一、开关电源的思路：搬运能量，而不是消耗能量
上一页讲过，线性稳压把多余的电压变成热量，效率 = Vout / Vin。开关电源的思路完全不同：它用一个开关快速地通断，配合电感和电容，把输入的能量"一小份一小份"地搬到输出。理想情况下，开关和电感都不消耗能量，所以效率可以高达 90% 以上。
类比：线性稳压像用一个很窄的阀门慢慢放水，多余的水压全在阀门处"磨掉"了。开关电源像一个水泵加水库：水泵一开一关，每次把一小桶水灌进水库（电感储能），水库再以稳定的水位往外供水（输出电容）。水泵的开关越快，水库的水位就越平稳。
1.1 三个核心元件，三个角色
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开关（MOS 管）快速通断，决定能量"什么时候"进入电路🧲
电感储存磁能，电流不能突变，把断续的能量变成连续的电流
为什么必须用电感？如果开关直接把输入接到输出，电压是跳变的，负载受不了。电感的"惯性"（电流不能突变）让能量在开关关断时仍然通过续流路径送到负载，这正是第2课和第3课的知识在这里汇合。
二、PWM 与占空比 D
开关电源的开关以固定频率（如 100 kHz、500 kHz、2 MHz）反复通断。每个周期里，开关导通的时间占比叫占空比 D：
D = t_on / T = t_on × f
T 是开关周期（T = 1/f），t_on 是开关导通的时间。D 在 0 到 1 之间变化，D = 0.5 表示导通一半时间
控制芯片会自动调整 D：输出电压低了，就让 D 变大（多给能量）；输出电压高了，就让 D 变小。这种"调整脉冲宽度"的方法叫 PWM（脉宽调制）。
类比：想让一个水桶保持半满，你可以用一个水龙头，每次开 0.5 秒，关 0.5 秒（D = 50%）；水少了就开长一点，水多了就开短一点。开关电源就是这样用 D 来调节输出的。
三、BUCK 降压：输出比输入低
BUCK 又叫降压变换器。它的结构是：开关（上管）串在输入和电感之间，电感接输出，输出电容接地，并用一个续流元件（二极管或下管）为电感提供回路。
Buck 降压 非同步功率级示意
3.1 两个阶段
- 开关导通（t_on）：Q1 闭合，Vin 直接加在电感两端，电感电流上升，同时电感存储能量，给输出电容充电并供给负载。
- 开关关断（t_off）：Q1 断开，电感电流不能突变，它通过续流元件继续流动，电感两端电压反向，把能量释放给负载。
3.2 降压公式
在稳态（电感电流平均不再变化）下，电感两端的伏秒平衡给出：
Vout = D × Vin
例：Vin = 12 V，要 Vout = 5 V，则 D = 5/12 ≈ 0.417，即开关导通约 41.7% 的时间
这个公式的意思是：输出电压由占空比决定。占空比越小，输出越低。
为什么叫"BUCK"？它的英文原意是"降低、压低"。记住：BUCK 是降压，Vout 永远小于 Vin（理想情况下）。
3.3 续流元件：二极管还是 MOS 管？
- 异步 BUCK：续流用肖特基二极管。结构简单，但二极管有 0.3 ~ 0.5 V 压降，低压大电流时损耗明显。
- 同步 BUCK：续流用第二颗 MOS 管（下管），它导通时压降只有 I × Rds(on)，效率更高。这是现代芯片最常用的结构。
四、BUCK 的电感电流与纹波
电感电流不是一条直线，而是在平均值上下锯齿状波动。这个波动量叫电感纹波电流 ΔIL，它决定了电感的选型、输出纹波和效率。
ΔIL = (Vin − Vout) × D / (f × L) = Vout × (1 − D) / (f × L)
f 是开关频率，L 是电感量。频率越高、电感越大，纹波电流越小
