功率开关是实用开关稳压器的关键。在垂直金属氧化物半导体(VMOS)电源开关发明之前，开关电源通常不实用。

电感器的主要功能是通过电源开关限制电流转换速率。这一动作限制了原本仅受开关电阻限制的峰值电流。在开关调节器中使用电感的主要优点是电感可以储存能量。这个能量可以用焦耳表示为电流的函数:

• E = 1 / 2 × l × i²

线性稳压器使用电阻压降来调节电压，以热量的形式损失功率(压降乘以电流)。开关调节器的电感确实有电压降和相关的电流，但电流与电压的相位为90度。因此，能量被储存起来，并且可以在开关周期的放电阶段被回收。这导致了更高的效率和更少的热量。

什么是开关稳压器?

开关稳压器是一种使用电源开关、电感和二极管将能量从输入转移到输出的电路。

开关电路的基本元件可以重新排列，形成降压(降压)变换器、升压(升压)变换器或逆变器(反激)。这些设计分别显示在图1、2、3和4中，其中图3和4除了变压器和二极管极性外是相同的。反馈和控制电路可以在这些电路周围仔细地嵌套，以调节能量传递并在正常工作条件下保持恒定的输出。

为什么使用开关稳压器?

与线性稳压器相比，开关稳压器提供了三个主要优点。首先，开关效率可以大大提高。其次，由于在传输过程中损失的能量更少，因此需要更小的组件和更少的热管理。第三，开关稳压器中电感存储的能量可以转换为输出电压，输出电压可以大于输入电压(升压)，负电压(逆变器)，甚至可以通过变压器传输，以提供相对于输入的电气隔离(图4)。

考虑到开关稳压器的优势，人们可能想知道线性稳压器可以用在哪里?线性稳压器提供更低的噪声和更高的带宽;它们的简单性有时可以提供一种成本较低的解决方案。

不可否认，切换监管机构也有缺点。它们可能有噪声，并且需要以控制回路的形式进行能量管理。幸运的是，这些控制问题的解决方案集成在现代开关模式控制器芯片中。

充电阶段

图5描述了一个基本的boost配置。假设开关已经开了很长一段时间，并且二极管两端的压降为负，则电容器两端的电压等于输入电压。当开关闭合时，输入电压+V(IN)穿过电感，二极管防止电容器将+V(OUT)放电到地。由于输入电压为直流电，通过电感的电流随时间线性上升，其速率与输入电压除以电感成正比。

图5。充电阶段:当开关闭合时，电流通过电感上升。

放电阶段

图6显示了放电阶段。当开关再次打开时，电感电流继续流入整流二极管，对输出端充电。当输出电压上升时，电流的斜率di/dt通过电感反转。输出电压上升，直到达到平衡或:

• V(L) = L × di/dt

换句话说，电感电压越高，电感电流下降得越快。

图6。放电相位:当开关打开时，电流通过整流二极管流向负载。

在稳态工作条件下，整个开关周期中电感的平均电压为零。这意味着通过电感的平均电流也处于稳定状态。这是所有基于电感的开关拓扑的重要规则。更进一步，我们可以建立对于给定的充电时间t(ON)和给定的输入电压，并且电路处于平衡状态，对于输出电压有一个特定的放电时间t(OFF)。由于稳定状态下的平均电感电压必须等于零，我们可以计算升压电路:

• V(IN) × t(ON) = t(OFF) × V(L)

因为:

• V(out) = V(in) + V(l)

然后我们可以建立关系:

• V(OUT) = V(IN) × (1 + t(ON)/t(OFF))

利用占空比(D)的关系:

• t(ON)/(t(ON) + t(OFF)) = D

然后是升压电路:

• V(out) = V(in)/(1-d)

对降压电路也可以进行类似的推导:

• V(out) = V(in) × d

对于逆变电路(反激):

• V(out) = V(in) × d /(1-d)

