电子元器件学习-DC-DC篇：原理、拓扑结构、参数接收、手册解读、外围器件选型、Layout设计案例分析
前言
电源类型
线性稳压器，所谓线性稳压器，也就是我们俗话说的 LDO，一般有这么两种特点：
- 传输元件工作在线性区，它没有开关的跳变；
- 仅限于降压转换，很少会看到升压的应用。
开关稳压器
- 传输器件开关(场效应管)，在每个周期完全接通和完全切断的状态；
- 里面至少包括一个电能储能的元件，如：电感器或者电容器；
- 多种拓扑（降压、升压、降压-升压等）
充电泵，一般在一些小电流的应用
- 传输器件开关(如：场效应管、三极管)，有些完全导通，而有些则工作在线性区；
- 在电能转换或者储能的过程中，仅限使用了电容器，如一些倍压电路。
答疑：有些情况为什么要使用开关稳压器？为什么不用 LDO 和充电泵？
我们知道，所有的能量都不会凭空消失，损耗的能量最终会以热的形式传递出去，这样，工程师在设计中就会产生很大的挑战，比如说，损耗最终以热的形式传递，那么电路中就需要增加更大的散热片，结果电源的体积就变大了，而且整机的效率也很低。如果在开关模式的开关电源，不仅可以提高效率，还可以降低了热管理的设计难度。
我们可以举一个例子来对比线性电源和开关电源的效率和体积：
从它们的效率来看，一个 12V 输入，3.3V/2A 输出的电源，如果用线性稳压器来实现的话，它输出效率只有 28%，而用开关电源来做的话，它的输出效率能达到 90%以上。所以线性电源在高输入电压，低输出电压的情况下的效率是非常的低，它只适用于一些输入和输出的压差比较低的场合。像这些情况下使用开关电源的优势是显而易见的。线性稳压器的损耗为 17.4W，开关稳压器的损耗只有 0.73W，这些损耗最终会以热量的形式传递出去，器件的工作温度=器件温升+环境温度，温升=热阻 × 损耗的情况下：假如器件的热阻 θ=35℃/W来计算，LDO 的温升=35℃ ×17.4W=609℃，开关稳压器温升=35℃ ×0.73W=25.55℃。可见，开关稳压器可以工作在 60~70℃的环境温度也是没问题的，而 LDO 在这种情况下，发热非常严重，必须得降低它的热阻，而热阻的大小就取决于散热面积，散热面积越大，热阻就越小，所以 LDO 需要很大的散热面积(如下图)，来减少它的热阻以获得较低的温升。
下图为线性电源和开关电源体积的比较
上图红色标注地方分别是一个 2.5W 的 LDO 和一个 6W 的开关电源，两者功率相差 2.4倍，但开关电源的面积仅是 LDO 的 1/4 不到，也就是说开关电源的损耗大大减少了，能够承受更高的热阻，减少散热的面积。
再次强调一遍，如果说输入与输出之间压差较低的情况下，可以使用 LDO，但压差较大的情况下，建议使用开关电源。当然，开关电源也有它的劣势，它的输出会有噪声、振铃、跳变，而 LDO 则不会。某些场合的负载对电源的电压是很敏感的话，可以在开关电源后面载加一级 LDO。例如我们要把 5V 转为 1.2V ， 如果直接有 LDO 的话，效率可能只有 20%，但我们可以把 5V 用开关电源变为 1.5V，再用 LDO 把 1.5V 转为 1.2V，这样，效率就会高，是一个比较优化的设计。
总结：开关电源 VS 线性稳压器
（1）开关电源
① 能够提升电压（升压）
② 以及使电压减低（降压）甚至反相
③ 具有较高的效率和功率密度
（2）线性稳压器
① 只能实现降压
② 输出电压相对更稳定
一、介绍
1.1 简介
开关电源：是一种高频化电能转换装置，其主要利用电力电子开关器件(如晶体管、MOS管、可控晶闸管等)，通过控制电路，使电子开关器件周期性地"接通"和"关断"，让电力电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现电压变换以及输出电压可调和自动稳压的功能。
开关电源的优势：①功耗低，效率高。②体积小，重量轻。③稳压范围宽。
开关电源的损耗来源：①开关管损耗。②电感电容损耗。③二级管损耗。
开关电源的损耗分析：开关电源的效率可以达到90%以上，如果精心优化与设计，甚至可以达到95%以上，这在以电池作为电力来源的场合非常重要，例如手机、小型无人机等。因此开关电源设计的优劣程度将直接影响设备的续航能力。
