线性电源VS开关电源，为何内部结构如此相像？

这一经典篇章是博主Dave Jones早期关于线性电源VS开关电源的基础教学，一起来瞧瞧吧！

“这次我们要讲的是开关电源（SMPS）。为什么呢？因为我总听人说初学者很害怕开关电源，觉得它们很难懂、太复杂，而且和线性稳压器完全不同。大家都觉得线性稳压器容易得多，而开关电源的工作原理太难理解，让人望而生畏。我认为这种观念是不对的，因为如果你仔细研究就会发现，开关电源和线性电源其实差不多。我知道这听起来可能有点疯狂，但相信我，它们的差别真的没那么大，接下来我就告诉你们原因。”

Dave Jones边说边掏出了他那块经典的小白板，开始了今天的教学：对于初学者来说，典型的线性电源通常是非常简单的三端器件，有输入和输出，例如7805能把9V电压降到5V，使用和理解都很容易，外加几个滤波电容即可。而开关电源则复杂得多，元件也多：一个神秘的“黑盒子”周围有二极管、电感、电容、输出采样电阻以及其他采样和补偿元件。

此后，他话锋一转：“但说到底，开关电源和线性电源本质上到底有多大区别呢？很高兴你们会问这个问题。让我们一探究竟。因为如果你真正去看这些‘盒子’里面的内部结构，它们其实几乎没有区别。虽然它们的工作模式不同，但电路结构非常相似。我们来看看。”说着，Dave Jones就对下图中那两个打红叉的模块进行了“开盒”分析。

线性稳压器内部工作原理

Dave Jones讲解了线性稳压器内部，例如7805这样的三端器件。它的电路非常简单：包含一个NPN串联调整管、一个运放、一个基准电压源，以及两个用于反馈的分压电阻。这就是一个完整的传统三端线性稳压器。像7805这种芯片，这些电阻是内置的，用来固定输出电压；而像LM317这样的可调线性稳压器，这些电阻放在芯片外部，并带有一个反馈引脚（FB），但工作原理完全相同。所以LM317和7805本质上没有区别。至于它的工作原理，基本原则非常简单，这里就是一个负反馈回路。它会通过这个NPN串联调整管来调整输出电压，从而与这里的基准电压相匹配。它作为一个模拟回路，会持续不断地进行这种调节。

关于分压电阻

“如果我们把它重新画一下（上图右侧的电路），我没有玩任何花招，重新画好后，你可能会觉得这个电路看起来更眼熟一些。它和刚才那个完全一样，我只是重新画了一下，并去掉了这里的反馈分压电阻。因为如果这里的基准电压本身就是你想要的输出电压（比如 7805 是 5V），你其实根本不需要分压电阻。你可以从这里输入 9V 或 12V 的电压，完全不需要这些电阻。输出电压可以直接像这样连接回输入端。运放会调节输出，使两个输入端保持一致。因此，这里的输出就会等于另一个输入端的电压，也就是 5V 的基准输入。非常非常简单，线性稳压器就是这么工作的。现在我知道你们肯定会有一个疑问，很高兴你们会这么想：既然可以直接把基准电压做成和期望输出一样的电压（比如 5V），那干嘛还要费劲用这些反馈电阻呢？嗯，这主要是因为制造工艺。在较低的电压下（例如 1.2V）制造带隙基准电压源（bandgap reference）要容易得多。”Dave Jones说。

接着，他举了一个例子：假设基准电压是2.5V，要想得到5V输出（上图“out”端），这里的同相放大电路（上图放大器）需要2倍的增益，这就是一个标准的同相放大器，只是外加了一个串联调整NPN三极管。如果基准电压（指上图“REF”端）是2.5V而需要5V输出，就需要通过这些电阻实现 2 倍的增益，直接套用标准的同相运放公式。同理，如果基准是1V，则需要5倍增益来获得5V输出。