峰值电感电流 Ipk = Iout + ΔIL / 2
输出电压纹波 ΔVout ≈ ΔIL / (8 × f × Cout) （忽略电容 ESR）
选型时，电感的饱和电流必须大于 Ipk，否则电感饱和，电流失控
4.1 动手拨一拨：BUCK 的电感电流波形
设定输入、输出、开关频率、电感量和负载电流，观察锯齿形的电感电流（蓝线）和平均电流（虚线），并计算纹波与峰值。
电感电流 IL 平均值 Iout
占空比 D-
纹波电流 ΔIL-
峰值电流 Ipk-
输出纹波（估算）-
经验值：ΔIL 通常取输出电流的 20% ~ 40%。纹波太小，电感要做得很大、响应变慢；纹波太大，峰值电流高、输出纹波大。
五、BOOST 升压：输出比输入高
BOOST 又叫升压变换器。它把 BUCK 的结构"翻过来"：电感接在输入端，开关接在地，二极管（或同步下管）接在电感与输出之间。
Boost 升压 非同步功率级示意
5.1 两个阶段
- 开关导通：Q1 闭合，电感两端直接加 Vin，电感电流上升，能量储存在磁场中。此时二极管反偏截止，输出电容单独给负载供电。
- 开关关断：Q1 断开，电感电流不能突变，它只能通过二极管流向输出，电感两端电压变为 (Vout − Vin)，并且是"叠加"在输入上，于是输出电压被抬高。
5.2 升压公式
Vout = Vin / (1 − D)
D = 1 − Vin / Vout
例：Vin = 3.7 V（单节锂电池），要 Vout = 5 V，则 D = 1 − 3.7/5 = 0.26
注意：D 越大，输出越高，而且 D 不能接近 1。D = 0.9 时，Vout = 10 Vin，理论上很高，但实际的损耗、电感饱和、开关耐压都会先出问题。
类比：升压就像"蓄水后冲高"。电感先在输入侧慢慢攒力（储能），然后突然断开，攒下的能量突然"推"出去，推到的高度（输出电压）比原来的水位高。占空比越大，攒的力越多，推出的高度越高。
5.3 BOOST 的输入电流与输出电流
升压时，输入电流比输出电流大，因为输入侧要为"升压"付出更多的能量：
Iin = Iout / (1 − D)
理想情况下 Pin = Pout，Vin × Iin = Vout × Iout。例：D = 0.26，Iout = 0.5 A，则 Iin = 0.5 / 0.74 ≈ 0.68 A
BOOST 的一个重要特点：输出与输入之间没有开关阻断通路。输入电压一旦加上，只要二极管或续流元件坏了（短路），输入会直接连通到输出。所以 BOOST 在输入短路或负载短路时，需要专门的保护。
六、BOOST 的电感电流与限制
ΔIL = Vin × D / (f × L)
Ipk_L = Iin + ΔIL / 2
注意：BOOST 的电感电流就是输入电流，所以峰值电感电流远大于输出电流（在高 D 时尤其明显）
6.1 动手拨一拨：BOOST 的电感电流
电感电流 IL 平均输入电流 Iin
占空比 D-
输入电流 Iin-
纹波 ΔIL-
峰值电感电流-
6.2 BOOST 的常见限制
- 输出不能低于输入：BOOST 只能升压，输入高于输出时（如锂电池充满后 4.2 V 接到 3.3 V 负载），需要改用 BUCK 或升降压。
- D 不宜过大：D 很大时，电感电流和开关应力急剧增加，效率下降，还会出现右半平面零点，导致控制环路难以稳定（设计时要留足裕量）。
- 负载很轻时的效率：待机或轻载时，开关损耗和静态电流占比变大，效率明显降低。
七、效率与损耗
开关电源的效率很高，但并不是 100%。主要损耗有以下几类：
| 损耗类型 | 来源 | 怎么降低 |
|---|
