今天我们一起学习降压开关电源。

为什么需要开关电源？

在之前的线性稳压器教程我们学会了 L7805 使用等线性稳压器。它们使用简单，但效率低下。

例如，如果你试试 26 伏电压为线性稳压器，输出电压为 5 伏 电流为 3 最终会产生安培 63 瓦的热量。如此巨大的能量浪费是不可接受的。

对于大功率项目，您希望使用所谓的开关电源。不同类型的开关电源可以将一个电压转换为另一个电压。

本文主要讨论降压型（Buck or Step-down）开关电源。它是一种能将高压降低到低压的电源。

原理

让我们从一个简单的电路开始。电路由一个 10 伏的直流电源串联一个开关组成。

什么是开关并不重要。它可以是双极晶体管，MOS 管道，甚至是疯狂推动机械开关的疯子。

由于效率原因，开关应使用场效应（MOS）管道。但现在我们仍然使用电路中的通用开关符号。接下来，让我们把空比作为空比。 50% 脉冲宽度调制（PWM）控制开关断开和关闭的信号。

这将给我们一个一个的空比 50% 一半的方波是 10 伏，一半时间 0 伏，所以平均电压是 5 伏。

现在让我们添加一个 LC 低通滤波器。电感抵抗电流突变，电容抵抗电压突变。综合效果是我们的 LC 低通滤波器抹平了方波，我们得到了输出 5 直流电相对稳定。

但是上面的电路有问题。假设开关已经关闭，我们的电源正在输送一些电流。这意味着电流正流过电感器。

现在让我们断开开关。由于电感中的电流不能立即改变，这意味着电流仍然在短时间内通过电感。

然而，电感器左侧没有连接到任何设备，因此在这里积累了大量带负电荷的电子（电子流向与传统电流方向相反）。从而产生巨大的负电压毛刺。

这种电压毛刺可以达到数百甚至数千伏。

如此巨大的负电压毛刺足以烧毁连接到这里的任何开关。如果您想了解更多关于这种现象的信息，请查看我的另一篇文章：电感毛刺。本文提到了一个解决方案，即添加二极管。二极管到位后，无论何时断开开关，电流都可以在完整的路径中流动，开关后的电压几乎不低于零。由于二极管的存在，电感左侧的电压最多低于接地 0.7 小特基二极管伏(二极管压降电压)会更低。

下图是经典的降压开关电源电路。您可以使用此基本电路与线性稳压器进行比较（Linear Voltage Regulator）将高压直流电降低到低压直流电的更有效方法。

使用 Arduino 搭建

我们使用 Arduino 构建降压直流电源（Buck Converter）。该电路仅用于学习降压开关电源的作用，没有实际用途。Arduino 可输出方波(PWM), 我们可以用它输出的方波作为控制信号，在面包上建立一个简单的降压开关电源。

无反馈

我们使用 P沟通场效应管 IRF9540 我用可调电源输出来开关主电源。 12 伏电压。因为 Arduino 不足以直接驱动 IRF9540, 我们用一个 NPN 型BJT 晶体管 S8050 来驱动 IRF9540。我们编程让 Arduino 输出 31 k 控制方波的赫兹。旋转电位器可以改变输出方波的空比。这样，当 Arduino D3 脚输出高电时，三接管导通，拉低 N 沟道场管的门级（G)，场管导通；当 D3 输出低电时，三极管断开，场管门级为高电平，场管关闭。

一个引脚电位器 Arduino 的 5V 在引脚上，引脚接地，使电位器中间的引脚能够输出 0~5伏电压。

A0 引脚: 可调电位器的中间引脚。用于调节方波的空比。

D3 引脚：输出 31k 用于控制开关的赫兹控制方波 IRF9540 的关断。

 /*  * 这是用 arduino 制作的降压开关电源示例代码。  * 我们使用 Aruino Uno. Nano 也可以。  * D3 引脚输出控制方波  * No feedback is connected here.  */  int potentiometer = A0; // 中间引脚连接可调电阻  int PWM = 3;   void setup() {   pinMode(potentiometer, INPUT);   pinMode(PWM, OUTPUT);   // 引脚3和11， 输出PWM 方波 频率：31372.55 Hz   TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000001;     }  void loop() {   float voltage = analogRead(potentiometer);   int VALUE = map(voltage, 0, 1024, 0, 254);   analogWrite(PWM, VALUE); }

我们在面包板上组装电路，用一个 12 伏灯泡作为负载。示波器探头 CH1 接在 Arduino 在输出控制方波上，CH2 连接到电压输出端。调节电位器可以调节输出电压，可以看到灯泡。

当负载不变时，该电路可以保持稳定的电压。但如果负载发生变化，输出电流就会发生变化，导致输出电压发生变化。如果您想在负载变化的情况下保持电压不变，需要一个反馈系统来监测输出电压。如果输出电压变低，可以增加输出方波的空比。如果输出电压变高，可以降低输出电压的空比，保持输出电压不变。

有反馈

为了在负载变化的情况下保持输出电压不变，我们为我们的开关电源增加了反馈系统。我们使用 Arduino 监控输出电压，如果低，我们会增加方波的空比，然后提高输出电压；如果输出电压高，我们会降低空比，然后降低输出电压。因为电路输出电压的范围是 0~12 伏，而 Arduino ADC 最大输入电压为 5 输出电压不能直接检测。我们需要降低输出电压 5 伏击，我们使用一个简单的电阻分压电路。