- 开关管损耗：这是开关电源的主要损耗，主要包括开关损耗、导通损耗。因此应该尽量选择导通电阻比较小的开关管作为开关电源的核心元器件。
- 电感电容损耗：电感损耗主要包括直流电阻损耗，电容损耗主要包括漏电流损耗。因此应该尽量选择直流电阻较小的电感和漏电流较小的电容元器件。
- 二极管损耗：主要包括导通损耗和开关损耗。因此应该尽量选择导通压降较小，反向恢复时间较短的二极管，例如肖特基二极管或快恢复二极管等。
1.2 分类
按照调制方式的不同可分为脉宽调制(PWM)和脉频调制(PFM)两种，目前脉宽调制(PWM)在开关电源中占据主导地位。
按照管子的连接方式可分为串联式开关电源、并联式开关电源和变压器式开关电源三大类。
按照输出电压的不同可分为降压式开关电源和升压式开关电源两种。
按照输入输出类型可分为：AC-AC、DC-AC、AC-DC、DC-DC四种，这里以DC-DC为主进行介绍。
按照是否有电气隔离可分为隔离型开关电源和非隔离型开关电源两种
二、原理
2.1 基本原理
开关电源是一种高效的电源转换方式，通过快速开关电源来控制输出电压。以下是对开关电源工作原理的概述和简化：
PWM控制：开关电源使用一个开关（通常是MOSFET或IGBT等），通过PWM信号控制其开关状态。当开关导通时，电源向负载提供能量；当开关断开时，电源停止向负载提供能量。PWM信号的占空比（即开关导通的时间与总时间的比例）决定了输出电压的平均值。
电感与电容：为了平滑输出电压，通常在开关电源的输出端加入电感和电容。电感可以存储和释放电流，而电容可以存储和释放电压。当开关断开时，电感释放能量，通过电容维持输出电压的稳定。
续流二极管：当开关断开时，续流二极管提供一个回路，使电感释放能量，维持输出电压的稳定。这有助于防止输出电压突然下降。另外如果不加它，由于电感电流不会突变，会产生一定大小的感生电压，从而会导致开关（mos管）击穿。
反馈与控制：开关电源通常具有反馈电路，用于检测输出电压并调整PWM信号的占空比，从而稳定输出电压。这种控制方式称为闭环控制。
总的来说，开关电源通过快速开关电源和加入电感、电容等储能元件，实现了高效、稳定的电源转换。这种电源转换方式广泛应用于各种电子设备中，如计算机、手机、电视等。
2.1.2 实例：简化的降压开关电源
如图是一个简化的降压的开关电源,为了方便电路的分析,先不加入反馈控制部分。
状态一：当 S1 闭合时，输入的能量从电容 C1，通过S1→电感器 L1→电容器 C2→负载 RL供电,此时电感器L1同时也在储存能量,可以得到加在L1上的电压为:
状态二：当 S2 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 L1 存储的能量→电容C2-负载RL→二极管D1,此时可得式子:
最后我们可以得出 Vo/Vin=D，而 Vo 永远是小于 Vin 的，因为占空比 D≤1。
各个器件的作用:
1、输入电容器(C1)用于使输入电压平稳；
2、输出电容器(C2)负责使输出电压平稳；
3、箝位二极管(D1)在开关开路时为电感器提供一条电流通路；
4、电感器(L1)用于存储即将传送至负载的能量。
2.2 拓扑结构
2.2.1 BUCK
工作模型：
开关电源是一个闭环的控制系统，我们可以把开关电源的电流比喻为水流，输入电容就是一个高的蓄水池、输出电容是一个小的蓄水池，把一小杯一小杯的水从大水池传送到小水池，通过控制传送的间隔时间和水杯的水量从而实现小水池固定的水量，当输出的水量低了，就增加杯子的水量，当输出的水量高了，就减少杯子的水量。
降压转换器基础（电流和电压波形）
拓扑结构
上图就是一个电路结构，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。
下图是用 LM22670 芯片做的电路示例，这就是一个典型的非同步降压转换器，因为他下管是用了一个快恢复或者肖特基二极管。为什么要用肖特基呢？因二极管的寄生参数和漏感会导致在 MOS 管在开通时产生一个高压的震荡，这个震荡最终会导致芯片的 SW 引脚高压损坏和开关损耗非常大，导致效率很低，所以一般会使用快恢复或者肖特基二极管。
2.2.2 BOOST
升压转换器（电流和电压波形）