我的开关电源心路历程🍃

        根据本人三年以来研究硬件电路全过程的心得记录。仅以此篇献给自己，同时也献给那些在集成电路、开关电源领域里默默研究的初学者                                                                                                                                                        ——胡麒峰       

        俗话说“硬件电路十年磨一剑”，一位教授曾经和我说过“培养一个电子工程师至少需要十年的时间”。在过去的六年里，我一直对电路方面投其所好；在过去三年里，我一直在潜心研究硬件电路设计与开发；在过去的一年里我一直在开关电源专项领域方面有所研究。对于我来说成为一名合格的电子工程师还有一定的距离。革命尚未成功，吾尚需努力！

有人会问为什么我会选择开关电源这个领域呢？

我的回答是：

  首先从目前的大环境和工、农、兵的需求方面考虑：  1、互联网，大数据；     2、双创；     3、新能源；     4、军民融合。    其次从市场的角度考虑：     1、无线充电（手机、新能源交通工具、无人机和水下无人航行器无线续航充电等）；     2、光伏、风电等发电并网；     3、BMS、CMS系统。尤其是BMS【电池管理系统】将会是未来发展的不可或缺的一大领域，就目前对于国内而言BMS是人才紧缺的一大块。

我的开关电源心路历程🍃

形象一点的话就好比电池是一个“人”，我们要对它的健康进行全方位的监督，比如说他的心跳、温度、各个脏器的功能好坏，每天“食物”摄入量，每天“食物”排泄量等等。目的就是想让他达到一个最佳平衡状态，让他活的更久一些。在我的理解当中我认为

BMS——守护医生

我的开关电源心路历程🍃

        在8个月断断续续研究开关电源以来从期待到失望再到绝望最后到希望，这一步步经历了很多很多。首先要想弄明白开关电源的原理那么你必须要对整个模拟电路有所了解，比如像MOSFET、电容、电感、变压器、IC芯片最常应用等等，还要明白一些电路的基本原理比如说运算放大电路、简单线性稳压电路、驱动电路、比较器电路、产生斩波电路、悬浮电路、自举电路、电压电流采样电路、闭环AD-DA电路。还要具有快速设计出简单电路的思路。这些往往是构成开关电源的基础，就像盖房子一样如果基础没有打牢很难establish a stable building！所以如果这些方面还搞不定的话那就多打打基础吧！废话不多说下面进入正题！

在我学习硬件电路的过程中，我不会硬生生的理解这些基本的元器件以及一些电路，我会将它们形象化我们身边中的日常东西，这样理解起来会更加深刻。就比如说电容可以看成为水缸、电感可以看成通风管道、普通的电路结构看成不同的河流就好了，抽象的东西可以不再是那么抽象。在说开关电源之前我先普及一些基本的知识吧

电容——水缸

1、电容的工作原理

电容，我们一般把它理解为一个水缸。如图 1-1 所示，右下角有个管子对外放水，左上角有个管子用来进水的。就是外面的水不稳定的通过管子流入水缸，注满水缸，就会从右下角的管子排出。我们发现，当流入的水类似于图中纹波一样，不稳定，如果它不经过水缸，  直接从缸口往外流出，那它还是保持原来不稳定的状态，即水面不平稳。但是，如果，我们把它放在水缸里面，从水缸底部的管子往外排出，这个水就是相当稳定的，最多是造成在缸口处的水平面不稳定。

这时候，我们就说这个水缸起到滤波的作用。滤除的是输入过来的水的波动，但是从水缸底部管子输出的就是很平稳的，几乎没有什么波动的水。这在我们电容的应用中得到很大的启发。电容对电压的作用，相当于是这个水缸对水的作用。也就是说，这个电容里面储存的是电子荷，一个个的正电荷放置在里面，从外面进来的电荷在里面不断往上堆积，然后再平稳输出去--电荷数平稳输出且无波动。因此我们后面电路的负载就能得到一个平稳的源源不断的输出。一个平稳，没有什么波动的电压，能让负载工作更可靠，也不会对其造成损伤。  所以，我们就需要把给负载供电的电压进行滤波，而滤波就是通过电容，用的就是我们刚讲的类似于水缸的原理的方法。

