路；

以下就得到了典型的BOOST电路模型：

状态一：当开关闭合时，输入的能量从电源Vi，对电感充电，形成的回路是：输入Vi→电感L→开关管Q；

状态二：当开关管关断时，输入的能量和电感能量一起向输出提供能量，形成的回路是：输入Vi→电感L→二极管D→电容C→负载R，因此这时候输出的电压肯定就比输入的电压高，从而实现升压。

2.2.2 电压-波形电流

2.2.3 升压转换器拓扑

上图所示升压转换器的控制回路是通过分压电阻的采样，然后经过误差比较器和基准源比较，最后输出PWM。

2.3 总结

①BUCK、BOOST电路中都包含了三个元器件，电感、开关管、二极管，将BOOST中的三个元器件顺时针旋转180°得到BUCK电路。

②在上述电路中，占空比越大，效率越高，损耗越小。