【案例分享】入门电源必懂：电阻分压、稳压管、线性稳压器与BUCK变换器的联系

本帖最后由 Nancyfans 于 2019-8-21 15:52 编辑

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电阻分压就是BUCK降压器最基本的原理!惊讶吧!
如果有一个10V的电压，要想得到5V的电压，怎么办?非常简单，用二个阻值相同的电阻R1、R2串联起来，从接地电阻R2上取电压，就直接得到5V电压。
图1：串联电阻分压
如果给这个电压加负载，二个串联电阻的阻值为1K，负载电阻为1K，那么得到的电压只有3.33V，因此这个电压不具有加载能力，不能作为稳定的电源给负载供电。
稳压管具有稳压的能力，如果将电路中的R2换成5V稳压管，稳压管两端就可以输出稳定的5V电压，这个电压具有一定的加载能力。串联电阻R1的取值范围由稳压管的最小工作电流(稳压)和最大工作电流(最大功率损耗)来决定。输入电压变化时，输入电压和输出电压的压差由R1来承担，因此R1也称之为调整电阻。
串联稳压管电路中，调整电阻位于主电流回路，因此不能通过大的负载电流，输出负载电流范围非常小。为了扩大输出负载电流的范围，那么，是否可以用某种方式，将调整电阻移出主电流回路，也就是将主电流(负载电流)回路和基准稳压电路分开，同时用基准稳压电路去控制输出电压呢?
图2：线性稳压器
三极管工作在放大区时，基极可以控制集电极的电流，同时基极和集电极回路是独立分开的，如果将三极管插入到串联稳压管电路中，集电极、发射极构成主电流(负载电流)通路，基准稳压电路连接到基极，就得到了线性稳压器的基本结构，如图2所示。若稳压管为5V，输出电压为：5-0.7=4.3V。输入电压变化时，输入电压和输出电压的压差都由工作在放大区三极管承担，因此这个三极管也称之为调整管。
稳压管作基准电压，精度差、温漂和噪声大，输出电压设置的灵活性较差，如果将稳压管换成精度高、温漂和噪声小的带隙基准，输出电压通过运放进行反馈控制，同时加入过流、过温、过压、欠压等一些保护功能，就构成了常用的三端线性稳压器，如LM7805、LM7812等。
图3：三端线性稳压器
通用的三端线性稳压器输入电压和输出电压的压差必须大于2V以上才能正常工作，优化电路使输入电压和输出电压的压差低于2V时也能正常工作，这种三端线性稳压器称为低压差三端线性稳压器，即LDO，甚至还有超低压差的三端线性稳压器。
线性稳压器的调整管工作在放大区，功耗由输入和输出电压的压差以及负载电流决定：Ploss=(Vin-Vo)·Io，功耗非常大。三极管工作特性有三个工作区：放大区、截止区和饱和区。截止区不导通，几乎没有损耗;饱和区压降低，导通损耗非常小。如果让线性稳压器的调整管工作在开关状态，也就是在截止区、饱和区来回高频切换工作，就避免了放大区工作损耗非常大的问题。

图4：调整管工作在开关状态
阻性负载的高频切换电压波形为脉冲方波，脉冲方波的平均值为输出电压值，也就是：
Vo=Vaverage=Vin·ton/Ts=Vin·D
D=ton/Ts，为占空比。工作频率固定时，调整三极管的导通时间，就可以调节输出电压的大小，从而使脉冲方波电压的平均值满足设定的要求。
电压脉冲方波的幅值为输入电压，同时电流也是脉冲方波，这样的电压和电流波形不能直接给负载供电。稳定的电源输出电压恒定，当输出负载稳定时，输出直流电流也固定不变。
电感具有平滑电流的滤波能力，将电感插入在三极管的发射极和输出负载之间，就可以将脉冲电流过滤成相对平滑的直流电流。
电容具有平滑电压的滤波能力，输出端再并联电容，平滑脉冲电压，就可以得到稳定的直流输出电压。
脉冲电压和脉冲电流波形，通过LC滤波器，就可以得到相对平滑、稳定的直流电压和直流电流，从而给负载安全稳定的供电。
图5：电感平滑脉冲电流，电容平滑脉冲电压
三极管导通时，输入端、电感和输出端构成电流通路;三极管关断时，由于电感要维持原来的电流，这样就没有续流回路，会产生应用问题。
图6：电感电流路
电感和输出端直接相连，不可能再加入续流回路，因此只能在电感和三极管的连接端加入续流回路。
续流回路另一端可能的连接点只有输入端和地，电感已经通过三极管连接到输入端，因此，续流回路另一端也就只能连接到地。
图7：电感续流回路
在电感和地之间加一个具有单向导电特性的二极管，就可以保证三极管开通时不影响其工作，同时，在三极管关断时给电感提供续流的回路。这样，就构成了基本的高频开关降压变换器主电路，也就是BUCK变换器主电路。
功率MOSFET工作频率更高、驱动简单，取代了三极管作为开关管;续流的二极管的导通压降高、损耗大、效率低，用功率MOSFET取代续流二极管，就构成同步BUCK变换器，而下端使用二极管续流的结构称为非同步BUCK变换器。
图8：同步和非同步BUCK变换器
同步BUCK变换器更简单记忆方法：半桥电路加LC滤波器，就组成了同步BUCK变换器。
图9：半桥电路加LC滤波器组成同步BUCK变换器
输出电压加入反馈调节，同时加入过流、过温、过压、欠压、软起动等一些保护功能去控制BUCK变换器主电路，就构成了BUCK变换器的控制芯片。如果将上端的功率MOSFET、下端续流功率MOSFET或二极管也集成到芯片里面，就构成了单芯片BUCK变换器。
BUCK降压变换器将高的输入电压转化为低的输出电压，就必须将输入电压斩波，然后取平均，因此，主开关管串联在输入端。或者说，输入电压、输出电压的压差必须要由有源元件吃掉，因此，主开关管必须连接到输入端和输出端之间。
开关管和输出端之间插入滤波电感，平滑脉冲电流，因此电感连接在输出端。
电感和地之间插入续流二极管，开关管关断时为电感电流续流，就构成了基本的BUCK降压变换器主电路。
从分压电阻、稳压管、调整管、开关工作，到插入滤波电感和续流二极管，一步步演进到BUCK降压变换器主电路，BUCK降压变换器的结构非常容易记住了吧，工作原理的理解也自然水到渠成。
看完文章，从分压电阻开始，一步步将图画一遍，以后，它就是你的。