開(kāi)關(guān)電源（Switching Mode Power Supply）即開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，是相對(duì)于線(xiàn)性穩(wěn)壓電源的一種的新型穩(wěn)壓電源電路，它通過(guò)對(duì)輸出電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并動(dòng)態(tài)控制開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通與斷開(kāi)的時(shí)間比值來(lái)穩(wěn)定輸出電壓。

由于開(kāi)關(guān)電源效率高且容易小型化，因此已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代大多數(shù)電子產(chǎn)品中。如果說(shuō)每個(gè)現(xiàn)代家庭都至少有一個(gè)開(kāi)關(guān)電源都不為過(guò)，如電視機(jī)（彩色的）、電腦、筆記本、電磁爐等等內(nèi)部都有開(kāi)關(guān)電源，蝦米？這些東西你們家都沒(méi)有？我去！那手機(jī)有沒(méi)有？手機(jī)充電器也是一個(gè)小型的開(kāi)關(guān)電源，中招了吧！手機(jī)也沒(méi)有，那就是古代家庭了，忽略之！

如下圖所示為線(xiàn)性穩(wěn)壓電源電路的基本原理圖：

之所以稱(chēng)其為線(xiàn)性電源，是因?yàn)槠浞€(wěn)定輸出電壓的基本原理是：通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)整管（如三極管）的壓降VD來(lái)穩(wěn)定相應(yīng)的輸出電壓VO，也因調(diào)整管處于線(xiàn)性放大區(qū)而得名。如果某些因素使得輸出電壓VO下降了，則控制環(huán)路降低調(diào)整管的壓降VD，從而保證輸出電壓Vo不變，反之亦然，但這樣帶來(lái)的缺點(diǎn)是調(diào)整管消耗的功率很大，使得該電路轉(zhuǎn)換效率低下，當(dāng)然，線(xiàn)性電源的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，紋波小，但是在很多應(yīng)用場(chǎng)合下，轉(zhuǎn)換效率才是至關(guān)重要的。

為了進(jìn)一步提升穩(wěn)壓電路中的轉(zhuǎn)換效率，提出用處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)的調(diào)整管來(lái)代替線(xiàn)性電源中處于線(xiàn)性狀態(tài)中的調(diào)整管，而B(niǎo)UCK變換器即開(kāi)關(guān)電源基本拓?fù)渲?，如下圖所示：

其中，開(kāi)關(guān)K1代表三極管或MOS管之類(lèi)的開(kāi)關(guān)管（本文以MOS管為例），通過(guò)矩形波控制開(kāi)關(guān)K1只工作于截止?fàn)顟B(tài)（開(kāi)關(guān)斷開(kāi)）或?qū)顟B(tài)（開(kāi)關(guān)閉合），理想情況下，這兩種狀態(tài)下開(kāi)關(guān)管都不會(huì)有功率損耗，因此，相對(duì)于線(xiàn)性電源的轉(zhuǎn)換效率有很大的提升。

開(kāi)關(guān)電源調(diào)壓的基本原理即面積等效原理，亦即沖量相等而形狀不同的脈沖加在具有慣性環(huán)節(jié)上時(shí)其效果基本相同，如下圖所示：

同樣是從輸入電源10V中獲取5V的輸出電壓，線(xiàn)性穩(wěn)壓電源的有效面積為5×T，而對(duì)應(yīng)在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的單個(gè)有效周期內(nèi)，其有效面積為10×T×50%（占空比）=5×T，這樣只要在后面加一級(jí)濾波電路，兩者的輸出電壓有效值（平均值）是相似的。

下面我們來(lái)看看BUCK轉(zhuǎn)換電路的工作原理（假設(shè)高電平開(kāi)關(guān)閉合，低電平開(kāi)關(guān)斷開(kāi)）。

當(dāng)開(kāi)關(guān)K1閉合時(shí)，輸入電源VI通過(guò)電感L1對(duì)電容C1進(jìn)行充電，電能儲(chǔ)存在電感L1的同時(shí)也為外接負(fù)載RL提供能源。