图1-1

2、电容的容量

电容的容量有大有小，就像电阻一样。它的单位，我们用法拉（F）来衡量。法拉是电容能储存电荷数大小的单位。常见单位有微法（μF）、纳法（nF）、皮法（pF）。

电容单位的换算：1法拉 ＝10^6 微法＝10^9 纳法＝10^12 皮法

在实际工程中，我们做不到 1 法拉这么大的电容，大多数都是以微法为量级。

电路中，这个电容，一般都是用来储能用的，就如我们刚讲的类似于一个水缸的原理。那么  电容的大小与水缸有什么关系呢？

图1-2

我们看图 1-2，左边的为 1号水缸，右边的为 2号水缸。这两个水缸，它们的高度都是一致的，底面积不一样。这个时候，我同样都是在这两个水缸里面加水，当我水加满的时候  或两水缸的水都加到同一高度的时候，这时候，我们发现 2号水缸里面的所加的水要远远大于一号水缸。而如果加相同水，1 号水缸里面水位升的更高，2号水缸里面水位升更低。

那我们把这两水缸类比到电容，我们说电容的单位越大，他的截面积越大，相当于于水缸的底面积越大。如果我们给电容充电且充到一个相同的高度，比如 10V，那么，我们知道，2 号电容需要的电荷数更多，1 号电容需要的电荷数更少。由此，我们引入一个电容公式：C＝U/Q ,C是电荷的容量，Q是电荷数，U是电压。这是什么意思呢？就如我们刚把电容比作水缸，那么我们把 Q认为水缸的体积，U 认为是水缸的高度，C类比为水缸的底面积。对于水缸来讲，他的高度乘以底面积就等于体积。那么，我们就能够得到这个公式： Q＝C/U.是不是就是我们上面电容的公式？因此，对于一个相同体积的电容来讲，你的底面积 C越大，你的水位 U就越低。反之，电容 C越小，电压 U 就越高。

      我们从这个角度来思考，有利于我们对电容的理解。从工程的角度，我们要刨除复杂的  定义，繁琐的公式，因为那些不便于我们去理解，甚至，把我们自己都搞糊涂了。为此，我们要从朴实的一个道理去理解。

电感——通风管道

电感：形象的假想为一个具有一定扩张、收缩功能的通风管道。其工作时候的电流大小则为气流流速快慢的标志量。（图1）电感是整个模拟电子技术最重要的元器件，它存在于所有电子设产品以及中大型电子设备中。比如：电脑、手机、Ipiad、移动电源等。（图2）同时电感也是诸多电子产品能否达到高性能的桥梁。电感的特性有很多下面我给大家介绍一下

滤波——阻碍高频分量，通过低频分量（常用于得到低频system）

震荡——系统控制、信号发射与接收当中（常应用于高频超高频系统）

储能——动能形式(电流形式)存储能量，间断释放、叠加释放（常应用于电源power system）

电感在开关电源中的作用

在开关电源中电感的作用是储能，为什么要用电感呢？我的回答是电感没有损耗，只是将电能存储下来然后完全释放出去因此电感的介入会大大提高整体的效率，相对于开关电源而言的线性稳压电源是无法超越的。作为开关电源最为重要的元器件在设计电感的过程中是极为重要的，如果设计选型用错就会前功尽弃导致整个电路失败。

电感换算1H = 1*10^3mH = 1*10^6uH

在开关电源中电感的电流不能突变，电感的电压可以突变，所以在开关电源中像电源适配器在插电瞬间会引起打过火现象就是电感在工作时候的原理（阻碍电流变化）。在开关电源设计的过程中如果控制不好MOSFET的导通和关断的时间会引起电感的磁饱和，长期工作在这种状态下会导致电感损坏从而影响整个electric system。所以在电磁兼容问题上是一个很重要的部分。在整个开关电源设计中电感承担了很重要的功能。可以这么说吧如果没有电感就没有电能的储存和释放。

电感在开关电源的三种模式

CCM——(continuous Conduction Mode)连续模式

BCM——(Boundary Conduction Mode)临界模式

DCM——(discontinuous conduction Mode)断续模式

图（4）

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在开关电源中应用最广泛的是CCM和DCM两种模式，下面我们来谈谈CCM和DCM的优缺点吧！

CCM连续模式

1、优点

初级峰值电流相对较小，但会叠加较大的直流成分，需要增加气隙以防止变压器饱和；占空比跟输出的电流大小无关，故适合于负载电流变化较大的场合；对次级输出的电容要求相对较低，有利于降低电容的容量与体积。

