PCB电源 - 开关电源介绍、工作原理、电路图

来源:一博自媒体 时间:2017-1-9 类别:微信自媒体

文| 刘为霞   一博科技高速先生团队队员

对硬件工程师而言,电源是不可避免的,甚至是整个板子最重要的模块。不同的PCB,各种各样五花八门的电源模块,做过的见过的也不少,但总的归类来讲,一般的DCDC电源转换模块也就不外乎开关电源模块和线性电源模块两种,其他的变化总是万变不离其宗。

后面几篇文章就主要介绍一下这两种电源模块的原理和layout注意事项。至于AC-DC转换,或者其他相对偏门的POE电源,都不在本次的规划之内了。

开关电源简介

首先介绍的是开关电源。说到开关电源就不能不提到两个单词buck和boost。感觉不管什么词,只要变成英文就显得特别高大上,其实这个对应的就是降压开关电路和升压开关电路。再用更接地气的说法来讲,就是串联开关电路和并联开关电路。一下子就把层次拉到熟悉的初中物理知识了,简化电路如下图所示:

  
图1 串联开关电路  图2 并联开关电路

开关电源顾名思义就是通过控制晶体管的导通截止来转换电压,由于部分时间工作在截止状态,功耗比较小,发热也比较小。所以相较与线性电源模块而言,效率比较高,发热也没有那么厉害。
  
图3 开关接通状态  图4 开关截至状态


开关电源的工作原理其实比较简单:当晶体管基极为高电平时,晶体管饱和导通,等效电路如图3所示,此时电感L储存能量,电容C充电。当晶体管基极为低电平时,晶体管截止,等效电路如图4所示,此时电感L释放能量,电容C放电。通常我们的PCB板上还有采样电路,反馈电路,以此来调节基极控制电压的占空比,来达到稳压的目的。同时,由于负载和晶体管串联,输出电压小于输入电压,所以又叫降压开关电路(buck开关电路)。对应的并联开关电路原理相似,同时由于晶体管并联,电感产生的感应电动势与电压相叠加后作用于负载,所以输出电压会高于输入电压。


实际的开关电源电路图一般如下图所示:一般开关电路在PCB中主要包涵输入滤波,开关电路,控制电路,输出滤波四个主要部分,其中红色框是主电流通道,包含输入滤波,开关电路,输出滤波三个重要的部分,其余部分为控制电路,其中需要重点关注的部分为采样电路和反馈电路。
 
滤波电路对于开关电源是很重要的,因为模块本身电源转换时通过晶体管的开关来控制的,那么开关的过程中就会产生尖峰脉冲干扰。输入滤波一般应该包括大容值电容和小容值电容,小容值电容靠近晶体管放置,能给晶体管内部高频电流提供到地的回路。大容值的电容则能给晶体管输入平稳的直流稳压电源。而输出部分的大容值电容则是用于给负载提供平稳的直流电源。在负载电阻发生变化时,由于开关电路需要通过采样、反馈,调节占空比的方式来调整输出电压,不能随时调整,所以需要一个大容值电容充放电来缓冲。


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