線性電源VS開關(guān)電源，為何內(nèi)部結(jié)構(gòu)如此相像？

這一經(jīng)典篇章是博主Dave Jones早期關(guān)于線性電源VS開關(guān)電源的基礎(chǔ)教學(xué)，一起來瞧瞧吧！ 

“這次我們要講的是開關(guān)電源（SMPS）。為什么呢？因為我總聽人說初學(xué)者很害怕開關(guān)電源，覺得它們很難懂、太復(fù)雜，而且和線性穩(wěn)壓器完全不同。大家都覺得線性穩(wěn)壓器容易得多，而開關(guān)電源的工作原理太難理解，讓人望而生畏。我認(rèn)為這種觀念是不對的，因為如果你仔細(xì)研究就會發(fā)現(xiàn)，開關(guān)電源和線性電源其實差不多。我知道這聽起來可能有點瘋狂，但相信我，它們的差別真的沒那么大，接下來我就告訴你們原因。”

Dave Jones邊說邊掏出了他那塊經(jīng)典的小白板，開始了今天的教學(xué)：對于初學(xué)者來說，典型的線性電源通常是非常簡單的三端器件，有輸入和輸出，例如7805能把9V電壓降到5V，使用和理解都很容易，外加幾個濾波電容即可。而開關(guān)電源則復(fù)雜得多，元件也多：一個神秘的“黑盒子”周圍有二極管、電感、電容、輸出采樣電阻以及其他采樣和補(bǔ)償元件。

此后，他話鋒一轉(zhuǎn)：“但說到底，開關(guān)電源和線性電源本質(zhì)上到底有多大區(qū)別呢？很高興你們會問這個問題。讓我們一探究竟。因為如果你真正去看這些‘盒子’里面的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它們其實幾乎沒有區(qū)別。雖然它們的工作模式不同，但電路結(jié)構(gòu)非常相似。我們來看看。”說著，Dave Jones就對下圖中那兩個打紅叉的模塊進(jìn)行了“開盒”分析。 

Dave Jones講解了線性穩(wěn)壓器內(nèi)部，例如7805這樣的三端器件。它的電路非常簡單：包含一個NPN串聯(lián)調(diào)整管、一個運放、一個基準(zhǔn)電壓源，以及兩個用于反饋的分壓電阻。這就是一個完整的傳統(tǒng)三端線性穩(wěn)壓器。像7805這種芯片，這些電阻是內(nèi)置的，用來固定輸出電壓；而像LM317這樣的可調(diào)線性穩(wěn)壓器，這些電阻放在芯片外部，并帶有一個反饋引腳（FB），但工作原理完全相同。所以LM317和7805本質(zhì)上沒有區(qū)別。至于它的工作原理，基本原則非常簡單，這里就是一個負(fù)反饋回路。它會通過這個NPN串聯(lián)調(diào)整管來調(diào)整輸出電壓，從而與這里的基準(zhǔn)電壓相匹配。它作為一個模擬回路，會持續(xù)不斷地進(jìn)行這種調(diào)節(jié)。 

“如果我們把它重新畫一下（上圖右側(cè)的電路），我沒有玩任何花招，重新畫好后，你可能會覺得這個電路看起來更眼熟一些。它和剛才那個完全一樣，我只是重新畫了一下，并去掉了這里的反饋分壓電阻。因為如果這里的基準(zhǔn)電壓本身就是你想要的輸出電壓（比如 7805 是 5V），你其實根本不需要分壓電阻。你可以從這里輸入 9V 或 12V 的電壓，完全不需要這些電阻。輸出電壓可以直接像這樣連接回輸入端。運放會調(diào)節(jié)輸出，使兩個輸入端保持一致。因此，這里的輸出就會等于另一個輸入端的電壓，也就是 5V 的基準(zhǔn)輸入。非常非常簡單，線性穩(wěn)壓器就是這么工作的。現(xiàn)在我知道你們肯定會有一個疑問，很高興你們會這么想：既然可以直接把基準(zhǔn)電壓做成和期望輸出一樣的電壓（比如 5V），那干嘛還要費勁用這些反饋電阻呢？嗯，這主要是因為制造工藝。在較低的電壓下（例如 1.2V）制造帶隙基準(zhǔn)電壓源（bandgap reference）要容易得多。”Dave Jones說。

接著，他舉了一個例子：假設(shè)基準(zhǔn)電壓是2.5V，要想得到5V輸出（上圖“out”端），這里的同相放大電路（上圖放大器）需要2倍的增益，這就是一個標(biāo)準(zhǔn)的同相放大器，只是外加了一個串聯(lián)調(diào)整NPN三極管。如果基準(zhǔn)電壓（指上圖“REF”端）是2.5V而需要5V輸出，就需要通過這些電阻實現(xiàn) 2 倍的增益，直接套用標(biāo)準(zhǔn)的同相運放公式。同理，如果基準(zhǔn)是1V，則需要5倍增益來獲得5V輸出。