2、缺点

次级整流二极管存在反向恢复的问题，从而引起发热与EMI问题；反馈补偿复杂，存在右半面零点的问题；需要较大的磁芯与较多的初级匝数。

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断续模式（DCM）

1、优点

因为初级开关管开通前，次级整流二极管就已经关闭，所以不存在反向恢复的问题；反馈补偿容易，不存在右半面零点的问题，所以负载电流突变引起的瞬态响应更快，动态好，过冲也不会太高。

2、缺点

所有功率元器件承受的峰值电流都比较大，电流的有效值也大，在一定程度上会影响电路的效率；大的di/dt会带来EMI问题；因为占空比跟输出的电流大小有关，要得到稳定的输出，必定有个最小负载的问题；对次级输出的电容要求也更高，否则会有很大的纹波问题。

所以一般“输出功率小或输出电流小的电源适合采用DCM工作模式。功率大或输出电流大的则适合用CCM模式。一般是低压工作在CCM模式，高压工作在DCM模式，这是较理想的选择。”所以合理的选择是决定系统稳定性的重要因素之一！

电感的选型

开关电源中的电感一般是功率电感，因此在做实际应用的过程中电感的选择包括磁芯以及匝数N（图5）

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像图中所给的三种不同的磁芯可以满足不同的需求，选择好磁芯再去美磁官美磁官网网查对应的电感Al数值最后根据公式

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得出电感的匝数N。最后根据得出来的数据缠绕出电感。因此合理的选择是很重要的。

下面我就来和大家谈谈开关电源最基本的拓扑结构～

buck ：降压电路

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BUCK变换器也称降压式变换器，是一种输出电压小于输进电压的单管不隔离直流变换器。图中，Q为开关管，其驱动电压一般为PWM(Pulse width modulatiON脉宽调制)信号，信号周期为Ts，则信号频率为f=1/Ts，导通时间为Ton，关断时间为Toff，则周期Ts=Ton+Toff，占空比Dy= Ton/Ts。

基本原理：通过开关导通与关断形成电流回路通过电感工作模式以及电容特性提供给负载稳定的电流电压。

基本电路：悬浮自举电路，可以理解为大海上放置一个水桶意思是将水桶里的水通过大海浮起来。

本人最常用的pwm 驱动芯片：IR 2110、IR 2104、IR 2109

boost :升压电路

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开关管Q也为PWM控制方式，但最大占空比Dy必须限制，不建议在Dy=1的状态下工作。电感Lf在输进侧，称为升压电感。BOOST变换器也有CCM和DCM两种工作方式。

boost 电路说明白儿一点就是利用开关导通与关断产生的瞬间电压储存在电感当中，然后瞬间释放使得输出电压翻倍。

这个是我做的开关电源系统，此系统包含

buck 拓扑，boost 拓扑，sepic 拓扑

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我做这个开关电源经历了 设计→计算→仿真→搭建→调试→改进→焊接→制PCB板子→调试→成功

buck 系统参数（极限值）
Vin=50v
Vout=3v～48v
Imax=5A
N效率≧90%（2A）

boost 系统参数（极限值）
Vin=3v～30v
Vout=30v～60v
Imax=5A
N效率≧90%（2A）

sepic 系统参数（极限值）
Vin=0v～50v
Vout=0v～60v
Imax=4A
N效率≧90%（2A）

具体参数计算@我哦～

开关电源，未来占据主导地位:

未来的社会中我们电子设备、产品使用最理想的目标是电能在传输上损耗最小那么就离不开开关电源管理系统，在这基础上就更离不开battery system 将电池能量发挥的淋漓尽致。如果一直有电能的存在就一直有管理电能的“人”存在。这个“人”从小了说决定了产品的使用寿命，往大了说决定一个公司的未来，再往大了说决定了一个国家未来膜发展以及社会地位！

最后说说我吧，感谢经历让我选择电子行业三年学到了很多很多东西失败过n次但是没有一次是我在硬件解决不了的问题，学会反思以及保持兴趣是我一直坚守在这个行业的根本原因。在学习的过程当中，切忌急功近利，稳扎稳打才是最稳妥也是最能收获知识的学习方式。

作者:胡麒峰

2019.8.15

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