控制技术

从升压、降压和逆变器(反激)的推导可以看出，改变占空比可以控制相对于输入电压的稳态输出。这是控制所有基于电感的开关电路的关键概念。

电压型PWM

如图7所示，最常见的控制方法是脉冲宽度调制(PWM)。该方法取输出电压的一个样本，并从参考电压中减去它，以建立一个小的误差信号(V(error))。该误差信号与振荡器斜坡信号进行比较。比较器输出操作电源开关的数字输出(PWM)。当电路输出电压发生变化时，V(ERROR)也发生变化，从而导致比较器阈值发生变化。因此，输出脉冲宽度(PWM)也会发生变化。这个占空比的变化，然后移动输出电压，以减少误差信号为零，从而完成控制回路。

图7。变化的误差信号产生一个脉宽调制开关信号。

图8显示了使用MAX1932形成的升压拓扑的实际电路。该集成电路是一个集成控制器，带有板载可编程数字转换器(DAC)。DAC通过串行链路设置数字输出电压。R5和R8形成一个分压器，测量输出电压。当DAC电压与参考电压(1.25V)相同时，R6有效地断开电路。这是因为R6上的电压为零，所以电流为零。当DAC输出为零(接地)时，R6有效地与R8并行。这两个条件分别对应40V和90V的最小和最大输出调节范围。

图8。MAX1932提供了一个集成的升压电路与电压模式控制。

接下来，从内部1.25V基准中减去分压器信号，然后放大。这个错误信号然后在引脚8上作为电流源输出。这，与差分输入对一起，形成一个跨导放大器。使用这种安排是因为误差放大器的输出是高阻抗(电流源)，允许通过改变R7和C4来调整电路的增益。这种安排还提供了修剪回路增益的能力，以获得可接受的稳定裕度。然后，引脚8上的错误信号被转发到比较器并输出以驱动电源开关。R1是测量输出电流的电流检测电阻。当电流高到不可接受时，PWM电路关闭，从而保护电路。

图7和图8中的开关类型(拓扑)被归类为电压模式控制器(VMC)，因为反馈调节输出电压。为了分析，我们可以假设如果环路增益是无限的，那么理想电压源的输出阻抗为零。

电流型脉宽调制

另一种常用的控制类型是电流模式控制(CMC)。这种方法调节输出电流，并具有无限环路增益，输出是一个高阻抗源。在CMC中，电流环嵌套了一个较慢的电压环，如图9所示;由电感电流的斜率产生斜坡，并与误差信号进行比较。因此，当输出电压下降时，CMC向负载提供更多的电流。CMC的优点是它能够管理电感电流。在VMC中，不测量电感电流。这就成了一个问题，因为电感与输出滤波电容一起，形成了一个共振槽，可以发出环，甚至引起振荡。电流模式控制感应电感电流，以纠正不一致。虽然很难实现，但精心选择的补偿元件可以有效地抵消VCM中的这种谐振。

图9。电流模式脉宽调制。

负载点(POL)升压调节器

图10中的电路使用带有MAX668控制器的CMC。这个升压电路类似于图7和图8，除了R1感知CMC的电感电流。R1和一些内部比较器提供电流限制。R5与C9一起过滤感测电阻上的开关噪声，以防止误触发电流限制。MAX668的内部限流阈值是固定的;改变电阻R1调整电流限制设置。电阻R2设置工作频率。MAX668是一种多功能集成电路，可以提供广泛的DC-DC转换。

MAX668的外部组件可以具有高额定电压，为高功率应用提供更大的灵活性。

图10。MAX668用于电流模式控制升压电路。

对于低输入电压，需要更少功率的便携式应用，建议使用MAX1760和MAX8627(输出电流1A)。后一种器件使用内部场效应管，并通过使用场效应管的电阻来测量电感电流(不需要检测电阻)来检测电流。

nanoPower升压转换器

升压变换器广泛应用于消费类电子产品中，以提高和稳定锂离子电池在负载下的下垂电压。物联网(IoT)是一个新兴且不断增长的消费市场，它是一种基于“云”的无线互联设备网络，通常包括音频、视频、智能家居和可穿戴应用。物联网趋势与绿色能源(减少浪费的电力和转向可再生能源发电的动力)相结合，要求小型设备在消耗很少电力的情况下长时间自主运行。MAX17222 nanoPower同步升压转换器符合要求。MAX17222提供400mV至5.5V的输入范围，0.5A的峰值电感电流限制，以及使用单个标准1%电阻可选择的输出电压。新颖的真关断 模式可产生纳米安培范围内的漏电流，使其成为真正的纳米功率器件!