當(dāng)開(kāi)關(guān)K1斷開(kāi)時(shí)，由于流過(guò)電感L1的電流不能突變，電感L1通過(guò)二極管D1形成導(dǎo)通回路（二極管D1也因此稱(chēng)為續(xù)流二極管），從而對(duì)輸出負(fù)載RL提供能源，此時(shí)此刻，電容C1也對(duì)負(fù)載RL放電提供能源。

相關(guān)波形如下圖所示：

通過(guò)控制開(kāi)關(guān)K1的導(dǎo)通時(shí)間（占空比）即可控制輸出電壓的大?。ㄆ骄担?dāng)控制信號(hào)的占空比越大時(shí)，輸出電壓的瞬間峰值越大，則輸出平均值越大，反之，輸出電壓平均值越小，理想狀態(tài)下（忽略損耗），則輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系如下式：

其中，Ton表示一個(gè)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)閉合的時(shí)間，Toff表示一個(gè)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的時(shí)間，Ton/（Ton+Toff）也叫做矩形波的占空比，即一個(gè)周期內(nèi)高電平脈沖寬度與整個(gè)周期的比值，亦即輸出電壓為輸入電壓與控制信號(hào)占空比的乘積，如下圖所示：

BUCK變換拓?fù)渫ㄟ^(guò)配合相應(yīng)的控制電路，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出電壓的變化，適時(shí)地動(dòng)態(tài)調(diào)整占空比開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與截止時(shí)間的比值，即可達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的，如下圖所示：

這種通過(guò)控制占空比的方式也叫做脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（Pulse Width Modulation, PWM），它是一種頻率固定而占空比變化的控制試，相應(yīng)地，也有脈沖頻率調(diào)制技術(shù)（Pulse frequency Modulation, PFM），或兩者的結(jié)合。

從公式中也可以看出，BUCK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只能用來(lái)對(duì)輸入電壓VI進(jìn)行降壓處理（升壓方案可參考Boost拓?fù)洌?，因?yàn)榭刂菩盘?hào)的占空比是不可能超過(guò)1的，這一點(diǎn)與線(xiàn)性電源是類(lèi)似的，而且設(shè)計(jì)比較好的開(kāi)關(guān)電源電路，其效率可達(dá)到90%以上，這看起來(lái)似乎是個(gè)不錯(cuò)的降壓穩(wěn)壓方案，但任何方案都不會(huì)是完美的，隨之而來(lái)的問(wèn)題也接踵而至，比如紋波、噪聲、EMI等問(wèn)題，下面我們簡(jiǎn)單介紹一下：

紋波即上圖所示的輸出電壓波動(dòng)成分的峰峰值，自然是越小越好。要降低紋波有很多途徑，增大電感量或電容量就是常用的途徑之一，電感量或電容量增加后，充放電速度（時(shí)間常數(shù)增大）都會(huì)下降，相應(yīng)的紋波峰峰值也會(huì)下降，如下圖所示：

對(duì)于具體的BUCK拓?fù)浣祲盒酒?，廠家都會(huì)提供典型的應(yīng)用電路及相關(guān)的參數(shù)值，如下圖所示為TI公司的集成降壓芯片LM2596典型應(yīng)用電路圖：

我們也可以通過(guò)提高開(kāi)關(guān)的頻率來(lái)降低紋波，這樣，在同樣的電感量與電容量條件下，每次充放電的時(shí)間縮短了，這樣紋波的峰峰值就下降了，如下圖所示：

換句話(huà)說(shuō)，在相同的紋波值條件下，如果選擇開(kāi)關(guān)頻率較高的芯片，電感與電容值相對(duì)會(huì)小一些（即成本低一些），如下圖所示為L(zhǎng)M2596的內(nèi)部開(kāi)關(guān)頻率為150KHz，相應(yīng)的也有超過(guò)MHz的開(kāi)關(guān)頻率芯片。

