開關電路升降壓（boost和buck）

在當前的電子設計中，開關電源在穩壓和變壓中承擔了越來越重要的角色。它的優點是能耗低，佔中體積小，下面我們來看看開關電源的工作原理是什麼？

開關電源的分為升壓（boost）和降壓（buck）兩種，圖1展示了boost的原理圖，需要說明的是整個電路並非沒線圈，而是沒有那種需要初級和次級繞組的那種變壓線圈，這裡的線圈是電感，如果設計得當，可以很小。

圖1 boost開關電路原理圖

在圖1的boost電路中，f是一個場效電晶體，它的柵極輸入方波（方波的生成電路在原理圖被省略掉），在方波作用下，場效電晶體如同開關一樣工作，理解工作原理時，我們可以簡化把它認為是一個以固定頻率開啟和閉合的開關，這也是開關電源的名字由來。

圖1是由一個直流乾電池供電的，也最終以升壓的直流電源輸出，這樣的電路一般稱為DC-DC。這裡如何實現升壓的呢？我們需要看到，整個電路中動態變化的地方就是一個開關，那麼看看開關閉合和開啟的時候都分別發生了什麼？

開關初次閉合，這時電感直接與地端相連，乾電池只給電感l充電；開關開啟，這時後續電路被接通，需要給電容充電和對外負載輸出，電路的電流比開關閉合的時候下降，因此電感的自感效應發揮作用，為了維持原狀（原電流），而對外放電，作用於後續電路的電流將大於乾電池本來的輸出，在阻抗固定的情況下，以為這產生了更大的電壓。當開關再次閉合，乾電池恢復僅僅給電感充電的狀態，而這時二極體d是為了阻止已經帶點的電容c通過開關回路對地放電。在持續這樣的開關工作過程，最終實現了輸出電壓大於輸入電壓。

從開關電源原理上，我們可以看到DC-DC內部不是一直處於直流狀態，輸入的方波激勵了LC電路，使得從乾電池輸入的直流電流轉換成與方波頻率相同的交流電，這樣帶來的後果是會給輸出端帶來起伏的紋波，這也是開關電源的缺點。

圖2中展示了開關電路降壓（buck）的原理圖，其工作原理與升壓相似，就不詳細分析了。

圖2 buck開關電源原理圖

現在升降壓的可行性說明白了，升降壓的程度是怎樣的，如何來調節呢？

這個問題要理解輸入的方波，方波是以固定頻率輸入的，在每個週期裡，有高電平和低電平部分，高電平持續的時間和整個週期的總時間比值稱為佔空比（Duty Ratio）。我們可以看到，實際上“開關”閉合的時間，就是方波處於高電平的時候，因此，開關電源通過調節佔空比來調節輸出電壓的數值。

實際的開關電源模組

讓我們來看看實際模組的情況，以mt3608為例，如圖3，看到它的晶片比兩旁的貼片電容看起來還小，但是其本事可不小。

圖3 mt3608升壓模組

 圖4 mt3608工作電路圖和內部原理圖

圖4給出了mt3608的工作電路和內部原理圖，我們可以看到在晶片的FB引腳採集輸出端的反饋電壓，根據這個反饋電壓和目標電壓的差值調整佔空比，以達到輸出固定目標電壓的目的，在圖3中把R1用可變電阻（藍色的那個）代替，通過調節它來調節FB電壓。

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圖5 mt3608示波器測試實驗

圖5展示了用示波器測量二極體SS14兩端的實驗結果，輸入電壓為鋰電池4.07V，5-a的輸出時6V，5-b是12V，做實驗時空載狀態，從產品手冊【1】可以得到mt3608的開關管工作頻率是1.2MHZ，圖5中，我們可以看到：

1. 因為這裡不是在方波生成器的位置，雖然不是嚴格的方波，我們還是可以依稀看到在每個週期中，在較高的輸出電壓時，佔空比比低輸出要大。這時測量的二極體上最大值，高於了原來的電池輸入電壓。

2. 還有一個有趣的現象是應該看到在5-a中，兩個方波後面就沒有方波了，變成了一串起伏的波動，這個是空載轉態，不需要太多的外輸入即可維持輸出電壓，大多數開關電源模組的佔空比是動態變化，在沒必要輸出的時候就讓佔空比為零。圖5-c補充做了帶負載（將220Ω電阻連線在輸出端正負極）的6V輸出實驗，這個時候就有更多的方波出現了。

多數開關電源模組的工作頻率基本都是固定的：

mt3608:1.2MHZ

lm2509:150KHZ

xl4015:180KHZ

xl6009:400KHZ

圖6 開關電源模組（從上到下分別為xl4015，xl6009和mt3608）

從圖6可以看到，工作頻率越高，模組的尺寸越小，電感也越小，在mt3608的模組裡，電解電容被直接消除，因為頻率較高，容量大的電解電容已經起不到作用了。從開關電源設計來說，其原因是切換開關的頻率提高了，儲能元件就不需要儲存太多電能（儲存太多也沒用，沒有那麼長的放電時間）。高頻率對元件要求提高，會帶來更嚴重的電磁干擾和紋波，同時開關管的功耗也會提高，在設計開關電源模組的時候，需要綜合考慮以上的因素，做好體積，功率和成本的權衡。而對於選購這些模組的愛好者來說，需要關心的是紋波，對後級電路的干擾，最大輸出功率，動態和靜態功耗等等條件。