电源电路的七大标配：从低噪声型到升压型全覆盖

现代电子系统通常被CPU、FPGA、模拟IC、RF、天线等数百乃至数千个半导体和电子元器件填得满满的。

要发挥出这些电子元器件的性能，离不开能够提供稳定且高质量的电压和电流的“电源电路”。设计电源电路的第一步是正确选择满足目标需求的电路方式。

在本文中，我们将探讨从处理器到电机驱动器领域常用的电源电路类型及其机制。

标配1：元器件数量少、噪声低的“线性稳压器”

● 元器件少，制作简单

图1为采用了内置控制电路和功率晶体管单片IC“三端稳压器”的线性稳压器基本电路图。仅用几个元器件（3～5个）即可轻松配置这种稳压器。

由于控制电压的元件与电源线是串联配置的，所以它也被称为“串联稳压器”。

● 噪声低

线性稳压器使电流控制元件——功率晶体管在非饱和区域连续工作，因此具有噪声比开关电源低得多的特点。适用于对信号纯度要求较高的高频电路和测量用的模拟电路。

使功率晶体管ON/OFF的开关稳压器，由于体积小且输出大而成为现代电源电路的主流产品，但其急剧的电流变化会产生强烈的高频电磁噪声，这些噪声会通过布线和空间传播，对周围精密电路的工作和性能产生不利影响。

图1：线性稳压器的基本电路

● 需要散热器，难以小型化

如图1所示，线性稳压器的电流控制元件——功率晶体管会产生下面公式中的损耗P_C，从而发热。

其中，V_IN是输入电压，V_OUT是输出电压，I_OUT是输出电流。

线性稳压器需要在输入端配备确保输入输出之间的电压不低于2V的电源，这样功率晶体管才能保持线性工作。即使负载变重（负载电阻变小）、输出电流增大、输入电源的输出电压降低，输入输出之间的电压差也必须保持在2V以上。例如，要配置5V/2A输出的线性稳压器，即使在输出电流为最大的2A时，输入电源也必须保持7V以上的输出电压。此时电流控制元件的损耗为（7V－5V）×2A=4W。这是可输出功率（5V× 2A=10W）的40%。即使负载很轻，比如只有500mA，如果不稳定的输入电源的输出电压上升至10V，其损耗也不小，达到（10V－5V）×0.5A=2.5W，散热器是必须要配的了。

如上所述，线性稳压器具有噪声低、组件少的优点，具有发热量大、难以小型化的缺点。

标配2：高效率、支持升压的“DC-DC转换器”

● 发热量小

DC-DC转换器可控制功率晶体管的ON和OFF时间，以保持输出电压恒定。DC-DC转换器的最大特点是控制大电流的功率晶体管的损耗为0W（原理上），工作效率非常高。

在功率晶体管导通（ON）期间，集电极（漏极）和发射极（源极）之间的电压为0V，因此无论流过多大的电流，损耗从原理上看都是0W。由于在OFF期间没有电流流动（0A），因此原理上损耗也是0W。

而实际的电路在ON和OFF时都会产生微小损耗。相比线性稳压器60-70%的效率，DC-DC转换器的效率要高得多，可达80-90%以上。

● 不仅支持降压，还支持升压和升降压

线性稳压器只能降低输入电压，但DC-DC转换器通过改变电路连接，不仅可以进行降压工作，还可以进行升压、升降压和反相工作。

例如，可以将+5V转换为−5V，或将+5V转换为+12V。还可以进行升降压工作，比如使在+4～+3.0V范围内变化的电源输出3.3V的恒定电压。

● DC-DC转换机制

功率晶体管（Tr1）是电流控制元件，能够以数十kHz～数MHz的高频进行ON/OFF（开关驱动），将输入电压转换为所需电压并输出。在Tr1导通（ON）期间，电感（L1）被励磁，同时向负载供电。在Tr1关断（OFF）期间，L1试图继续使电流流动，L1中存储的电磁能量通过续流二极管D1进行换向。也就是说，即使在Tr1关断（OFF）期间，输出侧的电流也会继续流动。

