Buck电路讲解

降压电路在电子产品里面应为的非常的多，降压就是把一个高的电压变成一个我们可以用的低电压。能实现这种降压的电路有很多种，其中就有线性的电源，如果输入与输出相差不大也可以直接用三端实现，但是如果是功率比较大，效率就非常的低，为了解决效率高的问题，对于功率比较大的都用开关电源，对开关电源的降压电路就是下面的电路了，

开关电源降压就是通过控制MOS管的开与关实现的，那么对应MOS开通的时候二极管相当于断开，MOS管饱和导通，那么MOS管上面有一个Rds-on串联在整个回路里面，那电感上面的电压就是VL=Vin-Vo-VRds-on 因为Rds-on的电阻都比较小，所以我们可以忽略

电感两端加上电压后，电感电流线性上升.MOS管开通的的时间是Ton=D×T ，T是开通周期，

当开关管开通到一定时间后，MOS管需要关断，如果一直开通的Vo一定会等于Vin，这就没有实现降压的效果，当MOS管关断的时候，电感电压会反向，电流开始下降，那么这个回路是二极管导通，就像下面的图一样。

在MOS管开通的时为on，MOS管关断的时候为off，我们既然知道了电感的平均电流等于Io，我们只有设定好纹波电流就可以计算出来电感量。下面是计算公式

Buckboost电路讲解

当输入电压高与输出电的时候，用一个buck电路来实现，控制开关管的开通时间就可以说实现了想要的输出电压了。但是Buck电路一定要是输入大于输出的电压，也就是指输入电压变化范围内电压一直要大于输出电压才可以。

如果输出电压比输入电压高的时候，就会用到下面的升压电路了，可以把输入低压升高到想要的电压。升压电压电路也是一样，是要输出电压在整个输入电压变化范围内都要高与输入电压，如果输入电压高与输出的会导致输入与输出直通了。

Buck是要求输入电压大于输出电压，Boost是要求输出电压大于输入电压，如果有一个输出电压在输入电压的变化范围内，也就是说有一部分是输出电压大于输入电压，有一部分是输出电压低于输入电压，还会有等于输入电压的时候，当出现这种现象的时候，我们不能用buck也不能用boost电路，两个电路都有一部分不能实现，当然可以用两个并联去做，当输入电压低的时候用升压，当输入电压高的时候用Buck电路，也可以实现，但是这个控制太难把握了，当输入相等的时候，如果出现一定扰动就很难去控制了，但是我们串联起来用会怎么样了，下面我看下把buck与boost串联起来应用的图。

上面的图能实现升降压的功能，就是先把输入电压降下来然后在去升压，控制方式就是控制两个MOS管同时开通与关断就可以实现了，因为当Q1开通的时候，输出电压与输入的关系是，当占空比的变小输出电压变小，占空比变大的时候输入电压变大，而Q2是开通是升压，对于升压的输入电压就是buck的输出电压了，升压电路的输出电压与输入电压关系就是，从公式中我们看的出当输入电压不变，占空比变大的时候，输出电压变大，当占空比变小的时候，输出电压变小，

与buck电路是一样的单调性，这样我们就可以控制两个开关管同时开与同时关，就能实现升降的功能了。但是我们看图上的元器件比较多，是不是可以减少些，我们知道升压电路的输入可以是一个变化的电压，既然可以是变化的电压，那能不能把C1去除，其实是可以的，因为buck电路里面只有电感足够的大可以不用加C1电容，只是纹波电压大点，但是后面还有L2与C2滤波，所以没有关系。

当去除电容C1的时候，L1与L2就是串联了，所以L1与L2可以合并成一个。变成了下面的电路

我们首先来看下开通的回路是Vin→Q1→L→Q2在回到了电源的负，整个回路与输出没有关系。

当开关管关断的时候的电流回路是L→D2→负载→D1，当D1导通的时候电感的一端被钳位到了输出的地了（忽略了二极管压降）。整个回路与输入是没有关系。

从上面的图上看到啊，当MOS管关断的时候，因为有MOS管Q1，所以不管输入大于输出，都不会有输入电压参与输出的回路，而且当MOS管关断的时候，二极管D1导通了，等于电感被钳位到了地上面，根据上面的图，如果我想要在减少元器件的话，可以让开通的回路与关断的回路不再共地就可以了。

如下图所示，这样只是输出与输入的的正负极反了下，这就实现了与我们的降压电路或是升压电路一样的元器件。只有一个开关管，一个二极管，一个存能电感。

反激电解电容的选择

开关电源的输出都有电容，大部分都是用的电解电容，电解电容的选择一般是根据器耐压，纹波电流，纹波电压等来选择的，但是其容值的现在大部分都是根据经验值去选择，今天我来讲下反激DCM模式的电解电容选择。