开关电源内部

Dave Jones接着解释他之前所说的“开关电源和线性电源差别不大”的观点。他在小白板下半部分画出了开关电源电路。上面是线性电源，下面是对应的开关电源——这是一个降压型电路（Buck），例如把9V或12V降到5V。

与线性电源结构上的异同

“这是一个降压开关电源，而这正是芯片内部的实际结构。瞧瞧吧，它们真的没什么区别。看：串联调整 NPN 三极管，完全一样。带有基准电压的运放，完全一样。反馈电阻网络，也完全一样。那有什么不同呢？你看，下面多了一个门控振荡器（gated oscillator）。这里有一个振荡器，我们先以固定频率振荡器为例。运放实际上是通过控制这个振荡器的开启和关断，来驱动串联调整管的。运放不再直接驱动三极管，而是控制这个振荡器。”

“此外，我们在芯片外部（所以画了这些小圆点表示引脚）增加了一些外围元件：一个续流二极管（catch diode）和一个电感。电感是关键，它是用来储存能量的。然后是一个输出滤波电容，这和线性电源上的滤波电容是一样的。我们先不展开细说，总之就是个输出滤波电容。但这些就是唯一的区别：我们在这里增加了一个储能元件，并且对三极管的开关控制方式不同。线性稳压器采用的是连续变化的线性放大回路，而这里我们是以“脉冲串”或开关的方式来切断和导通三极管。说真的，这就是一个基础降压开关电源的内部结构。它们真没多大区别，我没骗你吧！”

开关电源工作原理简介

关于开关电源的工作细节，Dave Jones没有详细展开（他认为这本身就能单独做一期视频）。他简单说明：“假设我们期望的输出设定电压是 5V。那么这个三极管就会根据输出是否需要修正，来进行开启和关断的切换。我画的这个波形非常夸张，实际上的电压波动要比这小得多，但电压确实是通过振荡器控制这个串联调整管进行间歇性的开关切换，从而实现自我修正的。”

“这里的绿色波形代表开关管的开和关。在像这样的每一个上升沿，三极管导通。当三极管导通时，电流从输入端流出，像这样经过电感流向输出端，同时在电感中储存能量。”

“而当开关切断时（当控制信号变低、波形开始像这样下降），电流实际上会通过二极管向上流，像这样在回路中流动。所以它只是从前一个回路切换到了后一个回路，基本上就是这么回事。它只有两种模式：开和关。当然，回路中还存在其他损耗，我们就不深入探讨了，因为这只会让问题复杂化，现在没必要讲。但总之，它要么开要么关。而线性稳压器（虽然我已经把那个电路擦掉了，但正如你们刚才所见）是一个连续的回路，它的调整管在持续不断地耗散功率。”

“这就是为什么线性稳压器效率很低，而开关电源效率非常高的原因。降压（Buck）开关电源的效率最高可以超过 90%。不过，这也并非绝对，还要取决于负载和各种其他因素。开关电源在不同条件下的效率范围变化也可能很大。”

线性稳压器与开关电源的比较

Dave Jones指出，“有时候，如果你使用 LDO，线性稳压器实际上可能会更高效。假设你的输入是 6V，输出是 5V。对于线性稳压器来说，这已经有 80% 的效率了，而一个好的开关电源可能也就 80% 到 90% 的效率。或者，如果你只有 5.5V 的输入（先忽略我画的是开关电路），需要 5V 输出，线性稳压器的压降只有 0.5V，bingo！你直接就能获得 90% 的线性稳压器效率。”

“无论是线性稳压器还是开关稳压器，芯片内部通常还包含许多其他功能电路，比如过流保护、过压保护、过温保护，以及各种为了让芯片更实用而加入的小功能。但不要被这些东西迷惑了，它们的基本工作原理就像我在这里展示的一样。一旦你剥离掉外在的杂项，它们一点都不难理解。所以就是这样啦。”

内容来源于EEVblog - Linear and LDO regulators and Switch Mode Power Supply Tutorial

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