开关电源基本原理和相关概念

开关电源作为现代电子设备中不可或缺的部分，为我们提供了高效稳定的电力解决方案。从家用电器到工业设备，从通信设备到计算机，开关电源在各种应用中发挥着关键作用。

工作原理

开关电源利用开关器件（如MOSFET、BJT等）进行高速开关操作，通常采用脉冲宽度调制（PWM）技术去调整开关器件的工作状态来控制输出电压或电流，实现了高效能量转换和稳定的输出特性。通过合适的拓扑结构（如Buck、Boost、Buck-Boost等），开关电源能够实现不同的输入输出电压转换，满足各种应用的需求。

拓扑结构

Buck（降压）转换器：输出电压低于输入电压。
Boost（升压）转换器：输出电压高于输入电压。
Buck-Boost（升降压）转换器：输出电压可以高于或低于输入电压。
Flyback（反激）转换器：常用于隔离性能较高的应用。
Forward（正激）转换器：也是一种隔离性转换器。

相关概念

PWM调制

脉冲宽度调制（PWM）是一种常用的控制技术，用于调整开关器件的导通时间，从而控制输出电压或电流，如下图为12V转5V的调制模型

储能与滤波

但仅仅得到一个PWM还不行，开关电源最终需要的是一个平稳的电压信号，因此开关电源设计中还需要存能元件和滤波元件，以平稳输出电压或电流

电容

在负载侧添加一个电容，可以实现滤波的作用（电容放电），但鉴于电容的一个特性电容两端电压不能突变，在开关器件切换状态，PWM由低电平变为高电平时，电容两端电压没有立即变为高电平，那么此时输出端的电流就为无穷大，极易损坏后级电路，所以仅仅依靠电容是不够的。

电感

鉴于电感的一个特性电感两端电流不能突变，故可以在电容的前面添加一个电感，从而抑制这个无穷大的电流

反馈回路

反馈回路通常由一个比较器和一个误差放大器组成。误差放大器将输出电压或电流与参考电压进行比较，产生一个误差信号。比较器将误差信号与一个参考信号进行比较，并根据比较结果控制开关器件的导通时间，从而调整输出电压或电流。

电压模式控制（Voltage Mode Control）：基于输出电压的变化来调节开关器件的工作状态，以保持输出电压稳定。
电流模式控制（Current Mode Control）：基于输出电流的变化来调节开关器件的工作状态，以保持输出电流稳定。通常用于需要精确控制输出电流的应用。

续流二极管（肖特基二极管）

在开关电源中，肖特基二极管（Schottky Diode）扮演着重要的角色，主要有以下几个作用：

1. 反向恢复特性：
   肖特基二极管具有快速的反向恢复时间，通常在纳秒级别。这意味着在开关电源中，当开关器件（如MOSFET）切换时，肖特基二极管可以快速地恢复到正向导通状态，从而减少反向恢复损耗和功率损耗，提高电源的效率。

2. 减小开关损耗：
   在开关电源的拓扑中，如Buck、Boost、Buck-Boost等，开关器件（通常是MOSFET）会在导通和关断状态之间切换。肖特基二极管可以并联在开关器件的反并极性上，形成反并极二极管（Freewheeling Diode），用来提供一条低阻抗路径，使电感中的能量得以释放。这样可以减小开关器件的反向击穿和功率损耗，延长其寿命，提高系统效率。

3. 低压降特性：
   肖特基二极管的正向压降（正向导通时的压降）相对较低，通常在几百毫伏至1V左右，比普通的硅二极管要小。因此，它们适用于需要低压降的高效率电源设计，能够减少电源的功耗和损耗。

4. 高频应用：
   肖特基二极管具有快速的开关特性和低反向恢复时间，因此适用于高频开关电源设计。在高频应用中，它们可以减小开关器件的开关损耗和反向恢复损耗，提高系统的响应速度和效率。

过载保护

开关电源通常包含过载保护功能，以防止过载情况下的损坏。这可以通过监测输出电流或电压来实现，并在超过设定阈值时禁用开关器件。

效率

与传统的线性稳压器相比，开关电源具有更高的效率，因为它们在开关器件上的功耗较低。

EMI/EMC

由于开关电源的高频开关操作，会产生电磁干扰（EMI），因此需要采取措施来减少干扰，并确保符合电磁兼容性（EMC）标准。

优势

1. 高效性：相比传统的线性稳压器，开关电源具有更高的效率。这是因为开关电源在开关器件上的功耗较低，能够更有效地转换电能。

2. 小型化：开关电源通常采用高频开关操作，使得电感和电容可以小型化，从而使整个电源的体积和重量更小。

3. 稳定性：开关电源具有良好的稳定性和动态响应特性，可以在各种负载条件下提供稳定的输出电压或电流。

4. 灵活性：开关电源可以通过调整控制器中的参数来实现不同的输出电压或电流，具有较大的灵活性和可调性。