带反馈的完整电路如下：

A0 引脚: 可调电位器的中间引脚。用于调节方波的空比。

A1 引脚：用于监测输出电压的反馈电阻。

D3 引脚：输出 31k 用于控制开关的赫兹控制方波 IRF9540 的关断。

带反馈的降压开关电源代码如下：

 /*  * 这是用 arduino 制作的降压开关电源示例代码。  * 我们使用 Aruino Uno. 用 Nano 也是可以的。  * A0 引脚: 中间引脚接可调电位器。用于调节方波的空比。  * A1 引脚：连接反馈电阻。  * D3 引脚：输出 31k 控制方波的赫兹。  */  int potentiometer = A0; // 中间引脚连接可调电阻  int feedback = A1;  int PWM = 3;  int VALUE = 0;   void setup() {   pinMode(potentiometer, INPUT);   pinMode(feedback, INPUT);   pinMode(PWM, OUTPUT);   // 引脚3和11， 输出PWM 方波 频率：31372.55 Hz   TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000001;     }  void loop() {   float voltage = analogRead(potentiometer);   float output = analogRead(feedback);    if (output > voltage) {      // 输出电压大，减小占空比     VALUE = VALUE - 1;     VALUE = constrain(VALUE, 1, 254);   } else if (output < voltage) {// 输出电压小，增大占空比     VALUE = VALUE   1;     VALUE = constrain(VALUE, 1, 254);   }      analogWrite(PWM, VALUE); }

一站式解决方案

上面的降压开关电源，罗里，方波，反馈，很麻烦。市场上有多少？降压型开关电源芯片，提供一站式解决方案。。比如 LM2576T-ADJ 这款芯片，使用反馈电阻可以在负载变化的情况下，保证输出电压不变。

输入可以在 40 伏的范围内。不要施加更高的电压，否则可能会烧毁 LM2576T-ADJ 组件。在这种情况下，我们不需要外部开关，因为 LM2576T-ADJ 里面已经有了。将电压反馈引脚连接到输出分压器后，LM2576T-ADJ 将根据输出电压的高低改变输出控制方波的占空比以保持输出电压恒定。在这种情况下，使用肖特基二极管，因为它具有低正向压降电压。

焊起来

像这种大电流，而且有的器件要求尽量靠近芯片引脚的东西，我们就不要在面包板上搞了。我们使用洞洞板搞。

首先在把 LM2576T-ADJ 焊接在洞洞板的中间，在它周围留下大量的空间，以安装其他器件。

输入端的滤波电解电容焊接在芯片的一两厘米内。

同样的方法焊接输出端的二极管、电感，保持元件连线尽可能短：

再焊上输出滤波电容：

当焊接反馈电阻时，尽量使返回芯片的导线尽可能短。

电路板底部的布局比顶部更重要。注意我的地线是一条直线，那两个蓝色的是 100 nF 滤波电容，输入输出各一个：

最后的效果：

跑起来

一切准备就绪就绪。我将用 10 伏电压作为我的开关电源的输入电压。我将使用我的可调节电子负载来查看它如何提供不同大小的电流。

如果你在家中这样做，你可以使用 5欧姆 10瓦的功率电阻器作为负载。

首先，让我们检查一下输出电压是我们想要的。他是完美的 5 伏直流电！

现在，让我们来看看电路中的这个节点，它被称为开关节点， 也就是 LM2576-ADJ 的 2脚：

您可以看到我们熟悉的 0 到 10伏方波，开关频率为 50.65 kHz。但是你可以看到占空比为 59.5 %，而不是理论上的 50%，此时的负载电流为 1 安培。

如果我将负载增加到 2 安培，占空比增加到 63 %。在3 安培时， 功率损失更大，控制器必须将占空比更改为 67% 才能够维持稳定的 5 伏输出：

还记得我之前说过我们得到了一个完美的 5 伏直流电吗？那并不是真实的情况。让我们将示波器的耦合更改为交流耦合并放大波形。可以看到在输出上有一个小的交流分量，因为我们的低通滤波器并不完美。我们称其为电源的输出纹波。在 1 安培负载下，我们有大约 10 毫伏的纹波和噪声。

如果我将负载电流增加到 3 安培，纹波变得更加嘈杂，达到了 16.7 mV：

如果我将输入电压增加到 26 伏，纹波波形会变大，达到了 33 mV。

理想情况下，我们希望这种纹波尽可能小。对于大多数应用，低于 100 毫伏的峰峰值就可以了。但一般来说，您不想用开关电源为无线电接收器等敏感电路供电。

现在让我们计算我们制作的的这个电源的效率。并将其与线性稳压器进行比较。

从 26 伏的输入，我的台式电源向直流转换器提供 0.6889 安培。

我的万用表测量输出为 4.905 伏.

我将负载正好设置为 3 安培。如果你在家中使用电阻器作为负载进行操作，请确保使用万用表准确测量输出电流。

将数据带入公式计算，我们发现我们的电源效率为 82%，非常好！这就是人们为什么通常将开关电源用于高于 1 安培的电流。

 

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