输入电压和输出电压的压差加给了L1，电流在Tr1导通（ON）期间逐渐增大，在关断（OFF）期间减小。L1的电流波动会被输出电容器C1平滑滤波。最终，L1的电流平均值约等于输出电流值。图2为降压型DC-DC转换器的基本电路。

图2：降压型DC-DC转换器的基本电路

● 输出电压与PWM信号占空比之间的关系式

图3显示了电路各部分的电压与电流之间的关系。Tr1导通（ON）时的电感电流变化量∆IL由下面的公式表示：

其中，∆IL是Tr1导通（ON）时L1的电流变化量[A]，VIN是输入电压[V]，VOUT是输出电压[V]，L1是电感器L1的电感值［H］，ton是PWM信号的导通时间[s]。Tr1关断（OFF）时的电感电流变化量∆IL由下面的公式表示：

图3：降压型DC-DC转换器各部分的电压和电流

当输出电流恒定时，ON时和OFF时的电流变化量相同，因此上述两个公式的∆IL值相等。

由公式（2）和公式（3）可以得到关系式（4），即降压型DC-DC转换器的输出电压与“导通时间与开关周期之比（On duty）[%]”的关系式。

其中，toff是PWM信号的关断时间[s]。

● 通过反馈控制保持输出电压恒定

降压型DC-DC转换器会始终监控输出电压，并根据其波动改变PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）信号的占空比，以保持输出电压恒定。当负载电流增加、输出电压降低时，通过增加PWM信号的导通时间（即功率晶体管的ON时间），可增加从输入电源供给负载的电流量。

反之，当负载电流减少、输出电压上升时，通过缩短PWM信号的关断时间，可以减少从输入电源供给负载的电流量。

如图4所示，通过由产生恒定频率三角波或锯齿波的振荡器、根据基准电压和输出电压之间的电压差输出负反馈信号的误差放大器，以及对振荡器输出和负反馈信号进行比较的比较器组成的控制电路，可以生成具有适当占空比的开关信号。

图4：内置输出电压不波动的反馈控制电路的降压型DC-DC转换器

当输出电压波动、负反馈信号的电平发生变化时，根据与振荡器输出的比较结果，开关频率保持恒定，占空比变化来校正输出电压，最终使输出电压保持恒定。

标配3：通过MOSFET消除了VF损耗的“同步整流型DC-DC转换器”

● 续流二极管的损耗不小

在Tr1关断（OFF）期间，L1中存储的能量会通过D1释放出来。当电流流过D1时，会产生损耗，即通过“正向电压（V_F）与电流之积”求得的损耗。即便是低VF的肖特基势垒二极管（SBD），其损耗也有0.4～1.0V。例如，当流过1A的电流时，会产生0.4～1.0W的不小的损耗。

续流二极管即使在Tr1刚刚导通（ON）后也会产生损耗。在Tr1从OFF变为ON的短暂时间内，D1上的电压急剧地从正向切换到反向。此时，会有很大的尖峰电流流过二极管阳极和阴极之间的寄生电容。尽管尖峰电流流过的时间很短，但阴极被施加了与输入电压相等的高电压。在能够输出400V直流电的PFC后级的DC-DC转换器等器件中，会产生不容忽视的较大损耗。

目前主流的产品是用MOSFET取代了续流二极管的“同步整流型”产品，下面会进行介绍。

图5为同步整流型DC-DC转换器的电路。是用MOSFET取代了图4所示的普通DC-DC转换器中的续流二极管的产品。

图5：消除续流二极管损耗的同步整流型DC-DC转换器的基本电路

● 从高电压到低电压，DC-DC标配

在欧洲，对电源高次谐波的规定越来越严格，60W以上的开关稳压器越来越多地采用功率因数校正电路PFC（Power Factor Correction）。

在PFC的后级，隔离型DC-DC转换器“LLC电源”因在稳定的输入电压下发挥出高效率和低噪声性能优势，而得到广泛应用。

像LLC电源这样输入数百V高电压的降压型DC-DC转换器中，需要使用高耐压、高速的续流二极管。这类二极管的正向电压（V_F）很大，达2V以上，因此导通损耗也不小。