首先电压的的选择是非常简单的额，一般是根据输出的电压的值，当然再要考虑过压的电压值，一般比输出过压值要高1.2倍。

容值的选择首先是要根据去纹波电压来现在，我们知道电容的充放电的过程都会有纹波电压的产生，除此之外电解电容不是一个理想的电容，它有ESR，ESL等串联在电解的上面，高频的纹波电流会产生纹波电压，这个纹波电压还不小，所以实际的计算的时候是要考虑，

并且电解电容的寿命是根据电容的温度有关系的额，但是我们的知道，电解电容的寿命与有效值纹波电流有关系。

根据上面的图，首先要分析电解电容上面的几个电流，IL是二极管导通后变压器的电流，Io就是输出负载的电流，Ic的是电容上面的电流，但是电容是有充电电流Ic还有放电电流-Ic，对于一个稳定了的电源电解电容上面的充电电流与放电电流应该是相等的，如果充电电流大于放电电流，输出电压肯定会升高，要是充电电流小于放电电流的输出电压会下降。

所以稳定的时候电容上面的充电电流与放电电流是相对的。

那么具体的看下面的图，下图中的Isp是副边变压器的最大电流，是原边最大电流Ip通过匝比折算来的，Isp=n×Ip，n是原边与副边的匝比.on为原边导通，off是原边关断

从上面的图上可以看出：

1、当原边导通的时候，输出的电流Io都是由电解电容提供。

2、 当原边关断的时候，绕组上面的电流最导通值Isp是大于输出Io，这个时候输出的电流是由变压器     IL提供，同时电解电容上面也有充电。

3、当变压的电流小于Io的时候，输出的电流一部分是变压器提供，一部分是电解电容提供。

电容的充电与放电一定会因为电容的电压有变化，充电的时候 一定是从最低充开始，当绕组电流等于输出电流的时候，电容的纹波电压是最大值，然后就是放电，一直放到下一场二极管导通为止，这个是电容的纹波电压是最低的。

那么电容的充放电引起的纹波电流的计算是怎么样的了，充电的整个过程就是电容上面的纹波电压由最低到最高的过程，所以只有知道充电时间就可以求出纹波电压了。

首先需要求出来给电容充电的时间就是二极管的电流大于输出电流的整个时间，

mos管的热阻讲解

电子产品里面半导体器件是非常常见的，半导体器件的应用是会产生热量的，比如说我们的手机芯片在玩游戏的时候发热比较厉害，如果温度高了手机可能会死机等，为了不让手机死机，工程师们就只能解决功耗与扇热的问题，那么功耗与散热的问题就需要关注一个叫热阻的东西。经常查看半导体的规格书的时候，几乎都会有关于热阻的参数，经常看到的是Rja，Rjc，Rjb这三个参数，对于这三个参数很多人都搞不清楚，在实际运用中不知道用那一个参数来计算。

首先我们先来了解几个基本概念。

Ta（Temperature Ambient）环境温度

Tc（Temperature Case ）  外壳温度

Tj（Temperature Junction） 结点温度

Ta 环境温度就是指开关管的周围环境温度，一般规格书里面给出来的都是25℃一个我们的电子产品里面经常会用到的室温环境温度。

Tc 外壳温度就是指半导体器件的封装表面的温度，而对于MOSFET我们经常看到有塑封与铁封的封装，如果是铁封的封装这个TC一般都是指可以靠散热器的一面金属片上的温度，这个温度一般我们都能测试到。

Tj 结点温度是指半导体的内部晶圆的温度。

规格书上的Rja、Rjc、Rjb的概念。

Rja是指半导体晶圆到环境的总热阻，就是结点到环境温度的热阻

Rjc是指半导体晶圆到外壳的的热阻。

Rjb是指半导体晶圆到PCB的总热阻。

知道Rja，Rjc，Rjb的概念后，在实际的应用中就知道怎么去应用了，对于开关电源中的半导体比如二极管，三极管，MOSFET等通过电流就会有损耗产生，有损耗产生就会发热，热量是由晶圆内部向外传导的，晶圆的温度是最高的，所以功率半导体器件经常要去计算最大温度，因为晶圆温度是不能超过最大的结点温度，一般半导体的结点温度在规格书里面会给出来是150℃。那么不同封装的半导体计算时用的不一样，比如To-220封装的MOS管，如果不用散热器的情况，就是晶圆通过外壳向周围的空气散热，所以计算温度的时候就用Rja，计算公式是Ta=Tj-P×Rja，

如果MOS管的总损耗是知道，那就能计算出晶圆的温度是多少，比如Rja 是62℃/W  如果损耗是1.2W 环境温度是65℃，那么MOSFET的结温是多就可以计算出来了，Tj=Ta+P×Rja=65℃+1.2×62℃/W=139.4℃

