开关模式电源（Switch Mode Power Supply，简称SMPS），又称交换式电源、开关变换器，是一种高频化电能转换装置，是电源供应器的一种。其功能是将一个位准的电压，透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。简单理解为使用一个高频通断的“开关”，对输入电压进行脉冲调制，从而实现电压变换以及输出电压可调和自动稳压的功能。 开关电源的优势：①功耗低，效率高。②体积小，重量轻。③稳压范围宽。 按照调制方式的不同可分为脉宽调制(PWM)和脉频调制(PFM)两种，目前脉宽调制(PWM)在开关电源中占据主导地位。 按照管子的连接方式可分为串联式开关电源、并联式开关电源和变压器式开关电源三大类。 按照输出电压的不同可分为降压式开关电源和升压式开关电源两种。 按照输入输出类型可分为：AC-AC、DC-AC、AC-DC、DC-DC四种。 按照是否有电气隔离可分为隔离型开关电源和非隔离型开关电源两种。

本文将介绍集中典型的直流开关电源（DC-DC）工作原理和电路设计，并使用Multisim进行电路仿真。

Buck电路为DC-DC降压电路，电路图如下所示： 电路中有一个MOS管开关，当MOS管导通时，二极管截止，输入电流经过电感和负载电阻，并在负载电阻两侧输出电压，此时输入电流部分能量储存在了电感中。电感充电，当MOS管关闭后，电感通过续流二极管放电，继续为负载提供电流，电感放电。在这个过程中，根据不同充放电的时间、充放电速度，可以对该过程的平均电流进行调整，从而实现对负载上输出电压的调整。该过程电感电流变化如下图： 尽管电感电流为周期变化的波形，但我们希望流过负载的电流尽量不发生变化，这样电路的输出电压为恒定值，此时需要输出端并联电容进行滤波，通过电容的充放电过程补偿掉电感电流的变化 设计公式： 相关推导过程参考： https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzk0NjIxODM3Mg==&mid=2247486786&idx=1&sn=7ee61570b6195224c14472dd24376d55&chksm=c30839a9f47fb0bf0d59febb7d5969a78cf82ee68effbadae184f2b3760b19e36a1cf086ac93&scene=21#wechat_redirect

【Multisim仿真】： 设计BUCK电路，实现5V-3.3V电压转换 ① 异步buck 使用二极管SS34，在Multisim中测得其正向压降165mv。 开关频率为20kHz 负载电阻为1K，因此输出电流为3.3mA。 取电感电流纹波占平均电流的0.3，根据公式计算所得电感值为 占空比D为 取L=60mH，占空比D=67% 要求输入纹波占输入电压的2% 输入端滤波电容 取C_i=1uF 要求输出端纹波占输出电压的2% 取C_o=200pF 注意，C_o不可取太大，否则输出需要较长时间稳定。 可以调整占空比对输出电压进行微调。 修改占空比为64%时，输出为3.3V （以上占空比D为Q2管导通时间占开关周期时间的比例，函数信号发生器输出PWM波的占空比应为1-D）

②同步buck 使用mos管代替二极管 取L=56mH 占空比为 仿真结果 需要注意mos管的导通顺序及方向，上图中Q1为PMOS，其开关电流方向为源极到漏极，因此源极与电源正极连接，Q2管为NMOS，其开关电流的方向为漏极到源极，其需要在Q1管导通时，关断由上向下的电流，因此其源极接到GND。由于MOS管的体二极管特性，沿开关电流的反方向始终是可以导通的，只是在MOS管截至时存在一个很小的导通压降（类似二极管），因此开关电流方向应该沿着需要关断的电流方向。 当信号发生器产生0V低电平电压时，Q1管导通，Q3管截止，当输出5V高电压时，Q1管截至，Q3管导通。 需要注意的是，如果Q3管栅极不接PWM信号，其只有体二极管作用，此时Q3可等效为一个二极管，导通方向为自下而上，与异步Buck电路相同，若忽略导通压降，Buck电路的降压输出也应该是3.3V。使用MOS管控制Q3通断的好处是，MOS在导通时导通压降几乎为0，可以降低管子上的功耗，减小发热等。

对比发现异步buck电路的设计误差较大，肯能原因为二极管正向压降参数不准确

Boost电路为DC-DC降压电路，电路图如下所示： 当mos开关导通时，二极管正极接地，二极管截止，此时输入电压给电感充电，流经电感的电流值线性增加，输出电压由输出端电容提供。当mos管截至后，由于输出端电压更高，因此电感放电，此时来自输入端的电流和电感的感应电流之和均流过负载电阻，因此负载电阻上的会高于输入端电压，同时电感电压线性减小。可以理解为先给电感充电，再同时使用电感和电源给负载放电，负载就可以获得更高的电流和电压，从而实现升压。开关导通和截至期间，流经电感的电流变化如下图： 与buck电路类似，在输出端使用一个滤波电容，将锯齿波的输出电压变为恒定值。 设计公式： 推导参考： https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzk0NjIxODM3Mg==&mid=2247486612&idx=1&sn=b3d95c6403c31738324e68e71a85268b&chksm=c308387ff47fb169339b09746e293ea8e9ecb8454d6d776e307cb4ebbb2da17f1e32822a3daf&scene=21#wechat_redirect

【Multisim仿真】： 异步boost电路，输入电压为5V，输出电压12V 输出负载电阻1k，输出电流12mA 开关频率20kHz 二极管正向压降165mV 电感电流纹波取值为0.3倍平均电流 电感值计算： 取L=16.8mH 占空比计算： 取D=59% 取输入电压纹波占输入电压值的2% 计算输入电容值： 取C_i=1uF 取输出电压纹波占输出电压值的2% 计算输出电容值： 取C_o=2.4uF Multisim仿真结果： 同步boost电路，输入电压为5V，输出电压12V 输出负载电阻1k，输出电流12mA 开关频率20kHz MOS管导通压降为0 电感电流纹波取值为0.3倍平均电流 计算电感值： 去L=16.8mH 计算占空比D 取D=0.58 仿真结果： 但是这里Q3管需要一个0-12V的PWM脉冲控制开关，这在实际中显然是不合理的，后续有好的想法再更新吧，也欢迎大家讨论。 电感电流纹波取值为0.3倍平均电流

参考资料： https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzk0NjIxODM3Mg==&mid=2247486786&idx=1&sn=7ee61570b6195224c14472dd24376d55&chksm=c30839a9f47fb0bf0d59febb7d5969a78cf82ee68effbadae184f2b3760b19e36a1cf086ac93&scene=21#wechat_redirect

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzk0NjIxODM3Mg==&mid=2247486612&idx=1&sn=b3d95c6403c31738324e68e71a85268b&chksm=c308387ff47fb169339b09746e293ea8e9ecb8454d6d776e307cb4ebbb2da17f1e32822a3daf&scene=21#wechat_redirect

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