目前主流的是用MOSFET取代二极管进行续流的同步整流型产品。

也适用于大规模逻辑半导体的电源

对于超低电压电路来说，+0.6～+0.8V的VF是不容忽视的。而在逻辑规模大的FPGA和高端处理器所要求的+1.0～+1.8V、需要数A～数十A大电流的应用中，很早以前就开始采用同步整流型DC-DC转换器了。

这些低电压、大电流输出电源，由于安装在靠近FPGA和处理器芯片的电源引脚附近而被称为“POL（Point Of Load）电源”。

● 电路构成

仔细观察可以发现，同步整流型DC-DC转换器的电路构成与单端推挽式转换器相同，主开关Tr1称为“高边开关”，整流用的MOSFET称为“低边开关”。

使用专用控制IC，在电流流过续流二极管的时间点，会使MOSFET导通。在MOSFET导通期间，电流从源极流向漏极。

MOSFET的导通电阻很低，仅有数mΩ，因此其导通损耗要比二极管低得多。

标配4：可由1节电池产生3.3V或5V电压的“升压型DC-DC转换器”

● 是电池供电的移动设备不可或缺的器件

要用1节锂离子蓄电池（充满电时为4.2V）驱动5V或12V的电路，就必须使用升压型DC-DC转换器。图6为升压型DC-DC转换器的基本电路。

图6：升压型DC-DC转换器的基本电路

● 升压机制

开关Tr1、二极管D1、电感L1等构成产品的元器件与降压型DC-DC转换器相同，但连接方式不同。

当Tr1导通时，L1被励磁。当Tr1关断时，L1中积蓄的能量通过二极管被释放出来。L1输出的电流经由电容C1平滑滤波后，得到直流电压。

● 输出电压与PWM信号占空比之间的关系式

在Tr1导通期间，L1被施加输入电压。L1的电流变化量∆IL可通过公式(5)来表示：

其中，∆IL是Tr1导通时L1的电流变化量[A]，V_IN是输入电压[V]，L1是电感器的电感值[H]，ton是导通时间[s]。

当Tr1关断时，L1被施加输出电压和输入电压的压差V_OUT–V_IN。其表达式为公式(6)。L1的电流变化量∆IL可通过公式(6)来表示：

其中，toff是关断时间[s]。

在输出电流恒定期间，导通（ON）时和关断（OFF）时的电流变化量∆IL是相等的。

根据公式(5)和公式(6)，可以推导出升压型DC-DC转换器的输出电压与关断时间之比——Off duty的关系式(7)。

标配5：要构建100W以下的隔离型DC-DC转换器，就用“反激式转换器”

以商用交流电源作为输入的开关稳压器，会使用能够使输入端（初级侧）与输出端（次级侧）直流隔离，并将能量传输至负载的隔离型DC-DC转换器。隔离型DC-DC转换器的电路方式有两种，不同的电路方式电流流过初级和次级绕组的时序不同。

・反激式转换器
・正激式转换器

图7为反激式转换器的基本电路。在初级侧导通期间，能量被存储在变压器中。当关断初级侧时，能量从次级侧输出。这种电路方式被广泛应用于100W以下的容量较小的隔离型转换器。

图7：100W以下的中小容量隔离型转换器

在构建DC-DC转换器时，需要选择反激式转换器。在Tr1导通期间，能量储存在变压器中，在Tr1关断的时间点，能量被输出到次级侧。正激式转换器和反激式转换器的变压器次级绕组极性不同。

