在電子設(shè)備的電源供應(yīng)中，常常需要將較高的電壓轉(zhuǎn)換為合適的低電壓，12V 降為 5V 的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)便是常見(jiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景。12V - 5V 開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的基本原理是，以 12V 電壓作為輸入，通過(guò)精準(zhǔn)控制開(kāi)關(guān)電路的通斷時(shí)間，來(lái)調(diào)節(jié)電感的充放電時(shí)間，從而改變輸出電壓的平均值。之后，利用 LC 濾波技術(shù)對(duì)輸出電壓進(jìn)行處理，并實(shí)施電壓和電流反饋控制，最終穩(wěn)定輸出 5V 電壓。在 12V 轉(zhuǎn) 5V 的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)里，存在異步整流和同步整流兩種電路設(shè)計(jì)，下面我們將詳細(xì)闡述這兩種降壓電路的原理。

一、異步整流

1. 方波產(chǎn)生原理
   通過(guò)控制開(kāi)關(guān)閉合的時(shí)間，也就是占空比，來(lái)產(chǎn)生所需的方波。這是簡(jiǎn)化后的原理圖，其本質(zhì)是借助不停的開(kāi)關(guān)操作來(lái)實(shí)現(xiàn)降壓，因此被稱為開(kāi)關(guān)電源。輸入為 12V 的直流電，對(duì)其進(jìn)行快速開(kāi)關(guān)操作后，波形會(huì)發(fā)生改變。若開(kāi)關(guān)閉合時(shí)間與斷開(kāi)時(shí)間各占一半，最終可輸出 6V 電壓。這是因?yàn)楸举|(zhì)上是通過(guò)控制占空比來(lái)生成周期性的方波，即 PWM 波，占空比與輸出電壓、輸入電壓的關(guān)系為：占空比 = 輸出電壓 / 輸入電壓。若要從 12V 得到 5V 電壓，開(kāi)關(guān)需要在 42% 的時(shí)間內(nèi)閉合，58% 的時(shí)間內(nèi)斷開(kāi)。然而，我們需要的是恒定電壓的直流電，那么如何將這些矩形波轉(zhuǎn)換為恒定的 5V 直流電壓呢？

注：由于開(kāi)關(guān)電源里開(kāi)關(guān)周期的時(shí)間通常以微妙為單位，所以需要使用晶體管來(lái)替代傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)，晶體管能夠?qū)崿F(xiàn)每秒上萬(wàn)次的開(kāi)關(guān)頻率。

2. LC 濾波電路
   要將上述的紅色矩形波轉(zhuǎn)換為恒定的 5V 直流電壓，就需要依靠 LC 濾波電路。電感在電路中最常見(jiàn)的作用是與電容一起組成 LC 濾波電路。電容具有 “阻直流，通交流” 的特性，而電感則有 “通直流，阻交流，通低頻，阻高頻” 的功能。當(dāng)伴有許多干擾信號(hào)的直流電通過(guò) LC 濾波電路時(shí)，大部分交流干擾信號(hào)會(huì)被電感阻止吸收，轉(zhuǎn)化為磁感和熱能，剩下的大部分則被電容旁路到地，從而抑制干擾信號(hào)的影響。當(dāng) MOS 管斷開(kāi)時(shí)，電感首先充當(dāng)電源的角色，為電路提供能量；當(dāng)電感電流耗盡后，電容開(kāi)始放電，使電壓維持在 5V。這樣，在輸出端就能獲得較為純凈的直流電流（壓）。

3. 二極管的作用
   在這個(gè)電路中，二極管主要用于給電感續(xù)流，因此也被稱為續(xù)流二極管。當(dāng) MOS 管斷開(kāi)時(shí)，電感一端處于懸空狀態(tài)，由于電感的電流不能突變（若電流突變，例如從 2A 瞬間降至 0，電感會(huì)通過(guò)抬升電壓來(lái)維持電流，防止突變，否則可能會(huì)損壞電路），此時(shí)給電路并聯(lián)一個(gè)二極管，可為電感續(xù)流形成回路。此外，二極管的單向?qū)щ娦允沟迷?MOS 管閉合時(shí)，該支路斷開(kāi)，不會(huì)影響 LC 濾波電路的正常工作。

二、同步整流電路

1. 開(kāi)關(guān)電源優(yōu)勢(shì)及改進(jìn)
   開(kāi)關(guān)電源具有諸多顯著優(yōu)勢(shì)，如功耗低、效率高，體積小、重量輕，穩(wěn)壓范圍寬等。然而，開(kāi)關(guān)電源也存在一定的損耗，主要來(lái)源包括開(kāi)關(guān)管損耗、電感電容損耗以及二極管損耗。通常情況下，開(kāi)關(guān)電源的效率可以達(dá)到 90% 以上，若經(jīng)過(guò)精心優(yōu)化與設(shè)計(jì)，甚至能達(dá)到 95% 以上。這在以電池作為電力來(lái)源的場(chǎng)合尤為重要，例如手機(jī)、小型無(wú)人機(jī)等設(shè)備，開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的優(yōu)劣將直接影響設(shè)備的續(xù)航能力。

通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)電源損耗的分析，我們意識(shí)到這是一個(gè)不可忽視的問(wèn)題。由于無(wú)論電流大小，二極管都存在約 0.4V 的固定壓降，當(dāng)電流為 1A 時(shí)，二極管消耗的功率就達(dá)到 0.4W，這是相當(dāng)可觀的損耗。因此，我們可以用另一個(gè) MOS 管來(lái)代替續(xù)流二極管，只需確保這兩個(gè) MOS 管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)相反即可，這便是所謂的同步整流電路。

以下是不同輸入輸出規(guī)格的接線參考圖：
輸入 6V - 24V，輸出 5V/3A

輸入 4.5V - 24V，輸出 3.3V/3A

輸入 4.5V - 24V，輸出 2.5V/3A

輸入 4.5V - 24V，輸出 1.8V/3A

輸入 4.5V - 24V，輸出 1.2V/3A




綜上所述，12V 降 5V 的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，異步整流和同步整流電路各有特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。異步整流電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低；而同步整流電路則能有效降低損耗，提高效率。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的需求和設(shè)計(jì)要求來(lái)選擇合適的電路方案。