线性稳压电源和开关电源对比分析

　　线性稳压电源的工作原理
　　如图是线性稳压电源内部结构的简单示意图。我们的目的是从高电压Vs得到低电压Vo。在图中，Vo经过两个分压电阻分压得到V ，V 被送入放大器（我们把这个放大器叫做误差放大器）的正端，而放大器的负端Vref是电源内部的参考电平（这个参考电平是恒定的）。放大器的输出Va连接到MOSFET的栅极来控制MOSFET的阻抗。Va变大时，MOSFET的阻抗变大；Va变小时，MOSFET的阻抗变小。MOSFET上的压降将是Vs-Vo。
　　
　　现在我们来看Vo是怎么稳定的，假设Vo变小，那么V 将变小，放大器的输出Va也将变小，这将导致MOSFET的阻抗变小，这样经过同样的电流，MOSFET的压差将变小，于是将Vo上抬来抑制Vo的变小。同理，Vo变大，V 变大，Va变大，MOSFET的阻抗变大，经过同样的电流，MOSFET的压差变大，于是抑制Vo变大。

　　开关电源的工作原理
　　
　　如上图，为了从高电压Vs得到Vo，开关电源采用了用一定占空比的方波Vg1，Vg2推动上下MOS管，Vg1和Vg2是反相的，Vg1为高，Vg2为低；上MOS管打开时，下MOS管关闭；下MOS管打开时，上MOS管关闭。由此在L左端形成了一定占空比的方波电压，电感L和电容C我们可以看作是低通滤波器，因此方波电压经过滤波后就得到了滤波后的稳定电压Vo。Vo经过R1、R2分压后送入第一个放大器（误差放大器）的负端V ，误差放大器的输出Va做为第二个放大器（PWM放大器）的正端，PWM放大器的输出Vpwm是一个有一定占空比的方波，经过门逻辑电路处理得到两个反相的方波Vg1、Vg2来控制MOSFET的开关。
　　误差放大器的正端Vref是一恒定的电压，而PWM放大器的负端Vt是一个三角波信号，一旦Va比三角波大时，Vpwm为高；Va比三角波小时，Vpwm为低，因此Va与三角波的关系，决定了方波信号Vpwm的占空比；Va高，占空比就低，Va低，占空比就高。经过处理，Vg1与Vpwm同相，Vg2与Vpwm反相；最终L左端的方波电压Vp与Vg1相同。（如下图）
　　
　　当Vo上升时，V 将上升，Va下降，Vpwm占空比下降，经过们逻辑之后，Vg1的占空比下降，Vg2的占空比上升，Vp占空比下降，这又导致Vo降低，于是Vo的上升将被抑制。反之亦然。

　　线性稳压电源和开关电源的比较
　　懂得了线性稳压电源和开关电源的工作原理之后，我们就可以明白为什么线性稳压电源有较小的噪声，较快的瞬态响应，但是效率差;而开关电源噪声较大，瞬态响应较慢，但效率高了。
　　线性稳压电源内部结构简单，反馈环路短，因此噪声小，而且瞬态响应快（当输出电压变化时，补偿快）。但是因为输入和输出的压差全部落在了MOSFET上，所以它的效率低。因此，线性稳压一般用在小电流，对电压精度要求高的应用上。
　　而开关电源，内部结构复杂，影响输出电压噪声性能的因数很多，且其反馈环路长，因此其噪声性能低于线性稳压电源，且瞬态响应慢。但是根据开关电源的结构，MOSFET处于完全开和完全关两种状态，除了驱动MOSFET，和MOSFET自己内阻消耗的能量之外，其他能量被全部用在了输出（理论上L、C是不耗能量的，尽管实际并非如此，但这些消耗的能量很小）。
　　这一部分澄清高速信号认识的一些误区。
　　一、高速看的是信号沿，不是时钟频率。
　　1） 一般而言，时钟频率高的，其信号上升沿快，因此一般我们把它们当成高速信号；但反过来不一定成立，时钟频率低的，如果信号上升沿依然快的，一样要把它当成高速信号来处理。根据信号理论，信号上升沿包含了高频信息（用傅立叶变换，可以找出定量表达式），因此，一旦信号上升沿很陡，我们应该按高速信号来处理，设计不好，很可能出现上升沿过于缓慢，有过冲，下冲，振铃的现象。比如，I2C信号，在超快速模式下，时钟频率为1MHz，但是其规范要求上升时间或下降时间不超过120ns！确实有很多板I2C就过不了关！
　　2）因此，我们更应该关注的是信号带宽。根据经验公式，带宽与上升时间（10%~90%）的关系为 Fw * Tr = 3.5
　　二、示波器选择
　　1） 很多人注意到了示波器的采样率，没有注意到示波器的带宽。但往往示波器带宽是一个更重要的参数。一些人以为只要示波器采样率满足超过信号时钟频率的两倍就行了，这是大错特错。错误的原因是错误的理解了采样定理。采样定理1说明了当采样频率大于信号最大带宽的两倍，就能完美地恢复原信号。但是，采样定理指的信号是带限信号（带宽是有限的），与现实中的信号严重不符。我们一般的数字信号，除了时钟之外，都不是周期的，从长时间来看，其频谱是无限宽的;要能捕获到高速信号，就不能对其高频分量太多的失真。示波器带宽指标与此息息相关。因此，真正要注意的依然是用示波器捕获的信号的上升沿失真在我们可接受的范围。
　　2） 那么选多高带宽的示波器才合适呢？理论上5倍于信号带宽的示波器捕获的信号比原信号损失不到3%。如果要求损失更宽松，那就可以选择更低端的示波器。用到3倍于信号带宽的示波器应该能满足大多数要求。但是不要忘了你探头的带宽！