图11显示了MAX17222的关断电流和静态电流的基本元件。

图11。MAX17222关闭和静态电流。

真关断功能在没有正向或反向电流的情况下将输出与输入断开，从而产生非常低的泄漏电流。MAX17222的输入静态电流(I(QINT))为0.5nA(启动后使能开)，输出静态电流(I(QOUT))为300nA。

巴克监管机构

图12显示了Maxim的Quick-PWM 架构的简化版本。为了分析这个降压电路，我们从低于参考定义的调节阈值的反馈信号开始。如果没有正向电流故障，那么计算DH导通时间的t(ON)一次性定时器会随着DH立即导通。这个t(ON)计算是基于输出电压除以输入，它近似于维持由常数k定义的固定开关频率所需的导通时间。一旦t(ON)一次性定时器过期，DH关闭，DL打开。然后，如果电压仍然低于调节阈值，DH立即打开。这允许电感电流迅速上升，以满足负载要求。一旦与负载达到平衡，平均电感电压必须为零。因此我们计算:

图12。Maxim的Quick-PWM控制简化框图。

• t(ON) × (V(IN) - V(OUT)) = t(OFF) × V(OUT)

重新安排:

• V(OUT)/(V(IN) - V(OUT)) = t(ON)/t(OFF)

两边加1，收集项:

• V(OUT)/V(IN) = t(ON)/(t(ON) + t(OFF))

因为占空因数是D:

• t(ON)/(t(ON) + t(OFF)) = D

对于降压电路:

• D = v (out)/ v (in)

Maxim专有的Quick-PWM控制方法与PWM相比具有一些优势。当输出电压低于调节阈值时，快速pwm控制产生一个新的周期。因此，重瞬态迫使输出下降，立即触发一个新的on-cycle。这个动作导致100ns负载阶跃响应。同样重要的是要注意，与图1中的降压电路不同，图12使用MOSFET (Q2)而不是二极管作为放电路径。这种设计减少了与二极管下降相关的损耗;MOSFET通道的导通电阻兼作电流感测。由于需要输出电压纹波来刺激电路切换，因此需要具有一定ESR的输出滤波电容来保持稳定性。Quick-PWM架构还可以通过直接将输入电压信号馈送到准时计算器来快速响应线路输入的变化。其他方法必须等待输出电压下降或飙升后才采取行动，而这通常为时已晚。

DDR内存电源降压控制器

Quick-PWM的实际应用如图13所示。MAX8632是一款集成DDR内存电源。与快速pwm降压电路(VDDQ)一起，MAX8632集成了一个高速线性稳压器(VTT)来管理DDR存储系统中的总线瞬态。与开关相比，线性稳压器具有特定的优势:线性稳压器没有电感来限制电流的回转速率，因此非常快的电流转换速率可以服务于负载瞬态。较慢的电路需要较大的电容器来提供负载电流，直到电源可以提高电流以服务于负载。

图13。MAX8632采用Maxim的Quick-PWM架构和线性稳压器来提供完整的DDR电源系统。该器件可以用作主GPU或标准核心逻辑电源。

效率

整流二极管是开关最大的功率损耗因素之一。耗散的功率仅仅是正向压降乘以通过它的电流。硅二极管的反向恢复也会造成损耗。这些功率损耗降低了整体效率，需要散热器或风扇的形式进行热管理。

为了尽量减少这种损失，开关稳压器可以使用具有相对低的正向压降和良好的反向恢复的肖特基二极管。然而，为了获得最大的效率，您可以使用MOSFET开关代替二极管。这种设计被称为“同步整流器”(见图12、13和14)。总开关闭合时同步整流开关打开，反之亦然。为了防止交叉导通(上下开关同时导通)，开关方案必须先断开后合。因此，在主开关打开和同步整流器开关关闭(死区时间)之间的间隔期间，仍然需要二极管导通。当MOSFET用作同步开关时，电流通常反向流动(源极到漏极)，这允许集成体二极管在死区时间传导电流。当同步整流开关闭合时，电流流过MOSFET通道。由于功率mosfet的通道电阻非常低，整流二极管的标准正向压降可以降低到几毫伏。同步整流可以提供远高于90%的效率。