反过来结温是不能超150℃，如果最大环境温度是65℃，没有加散热器的情况，Rja=62℃/W

MOS管上的最大损耗  P≤（Tj-Ta）/Rja=1.37W, 通过计算最大损耗不能超过1.37W。

如果是加散热器的要分两种情况：

1、加的散热器非常大并且接触足够良好接触热阻非常小可以忽略，Tj=Tc+P×Rjc 那么这个时候的TC就是半导体的外壳表面的温度。

Rjc=0.6℃/W，如果测试外壳温度是25℃，那么最大的功率P=（Tj-Ta）/Rjc= (150-25)/0.6=208W，这个在规格书里面有标注最大功率就是这样计算出来的。

下面我们来看降额曲线图

我们看降额曲线图，外壳温度在25℃以上功率就开始降额了，这个降额曲线图是根据最大结温150℃与Rjc与外壳表面温度Tc的关系，最大功率是208W  Rjc是0.6℃/W  

降额曲线图的公式  P=（Tj-Tc）/Rjc  Ta≥25℃  ，P=Pmax  Tc＜25℃。

2、加了散热器但是散热器是有限的情况，并且接触MOSFET与散热器接触是有热阻的情况，这种情况下  Tj=Ta+P×(Rjc+Rcs+Rsa)  ,这里的Rcs 是指MOS管与散热器接触的热阻，Rsa是散热器对环境温度热阻。而实际用于中我们经常是散热器有限，接触的时候经常是有绝缘片的，所以我们在高温里面测试开关管的温度的时候，经常是要求最高温度在120℃-130℃，因为这里Rjc+Rcs+Rcs＞0.6℃W的原因。如果表面温度高了，里面的结温就会超过150℃。

开关电源反馈光耦的选择

光耦在开关电源中应用非常的常见，它是起到一个原副边的信号传输，并且能有效隔离原副边的元器件，当然能传递信号并且有隔离作用的元器件很多，但光耦是一个价格便宜并且外围电路简单的特点，因为要隔离原副边，所以一般开关电源中的光耦的耐压是要选择5000V（有效值）。

光耦首先是分线性光耦与非线性光耦，在我们开关电源中做反馈用的光耦是线性光耦，比如PC817,对于PC817的话，有A档、B档、C档、D档之分

这些档位其实是根据CTR(传输比)来分类的。

CTR是描述光耦控制特性的参数，也就是副边的Ic电流与原边的输入IF电流的百分比。

具体的参数见下面的表格：

从上面的表格来看，每一个档位的CTR都是在一定范围内的，比如A档是80%-160%，这个范围的变化是根据不同的IF电流所得来的，根据PC817A的规格书，我们能看到一个关于IF电流与传输比的曲线图。他的传输比是随电流IF变化而变化的,最大的传输比是在10-20mA之间的电流，而开关电源的反馈电流一般是非常小的。一般都是在1-2mA之内。

那么我们在设计开关电源的时候要先确定好光耦IC的电流，一般IC电流是芯片的FB脚所能流出的最大电流，下面我们来实际计算下。

如下面的图，典型的TL431+PC817 的应用图。

光耦的CTR与R1、R2、R3怎么去选取。

首先要确定好Fb脚的最大的IC电流，假设IC最大电流是1mA，Vo是5V，因为光耦的发光二极的Vf压降一般是1-1.4V之间，R3的作用是在光耦没有导通的时候需要给TL431提供一个1mA的启动电流，所以R3的电阻的选取是Vf除TL431的启动电流  1V÷1mA=1K，当Fb脚需要流过最大电流的时候，光耦原边二极管上面需要的电流If就是IC/CTR=If，那么这里的CTR是一个范围，而不是一个非常准确的数字，比如我们用PC817A，CTR是80%-160%，所以说在计算的时候要用最小的CTR  80%去计算。

根据传输比的定义CTR= Ic÷If，If=IC÷CTR=1mA÷80%=1.25mA，又因为光耦的传输比 80%与160%是在25℃环境温度下的参数，而光耦在不同温度下面CTR是变化的，看下面温度与传输比的曲线图，当光耦温度到100℃的时候CTR只有原来的60%，也就是25℃的时候CTR是80%，到100℃的时候变成了80%×60%=48%。

那么根据最高温度100℃的传输比来计算上面的If=IC÷CTR=1mA÷48%≈2.1mA了，在实际计算的时候还要流有一定的余量，所以根据上面的计算的话，我们If电流要大于2.1mA，一般是计算值的1.3-1.5倍电流就可以了，我们假设1.3倍的电流，2.1mA×1.3=2.73mA。

根据上面的计算，我们光耦的原边的电流最大是2.73mA，然后我们在去看光耦在100℃下面的最大If电流，如果下面的图，光耦在100℃的时候最大的If是18mA，我们实际最大电流是小于3mA，留有非常大的余量。那么因为光衰引起的问题完全可以不用去考虑。

那么R2=（5-2.5-1.4）÷（2.73+1）=295Ω，所以我们实际取值的时候可以取240Ω。