开关电源小课堂（1）—— 电感电容

        电源完成的是一个功率转换的过程，我们板子上的各种芯片可能需要用到不同的电压。比如我们常用的像3.3V，5V，1.8V，0.9V等等。每种电源需要的电流也各不相同，所以才需要各种不同的电源芯片。

       从类型上来说，常用的电源类型可以有线性稳压器(俗称LDO)，开关电源(Switching Power)，电荷泵(Charge Pump)。LDO的特点就是噪声小，但是功率低，效率也不高。开关电源是用的最多的类型，最大特点就是效率高，但是电源纹波比LDO大。它其实还可以细分成很多种类型，我觉得其中用的比较多的有Buck，Boost，Buck-Boost，Flyback等，也就是我们常说的降压型，升压型，升降压型，反激型。Buck估计是用的最多的，并且也是最经典的一种入门结构。电荷泵听说的会少一点，它的特点是输出电流能力弱，但是电路结构比LDO还简单，输出电压范围也比较受限。

        接下来重点谈一谈开关电源，虽然现在很多芯片厂商都有开始推比较方便的集成式的电源模块方案，但是其实从原理上讲，和分离器件原理都是一样的，只是把开关电源需要的MOSFET，电感全部包在了一个封装里。了解电源的原理也是很重要的。

        开关电源，肯定要先了解它的组成零部件呗：电感，电容，功率MOSFET，二极管。。。

        提到电感和电容，必定要提的两个公式就是：

V=Ldi/dt， I=C*du/dt。

(也许你去面试的时候，有大概率都会问到这个东西)

        对于电感，流过它的电流是不可能瞬变的，对于电容，电容上的电压是不可能瞬变的。直接来张图就很简单了，截了个Sanjaya Maniktala的《精通开关电源设计》一书上的图。

        从上图可以看到电容和电感随开关的开和闭，其对应的电压和电流都是连续变化的，但是对应的电流和电压根据公式却是可以瞬变的。电感的电流连续变化特性正是开关电源所利用的关键。这里还需要额外强调一点就是电容的电压不瞬变，是指的电容两端的电压差不瞬变，而不是电容某一级的电位，电位是可以瞬变的。

        电源电路中常用的电容有铝电解电容，主要用于低频滤波和储能（容值都很大），并且它是有极性的，设计时候需要注意。

        另一种用的最多的是陶瓷电容，电源的滤波电容，高频特性很好，有的用于RF的可以支持到几十个GHz。电源中用的也是最多的，不过设计中需要注意下陶瓷电容的耐压性，一般选择耐压值为应用电压的1.5以上左右比较合适。从ESR的角度，陶瓷电容的ESR要低于电解电容。陶瓷电容按照指标稳定度还会分为X5R,X7R,NPO等级别。在电源滤波的应用一般选择X7R也就足够好了，如果是设计模拟滤波器之类的对频响要求比较高的则需要用NPO的等级。

        还有一种钽电容，感觉用的就比较少，这种电容容量大，体积又比电解的小很多，有些对体积有限制板子上可以替代一下电解电容的作用。不过钽电容的设计耐压值至少要2倍的应用电压值，这个东西不抗造很娇贵。

       电感，就是线圈绕在磁芯上所成的一个东西，有共模电感，滤波电感，储能电感等，如果按作用分下类的话。要说它的指标，除了电感量之外，有额定电流，这个主要是电感的温升电流，对应电感通过某一个直流电流下的铜损导致电感线圈发热到一个极限的情况。

        另一个是饱和电流，电感在实际使用中一般都会有一个DC直流电流再叠加上一个AC纹波电流，而饱和电流就是DC+AC/2 所产生的峰值电流，按照手册上说的到达了这个饱和电流值之后，电感会磁饱和，对应电感的一个磁损。电感总的损耗是铜损（DC）+磁损（AC）。当然在设计电源选择电感的时候一般按照额定电流来选，不过也要适当留一些余量，以免磁饱和的发生。

        Reference:

      《精通开关电源设计》Sanjaya Maniktala

转载自公众号：电子工程师那些事儿