| 导通损耗 | MOS 管 Rds(on) 与电流的平方：I² × Rds(on)；电感 DCR：I² × DCR | 选 Rds(on) 小的 MOS 管，选 DCR 小的电感 |
| 开关损耗 | 开关过程中电压和电流同时存在，频率越高损耗越大 | 降低开关频率、加快驱动（但要防 EMI） |
| 二极管损耗 | 压降 × 电流（异步 BUCK 或 BOOST 中） | 改用肖特基，或同步整流 |
| 电容 ESR 损耗 | 纹波电流流过电容的等效电阻 | 选低 ESR 的陶瓷或聚合物电容 |
| 静态与驱动损耗 | 控制芯片与栅极驱动本身消耗的能量 | 轻载时选用低 Iq 芯片或脉冲跳跃模式 |
效率与频率的取舍：频率越高，电感和电容可以越小（省空间），但开关损耗越大。手机充电器常用几百 kHz 到 2 MHz 的频率，以追求小体积；大功率电源则常用更低频率以保证效率。
八、元件选型
8.1 电感
- 电感量：由纹波要求决定，参考 ΔIL 取 Iout 的 20% ~ 40%。
- 饱和电流 Isat：必须大于峰值电流 Ipk，并留余量。饱和后电感量骤降，开关电流会失控。
- DCR：直流电阻越小，导通损耗越少。
- 类型：屏蔽式功率电感噪声小；非屏蔽电感体积小但 EMI 大。
8.2 输出电容
- 容量：决定输出纹波和负载瞬态响应。
- ESR：纹波电压主要由 ESR 决定（ΔV ≈ ΔIL × ESR），所以低 ESR 的陶瓷电容或聚合物电容特别适合开关电源输出。
- 耐压：留 1.5 倍以上余量；陶瓷电容要考虑直流偏置效应（第2课讲过）。
8.3 二极管与 MOS 管
- 肖特基二极管：压降低、速度快，适合低压大电流的异步 BUCK、BOOST 输出。注意耐压和反向漏电。
- MOS 管：看 Vds 耐压、Rds(on)、Qg（栅极电荷，决定驱动损耗）。第4课讲过驱动要点。
现成的芯片：学习阶段常见的集成 BUCK 芯片（如 LM2596）和 BOOST 芯片（如 MT3608），已经把控制、MOS 管、补偿做在一起，只需外接电感、电容和分压电阻。选芯片时看输入范围、输出电流、开关频率、效率曲线和封装，具体以规格书为准。
九、常见错误
- 电感饱和：选了额定电流够、饱和电流不够的电感。输出在大电流时突然"塌陷"或开关管发热。
- 忽视 BOOST 的输入电流：误以为输入电流 = 输出电流，结果输入线、保险丝选小了。
- BUCK 的输入电容太小：开关瞬间的大电流由输入电容提供，电容太小会导致输入电压跳动、EMI 大。
- PCB 布局随意：开关电源的"功率回路"（输入电容 → 开关 → 续流 → 输入电容）面积要尽量小，否则 EMI 和振荡都会很严重。
- 反馈线靠近开关节点：噪声耦合进反馈，导致输出不稳定。
- 用错方向：BUCK 当 BOOST 用，或 BOOST 用在输入高于输出的场合，输出会无法控制。
十一、本节小结
- 开关电源靠开关、电感、电容搬运能量，效率可达 90% 以上。
- 占空比 D = t_on × f，PWM 通过调节 D 来稳压。
- BUCK（降压）：Vout = D × Vin，ΔIL = Vout(1−D)/(fL)。
- BOOST（升压）：Vout = Vin / (1−D)，Iin = Iout / (1−D)，ΔIL = Vin·D/(fL)。
- 电感的饱和电流必须大于峰值电流；输出纹波主要由电容的 ESR 决定。
- BOOST 的输入电流比输出电流大，且输入与输出之间没有开关阻断，需要特别的保护。
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