Dave Jones接著解釋他之前所說的“開關(guān)電源和線性電源差別不大”的觀點。他在小白板下半部分畫出了開關(guān)電源電路。上面是線性電源，下面是對應(yīng)的開關(guān)電源——這是一個降壓型電路（Buck），例如把9V或12V降到5V。

“這是一個降壓開關(guān)電源，而這正是芯片內(nèi)部的實際結(jié)構(gòu)。瞧瞧吧，它們真的沒什么區(qū)別。看：串聯(lián)調(diào)整 NPN 三極管，完全一樣。帶有基準(zhǔn)電壓的運放，完全一樣。反饋電阻網(wǎng)絡(luò)，也完全一樣。那有什么不同呢？你看，下面多了一個門控振蕩器（gated oscillator）。這里有一個振蕩器，我們先以固定頻率振蕩器為例。運放實際上是通過控制這個振蕩器的開啟和關(guān)斷，來驅(qū)動串聯(lián)調(diào)整管的。運放不再直接驅(qū)動三極管，而是控制這個振蕩器。”

“此外，我們在芯片外部（所以畫了這些小圓點表示引腳）增加了一些外圍元件：一個續(xù)流二極管（catch diode）和一個電感。電感是關(guān)鍵，它是用來儲存能量的。然后是一個輸出濾波電容，這和線性電源上的濾波電容是一樣的。我們先不展開細(xì)說，總之就是個輸出濾波電容。但這些就是唯一的區(qū)別：我們在這里增加了一個儲能元件，并且對三極管的開關(guān)控制方式不同。線性穩(wěn)壓器采用的是連續(xù)變化的線性放大回路，而這里我們是以“脈沖串”或開關(guān)的方式來切斷和導(dǎo)通三極管。說真的，這就是一個基礎(chǔ)降壓開關(guān)電源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。它們真沒多大區(qū)別，我沒騙你吧！”

關(guān)于開關(guān)電源的工作細(xì)節(jié)，Dave Jones沒有詳細(xì)展開（他認(rèn)為這本身就能單獨做一期視頻）。他簡單說明：“假設(shè)我們期望的輸出設(shè)定電壓是 5V。那么這個三極管就會根據(jù)輸出是否需要修正，來進(jìn)行開啟和關(guān)斷的切換。我畫的這個波形非常夸張，實際上的電壓波動要比這小得多，但電壓確實是通過振蕩器控制這個串聯(lián)調(diào)整管進(jìn)行間歇性的開關(guān)切換，從而實現(xiàn)自我修正的。”

“這里的綠色波形代表開關(guān)管的開和關(guān)。在像這樣的每一個上升沿，三極管導(dǎo)通。當(dāng)三極管導(dǎo)通時，電流從輸入端流出，像這樣經(jīng)過電感流向輸出端，同時在電感中儲存能量。”

“而當(dāng)開關(guān)切斷時（當(dāng)控制信號變低、波形開始像這樣下降），電流實際上會通過二極管向上流，像這樣在回路中流動。所以它只是從前一個回路切換到了后一個回路，基本上就是這么回事。它只有兩種模式：開和關(guān)。當(dāng)然，回路中還存在其他損耗，我們就不深入探討了，因為這只會讓問題復(fù)雜化，現(xiàn)在沒必要講。但總之，它要么開要么關(guān)。而線性穩(wěn)壓器（雖然我已經(jīng)把那個電路擦掉了，但正如你們剛才所見）是一個連續(xù)的回路，它的調(diào)整管在持續(xù)不斷地耗散功率。”

“這就是為什么線性穩(wěn)壓器效率很低，而開關(guān)電源效率非常高的原因。降壓（Buck）開關(guān)電源的效率最高可以超過 90%。不過，這也并非絕對，還要取決于負(fù)載和各種其他因素。開關(guān)電源在不同條件下的效率范圍變化也可能很大。” 

Dave Jones指出，“有時候，如果你使用 LDO，線性穩(wěn)壓器實際上可能會更高效。假設(shè)你的輸入是 6V，輸出是 5V。對于線性穩(wěn)壓器來說，這已經(jīng)有 80% 的效率了，而一個好的開關(guān)電源可能也就 80% 到 90% 的效率。或者，如果你只有 5.5V 的輸入（先忽略我畫的是開關(guān)電路），需要 5V 輸出，線性穩(wěn)壓器的壓降只有 0.5V，bingo！你直接就能獲得 90% 的線性穩(wěn)壓器效率。”

“無論是線性穩(wěn)壓器還是開關(guān)穩(wěn)壓器，芯片內(nèi)部通常還包含許多其他功能電路，比如過流保護(hù)、過壓保護(hù)、過溫保護(hù)，以及各種為了讓芯片更實用而加入的小功能。但不要被這些東西迷惑了，它們的基本工作原理就像我在這里展示的一樣。一旦你剝離掉外在的雜項，它們一點都不難理解。所以就是這樣啦。”