图14。降压电路同步整流。注意集成的MOSFET体二极管。

跳过模式提高轻载效率

许多现代开关控制器提供的功能是跳过模式。跳过模式允许调节器跳过周期时，他们不需要，这大大提高了效率在轻负载。对于带有整流二极管的标准降压电路(图1)，不启动新周期只是允许电感电流或电感能量放电到零。在这一点上，二极管阻挡任何反向电感电流和电压通过电感归零。这被称为“不连续模式”，如图15所示。在跳变模式下，当输出电压降至调节阈值以下时，开始一个新的周期。在跳过模式和不连续工作时，开关频率与负载电流成正比。不幸的是，同步整流器的情况有些复杂。这是因为如果栅极打开，电感电流可以在MOSFET开关中反转。MAX8632集成了一个比较器，当通过电感的电流反转并打开开关时，允许MOSFET的主体二极管阻挡反向电流。

图15。在不连续模式下，电感完全放电，然后电感电压为零。

图16显示，跳过模式提供了改进的轻负载效率，但代价是噪声，因为开关频率不是固定的。强制pwm控制技术保持恒定的开关频率，并随着工作参数的变化而改变充电周期与放电周期的比值。由于开关频率是固定的，噪声频谱相对较窄，从而允许简单的低通或陷波滤波器技术大大降低峰对峰纹波电压。由于噪声可以放置在不太敏感的频段，因此PWM在电信和其他需要考虑噪声干扰的应用中很受欢迎。

图16。效率有和没有跳过模式。

高功率负载点降压变换器

MOSFET功率开关现在与控制器集成，形成单芯片解决方案，如图17所示的MAX1945电路。该芯片的底部有一个金属塞，可以从芯片中去除热量，因此28针TSSOP封装可以消散超过1W的热量，允许电路为其负载提供超过10W的热量。在1MHz的开关频率下，输出电感和滤波电容器的尺寸可以减小，进一步节省宝贵的空间和元件数量。随着MOSFET功率开关技术的不断改进，开关模式性能也将不断提高，进一步降低成本、尺寸和热管理问题。

图17。MAX1945是一款6A内部开关设备，减少了零件数量，占地面积小，节省了电路板空间。

低功率POL降压转换器

MAX1836 / MAX1837高效降压(降压)转换器从高达24V的电源电压提供预设的3.3V或5V输出电压。使用外部反馈电阻，输出电压可从1.25V调节到VIN。内部限流开关MOSFET提供负载电流高达125mA (MAX1836)或250mA (MAX1837)。独特的限流控制方案，工作占空比高达100%，最大限度地降低了压降电压(100mA时120mV)。此外，该控制方案将轻负载下的电源电流降低到12µA。高开关频率允许使用微小的表面贴装电感器和输出电容器。具有内部开关mosfet的MAX1836/MAX1837降压转换器采用6引脚SOT23和3mm x 3mm TDFN封装，是低成本、低功耗、空间敏感应用的理想选择。

纳米功率降压转换器

MAX3864xA/B是nanoPower系列超低330nA静态降压(降压)DC-DC转换器，工作电压为1.8V至5.5V，支持负载电流高达175mA, 350mA和700mA，峰值效率高达96%。在关机时，只有5nA的关机电流。该器件在整个负载范围内提供超低的静态电流，小的总解决方案尺寸和高效率。MAX3864xA/B是需要长电池寿命的电池应用的理想选择。MAX3864xA/B系列采用独特的控制方案，在宽输出电流范围内实现超低静态电流和高效率。MAX3864xA/B器件采用节省空间的1.42mm x 0.89mm 6引脚晶圆级封装(WLP) (2x 3凸点，0.4mm间距)，以及2mm x 2mm 6引脚µDFN封装。

总结

虽然开关技术更难以实现，但开关电路在各种便携式和固定式设计中几乎完全取代了线性电源。这是因为开关电路提供更高的效率，更小的组件，和更少的热管理问题。