我們用下圖所示的電路參數(shù)仿真：

其中，信號(hào)發(fā)生器XFG1設(shè)置驅(qū)動(dòng)峰值電壓為12V，頻率為150KHz，占空比50%，如下圖所示：

而監(jiān)測(cè)的電路參數(shù)主要是開(kāi)關(guān)之后的電壓、電感電流及輸出電壓（理論計(jì)算應(yīng)為6V），我們看看下圖所示的仿真結(jié)果：

其中，紅線(xiàn)表示電感電流，綠線(xiàn)表示開(kāi)關(guān)后的電壓，藍(lán)線(xiàn)表示輸出電壓（其值為5.7V）?？雌饋?lái)輸出電壓還是比較穩(wěn)定的，我們將輸出電壓曲線(xiàn)放大一下并測(cè)量一下其紋波值，如下圖所示：

紋波峰峰值為2.25mV，還是比較低的（實(shí)際的電路很有可能沒(méi)這么低，特別是接上開(kāi)關(guān)之類(lèi)負(fù)載之后）

還有一個(gè)效率問(wèn)題，與線(xiàn)性電源不同的是，BUCK變換器的輸入電流與輸出電流是不一樣的，因此，不能簡(jiǎn)單地用輸出電壓與輸入電壓的比值來(lái)表征，我們只有用最原始的方法了，就是計(jì)算輸出功率與輸入功率的比值，如下式：

仿真電路如下圖所示：

續(xù)流二極管也是損耗的一種來(lái)源，由于續(xù)流二極管存在一定的壓降，只要續(xù)流二極管中有電流就存在損耗，即P=ID×VD，很明顯，降低二極管損耗的有效辦法是選擇低壓降的二極管，如肖特基二極管，但是低壓降的肖特基二極管漏電流與結(jié)電容也大，會(huì)產(chǎn)生更大的損耗，因此需要綜合各種因素考慮，我們也可以采用同步整流的方案，即使用MOS管來(lái)代替續(xù)流二極管，如下圖所示：

同步整流電路方案中，Q1導(dǎo)通時(shí)Q2截止，則Q1截止時(shí)Q2導(dǎo)通，即可代替肖特基二極管的續(xù)流功能。假設(shè)原方案中的肖特基二極管壓降為0.4V，流過(guò)其中的電流為3A，則損耗的功率為1.2W，如果選擇導(dǎo)通電阻較小的MOS管（如0.01歐姆），則同樣的電流條件下?lián)p耗為0.09W，大大提高了電路的效率。

理想的MOS管在工作時(shí)（即導(dǎo)通或截止）的壓降及流過(guò)其中的電流應(yīng)如下圖所示：

其中，VDS表示MOS管兩端的壓降，而ID表示流經(jīng)MOS管的電流，在任意時(shí)刻，VDS與ID都會(huì)有一個(gè)參數(shù)為0，因此消耗的功率P=U×I也應(yīng)當(dāng)是0，但是實(shí)際MOS管的開(kāi)關(guān)與閉合都是需要過(guò)渡時(shí)間的，真實(shí)的開(kāi)/關(guān)狀態(tài)如下圖所示：

在陰影區(qū)域，電流與電壓都不再為零而引起了開(kāi)關(guān)損耗，它主要與開(kāi)關(guān)的切換頻率有關(guān)，頻率越高則單位時(shí)間內(nèi)開(kāi)關(guān)的次數(shù)越多，因此相應(yīng)的開(kāi)關(guān)損耗也越大。

另外，為避免開(kāi)關(guān)電源帶來(lái)的EMI問(wèn)題，應(yīng)該對(duì)開(kāi)關(guān)電源電路的PCB布局布線(xiàn)格外關(guān)注，如下圖所示：

在進(jìn)行PCB布局布線(xiàn)時(shí)，應(yīng)盡量使開(kāi)關(guān)管與相關(guān)的續(xù)流二極管、儲(chǔ)能電感及輸出電容的電流回路是最小的，LM2596S布局布線(xiàn)實(shí)例如下圖所示：