助力通关硬件开发基础面专刊<3/30>--第二章电源---线性电源与开关电源

第二章电源

2.1 线性电源与开关电源

2.1.1线性电源原理、组成及由来

【考点映射】
》》》LDO是什么电源？有哪些组成成分？
》》》能画出LDO的框图吗？讲述下LDO的工作原理。
》》》写出输出电压的表达式
》》》LDO为什么被称为线性电源？
【出现频度】⭐⭐⭐⭐⭐
【难度】★★
【参考答案】
线性电源的典型代表是LDO（一般线性电源默认指LDO），Low Drop Output低压差输出。

LDO最基础的组成部分：调整管、基准电压电路、采样电路和比较放大电路，其常见画法如下图：

工作原理： $U_{I}$ 为输入电压，经调整管T降压后输出 $U_{o}$ 。R1、R2和R3构成采样电路(分压电路)，从R2采样电压值并反馈输入到比较放大器的反相端。基准电压电路产生一个高精度恒压源，并输入到放大器的同相端。比较放大器对同相端和反相端的电压差值进行放大，其输出电压用于控制调整管，从而改变其工作点，当环路达到稳定状态时，比较放大器的同相端与反相端近似相等（“虚短”）。其输出电压范围如下式：
$图片说明$

"线性"由来：LDO通过调整调整管的工作点来实现稳压。该调整管总是处于线性放大区，而且也只有当它工作于线性放大区时，才可以实现稳压功能。所谓的“线性电源”，实际上就是指调整管工作于线性区的电源。

【知识点延申】
LDO的电压输出电压是不变的吗？
严格上来说，LDO的输出电压会随着负载或者输入电压的改变而发生变化，但是由于比较放大器的增益非常大，只要输出电压稍微变化，然后利用误差放大器极高的增益，就可以使调整管的输入偏置获得足够大的变化量，从而改变调整管的工作点，进而使LDO的输出电压保持恒定，因此我们可以认为LDO的输出电压是基本不变的

2.1.2开关电源原理及“开关”的由来

【考点映射】
》》》开关电源为什么被称作开关电源？
》》》LDO电源的效率比较低，哪种电源效率高些？
【出现频度】⭐⭐
【难度】★★
【参考答案】
开关电源的组成部分，相比LDO，细节上主要多了振荡器和PWM比较器两个模块（即调整管的驱动方式存在差异）。至于电路架构和控制原理就比较类似了。其简化的原理框图如下图：
图片说明

"开关"由来（开关电源效率高的原因）：上面讲到LDO中的调整管工作在线性放大区，处于放大状态，功耗比较大，效率较低。如果调整管工作在开关状态，那么当其截止时，电流很小，管耗很小；当其饱和时，因管压降很小，管耗很小。这可以提高电路的效率。开关电源的调整管正是工作在开关状态，并因此而得名。

2.1.3开关电源的三种拓扑及工作原理

【考点映射】
》》》开关电源主要有哪些拓扑?
》》》能否画一下Buck电路（或者其中一个或全部拓扑）？描述下工作原理
》》》写出这些拓扑输出电压的表达式
》》》哪一个拓扑能实现反极性变化？
【出现频度】⭐⭐⭐⭐⭐
【难度】★★★
【参考答案】
开关电源主要的拓扑有：降压电路（Buck）、升压电路（Boost）和升降压电路（Buck-Boost）⭐⭐⭐⭐⭐

其中升降压电路相对特殊，能够实现反极性变换（正电压输出负电压，负电压输出正电压），既能够升压又能降压（指电压幅值）⭐⭐⭐⭐⭐

三种拓扑、工作原理及输出电压表达式，如下：
BUCK电路：Buck电路拓扑图如下图：（三种拓扑里面最重要的也是最常见的）⭐⭐⭐⭐⭐⭐

PS（一般只需画出图（a），这里的图（b）、（c）在面试中可以不用画出来，下面两个拓扑也一样）

工作原理：当UB为高电平时，T饱和导通，D因承受反压而截止，等效电路如图（b）所示，电流如图中所标注；电感L存储能量，电容C充电；发射极电位Ue=UI-Uces，近似为UI。当UB为低电平时，T截止，此时虽然发射极电流为零，但是L释放能量，其感应电动势使D导通，等效电路如图（c）所示；与此同时，C放电，负载电流方向不变，Ue=-UD，近似为0。
公式为： $图片说明$
即 $图片说明$ （D为占空比，即Ton/T）
由公式可知，改变占空比就可以改变输出电压的大小

各点波形如下图：⭐⭐⭐

Boost电路：Boost电路拓扑图如下图：⭐⭐⭐⭐⭐

工作原理：当UB为高电平时，T饱和导通，UI通过T给电感L充电储能，充电电流几乎线性增大；D因承受反压而截止；滤波电容C对负载电阻放电，等效电路如图（b）所示，各部分电流如图中所标注。当UB为低电平时，T截止，L产生感生电动势，其方向阻止电流的变化，因而与UI同方向，两个电压相加后通过二极管D对C充电，等效电路如图（c）所示。因此，无论T和D的状态如何，负载电流方向始终不变。
公式： $图片说明$