标配6：要构建100W以上的隔离型DC-DC转换器，就用“正激式转换器”

图8是正激式转换器的基本电路。电流流过变压器的初级侧（输入端）的同时，也会流过次级侧（输出端）。这种电路方式适用于高于100W的大容量电源。

图8：100W以上的大容量隔离型转换器

在构建DC-DC转换器时，需要选择正激式转换器。在电流流向变压器初级侧的时间点，被输出至变压器的次级侧。

标配7：将直流电转换为交流电的开关稳压器“逆变器”

逆变器是一种可将直流电转换为极性交替变化的交流电的开关稳压器。图9是基本电路。这是驱动电机的标配功率放大电路。

图9：逆变器输出电路的基本构成

当输出正信号时，使Tr1和Tr4导通（ON），使Tr2和Tr3关断（OFF）。当输出负信号时，使Tr2和Tr3导通（ON），使Tr1和Tr4关断（OFF）。用比输出的频率高数十～数百倍的高频率来驱动功率晶体管ON/OFF。

如图10所示，在输出电压极性交替的过零点附近，占空比减小；而在输出电压最大值附近，占空比变大。将这种脉冲信号平滑处理后，可以得到正弦波。图11是驱动三相无刷电机的逆变器电路。

图10：逆变器输出级功率晶体管的工作与正弦波输出之间的关系

图11：驱动三相无刷电机的逆变器电路

专栏：电源技术领域令人费解的术语

虽说只有“电源”两个字……

“电源”是电池和发电机等可以提取电能的装置。火力发电站、交流电源插座、干电池都是电源。

听到“电源”，有人会想到“电源电路”，有人会想到“电源单元”，有人会想到“电源模块”，具体因人而异。

虽然“DC-DC转换器”只是“将直流电转换为直流电的产品”，不过通常指的是“进行开关工作的稳压器”，而以线性工作的DC-DC转换器则被称为“线性稳压器”。

电源领域的术语很多情况下不是按字面意思使用的，针对同一个词，工程师A先生想到的“电路”，销售B先生可能会想到“AC插座”。

电源电路

电源电路是将作为电能来源的电池和发电机所输出的不稳定电压和电流转换为可以使电子电路和电子产品（例如电机）正常运行所需的电压和电流的电路。

稳压器

将波动的输入电压转换为波动较小的稳定电压的电源电路称为“稳压器”或“稳压电源电路”。内置负反馈电路，可检测出输出电压的波动，用放大器将与基准电压之间的差值放大并返回至输入。

线性稳压器

使电流控制元件——功率晶体管在非饱和区域连续工作的稳压器称为“线性稳压器”。

开关稳压器

将电流控制元件——功率晶体管驱动至饱和区域以使其进行ON/OFF工作的稳压器称为“开关稳压器”。通常是指将100V～240V的商用电源作为输入，生成24V或12V等总线电源的电路或单元，多数产品具有隔离功能。

DC/DC转换器

将输入的直流电压A转换为不同大小的直流电压B并输出的稳压器称为“DC-DC转换器”。指的是执行常规开关工作的产品。将较高的直流电压转换为较低的直流电压的稳压器称为“降压型DC-DC转换器”，将较低的直流电压转换为较高的直流电压的稳压器称为“升压型DC-DC转换器”。DC-DC转换器是开关稳压器的一种。一般而言，DC-DC转换器多指将24V总线电压转换为5V、或将蓄电池的1.2V电压转换为3.3V电压的这类车载中小容量产品。另外，只是说“DC-DC转换器”时，通常指的是非隔离型转换器。

半桥电路的高边驱动用和PFC后级的总线电源生成用的LLC电源，会使用内置变压器的隔离型DC-DC转换器。

逆变器

将直流电转换为交流电的电源电路称为“逆变器”。专门驱动电机的逆变器也有“电机逆变器”等称呼。提到“逆变器”，通常指的是进行开关工作（D类工作）的电路。