【导读】开关电源功率电路有五个基本元件：开关，二极管，电容，电感，变压器。本文为大家详细介绍电源系统设计指标、开关电源的基本分析及其拓朴结构。
概述
一. 理想直流变换器应有的参数性能
1. 输入输出端的电压均为平滑的直流电压，无交流谐波的分量
2. 输出阻抗为零
3. 快速动态响应，抑制能力强
4. 高效率，小型化
二. 常用的DC/DC电源方案
1. 线性电源。主要应用于对发热和效率要求不高的应用场合，线性电源的效率通常在35% to 50%之间
2. 脉宽调制（PWM）开关电源。在使用时具有比线性电源更高的效率和灵活性
3. 高效率的谐振开关电源。由基本的PWM开关电源演变而来，主要应用于高效率和对电磁干扰有特别要求的场合
电源系统设计指标
输入电压
Vin(nom)：产品的正常输入电压
Vin(max)：产品的最高输入电压
Vin(min)：产品的最低输入电压
频率：直流，50，60，400Hz等
浪涌电压：输入电压超出Vin(max)的时间段，电源必须能够承受这个浪涌电压，正常工作
瞬态电压：具有很高的电压尖峰（包括正与负尖峰），这是输入电源系统的特征
输入电流
Iin(max)：最大平均输入电流。它的最大极限值可以由安全管理机构来定义。
输出电压
Vout(rated)：额定输出电压（理想输出电压）
Vout(min)：保证负载不被切断的最小输出电压。
Vout(max)：保证负载线路正常运行的最大输出电压。
Vout(abs)：负载遭到破坏时的极限电压。
电压纹波：这是峰-峰值电压，它的频率和大小应该能被负载所接受
输出电流
Iout(retad)：额定输出电流。
Iout(min)：在正常运行情况下，最小的输出电流。
Iout(max)：负载的瞬态承受的输出电流。
Isc：负载短路时的最大极限电流。
动态负载响应时间
当加上阶跃负载时，电源系统响应需要的时间
电压调整率
输入电压变化时，输出电压的变化率，即：
电压调整率=（最高输出电压-最低输出电压）/额定输出电压X100%
负载调整率
负载电流从半载到额定负载时，输出电压的变化率，即：
负载调整率=（满载时输出电压-半载时输出电压）/额定负载时输出电压X100%
总效率
这将决定系统有多少热量产生，以及在结构设计时是否应考虑采用散热片。
总效率=输出功率/输入功率X100%
开关电源的基本分析
开关电源的基本元件：
电容的基本方程
1. 当一电流流经电容, 电容两端的电压逐渐增加, 并且电容量越大电壓增加越慢。
2. 在稳态工作的开关电源中流经电容的电流对时间的积分为零。
电感的基本方程
1. 当一电感突然加上一个电压时, 其中的电流逐渐增加, 并且电感量越大电流增加越慢。
2. 当一电感上的电流突然中断, 在其两端会产生一瞬时高压, 并且电感量越大该电压越高。
电感的伏秒平衡原则：
伏秒平衡原则：在稳态工作的开关电源中电感两端的正伏秒值等于负伏秒值。
分析开关电源中电容和电感的几条原则：
1. 电容两端的电压不能突变(当电容足够大时,可认为其电压不变)。
2. 电感中的电流不能突变(当电感足够大时,可认为其电流恒定不变)。
3. 流经电容的电流平均值在一个开关周期内为零。
4. 电感两端的伏秒积在一个开关周期内必须平衡。
两个有用的公式：
开关电源的拓朴结构
三种基本的非隔离开关电源
BUCK电路工作原理分析
根据L的伏秒平衡原则：
根据L在1-D时间的基本方程：
BUCK电路的工作可以看作是一个机械飞轮和单活塞发动机。电路的LC滤波器就是飞轮，存储从驱动器输出的脉冲功率。LC滤波器（扼流输入滤波器）的输入就是经过斩波以后的电压。LC滤波器平均了占空比调制的脉冲电压。LC滤波器的作用可用以下公式表示：
Vout=Vin*D
通过控制电路改变占空比，即可保持输出电压的恒定。BUCK变换器之所以被称为降压式变换器，是因为它的输出电压必定低于输入电压。
我们可以把BUCK电路的工作过程分成两个阶段，当开关导通时，输入电压加到LC滤波器的输入端，电感上的电流以固定斜率线性上升。电感上的电流用下面公式描述：
IL(on)=((Vin-Vout)/Lo)*Ton + Imin
在这个阶段，存储在电感上的能量为：
输入的能量就存储在电感铁心材料的磁通中。
当开关断开时，由于电感上的电流不能突变，电感电流就通过二极管D续流，该二极管称为续流二极管，这样就实现了对原先流过开关管电流的续流，同时电感中存储的一部份能量向负载释放。续流电流环包括：二极管，电感，负载。在这阶段流过电感上的电流用下式描述：
IL(off)=Ipk-(VoutToff/Lo)
在这阶段，电流波形是一条斜率为负的斜线，斜率为-Vout/Lo。当开关再次导通时，二极管迅速关断，电流从输入电源和开关管流过。在开关导通前瞬间，电感上的电流Imin就是开关管通过的初始电流。
BUCK电路的输入输出关系
升压变换器与BUCK变换器有着相同的组成部份，只是它们的位置被重新布置了一下。新的布局使变换器与正激式变换器的工作过程完全不同。在这种情况下，开关管导通时，电流环路仅在包括电感，开关管和输入电压源。在这段时间中，二极管是反向阻断的。电感电流波形也是以固定斜率上升，可用下式描述：
iL(Ton)=Vin*Ton/L
在这个阶段，能量存储在电感鐵心的磁通中，开关管关断时，由于电感中的电流不能突变，于是二极管立刻正向导通。这时，电感与开关相连端的电压被输出电压钳位，这个电压被称作反激电压，其幅值是输出电压加上二极管的正向压降，在开关管关断这段时间里，电感上的电流用下式表示：
iL(Toff)=Ipk-((Vout-Vin)*Toff/L)
如果在下个周期之前，铁心中的磁通完全为零，就称电路工作在电流断续模式。如果铁心中的磁通没有完全降为零，还有一部分磁通，就称电路工作在电流连续模式。通常升压式变换器通常工作在电流断续模式。
BOOST变换器工作在电流断续模式下，存储在电感中的能量为：
Estored=½ LIpk^2
单位时间内，传输的能量必须满足负载连续功率消耗的需求，这就意味着开关管导通期间，存储的能量要足够大，即电流峰值Ipk要满足以下要求：
Pload<Pout=Fop*½ LIpk^2(Fop是变换器的开关频率）
BOOST电路的输入输出关系
BUCK-BOOST电路的工作原理分析
BUCK-BOOST输入输出关系
功率半导体器件重要参数的最小值
开关电源小结
开关电源功率电路的五个基本元件：开关，二极管，电容，电感，变压器
开关电源功率电路分析要点
1. 电容的电压不能突变, 电感的电流不能突变
2. 流经电容的电流平均值为零, 电感两端电压的平均值为零
3. 理想变压器电压与匝数成比且同名同极性, 电流与匝数成反比且点进点出
4. 电容恒流充电的公式为C * ΔU = I *T, 电感恒压储能的公式为L * ΔI = U *T
5. 变压器与电感的伏秒积必须平衡
