硬件工面试题11(开关电源) - 答案分享

该电路通过电源控制芯片（图中未画出）产生的门极控制信号控制上下MOS管的导通和关断，形成一定频率的方波电源信号，然后通过后端L-C滤波电路最终产生一个具备较强的带负载能力的固定电压的电源输出。...





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面试题11

下图是一个简单的单相直流转直流降压Buck开关电源电路拓扑结构图。VIN是电路的输入电压，经过该电源电路产生的输出电压为VOUT。Q1和Q2的门极信号分别连接到Buck开关电源控制器芯片（图中没有画出这个控制器）的两个控制信号输出引脚。输出电压也通过反馈回路连接到Buck开关电源控制器芯片的反馈电路输入引脚。

阅读上述电路，请回答以下问题：

1. 请简要描述该开关电源电路的工作原理
2. 电容C(IN) 和C(OUT)各起到什么作用？
3. Q1和Q2的门极信号在相位上应当满足什么要求？
4. 什么是开关频率？什么是开关电源的占空比？占空比大小由什么决定？

答案分享

 

1. 请简要描述该开关电源电路的工作原理

这个问题其实很大，在大学里通常作为一门课程来讲的。要把里面细枝末节全部说清楚，那又得另外写本书了。既然是面试题，面试官也没那么多耐心听咱给他/她上课。所以，本着尊重面试官的态度，这里我们就大致简要描述一下这个电路功能。简单清楚，一目了然，让面试官明明白白地听懂你的解释，是面试过程中的一个实用策略和技术。

汇总一句话：该电路通过电源控制芯片（图中未画出）产生的门极控制信号控制上下MOS管的导通和关断，形成一定频率的方波电源信号，然后通过后端L-C滤波电路最终产生一个具备较强的带负载能力的固定电压的电源输出。其实主要就是两个知识点：

• 首先通过MOS管的导通和关断，在两MOS管的连接处产生一个电源方波信号。Q1导通/Q2关闭时，输入电源Vin通过；Q1关闭/Q2导通时，地信号通过。所以在两MOS管的连接处你会一会儿看到Vin，一会儿看到地，这个一会儿Vin一会儿地的信号就是一个电源方波信号，如下图所示：
• 两MOS管的连接处产生的电源方波信号通过后端的L-C滤波电路产生所需要的电源电压输出。当Q1导通，Vin对L-C电路充电储存能量，并提供负载电流；Q2导通时，L-C电路释放能量，对负载放电，提供负载电流，通过Q2漏极和源极的导通产生回路。由于充放电效应，输出电压波形呈锯齿形状，如下图所示：

2. 电容C(IN) 和C(OUT)各起到什么作用？

答：1）问题的分析中解释了MOS管Q1是不断导通关断的。Q1导通，电源Vin就会对负载供电，提供输出电流；Q1关断时电源Vin就不对负载供电，也就没有输出电流。因此整个电路的输入电源Vin产生的电流是不断在有/没有之间切换。大家知道，变化的电流作用在寄生电感上就会产生一定电压，所以输入电源Vin上不断在有电流/没有电流之间切换，也会在回路的寄生电感上产生电压波动，叠加在Vin上，就会在Vin上产生干扰。如果这个电源Vin还给其它电路或芯片供电，那么由于该开关电源的作用而带来的干扰就有可能影响其它电路或芯片的正常功能。如何解决这个问题呢？电容C(IN)于是就挺身而出，出来维持秩序了。当Vin由于干扰而上升时，就要对电容C(IN)充电；当Vin由于干扰而下降时，电容C(IN)就会放电。正是由于电容C(IN)的充放电效应，可以有效抑制输入电源电压上的干扰。

C(out)就是常说的开关电源电路中的Bulk电容。前面说过，通过MOS管的导通关断，就会产生周期性的电源方波。这个周期性的电源方波波形是如何最终形成一个稳定的电压输出呢，C(out)这个电容可以说是功不可没。Q1导通时，输入电源对该电容充电，输出电压上升；Q2导通时，该电容对负载放电，输出电压下降。当电源电路工作于稳定状态时，充电过程中输出电压上升会等同于放电过程中的输出电压下降，输出电压就表现为以输出电压为中线的交替上升和下降锯齿波形。当开关频率足够快，充放电过程非常短时，输出电压波形中交替上升和下降幅度就很小，甚至可以忽略，也就是说输出电压波形几乎可以看作一个稳定的直线波形输出。所以说C(out)的关键作用就是通过自身充放电过程带来很好的滤波效果，从而保证输出电压波形的稳定。

3. Q1 和Q2的门极信号在相位上应当满足什么要求？

答：从上面的分析过程可以知道，MOS管Q1导通时，Q2就关断；Q1关断时，Q2就导通。所以两者的门极控制信号是反相的。

而且，从电路上可以看到，Q1和Q2完全不能同时导通，否则输入电源就会通过两个MOS管短路到地。这回带来什么后果呢？一阵青烟，两管报销。为了确保两管完全没有机会同时导通，除了门极控制信号反相外，两管的状态切换之间需要留有一点时间差。如下图所示，Q1门极信号切换到高（Q1导通）之前，Q1已经切换到低（确保Q2已经关断）；同样Q1门极信号切换到低（Q1关断）之后，Q2才能切换到高（Q2导通）



4. 什么是开关频率？什么是开关电源的占空比？占空比大小由什么决定？

答：开关频率就是问题3）中所说的两MOS管Q1和Q2门极控制周期信号的频率。虽然两个MOS管相位相反，但两者频率是完全一样的。两MOS管的门极控制信号由电源方案控制芯片产生，所以开关频率也由电源方案控制芯片决定。

MOS管门极控制信号的周期为T，一个周期内信号为高的时间是t，那么该开关电源控制信号的占空比（英文叫Duty Cycle）就是t/T。

对于开关电源而言：V（in）* Duty Cycle =  V（out），所以

Duty Cycle = V（out）/ V（in）。

代入上面的公式：Duty Cycle = t/T，可以得出，

t = T * V（out）/ V（in）。

一个开关电源设计，V（out），V（in）和T往往都是预先设定的，根据上述公式就可计算出开关电源控制信号的占空比和控制信号为高的时间。

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