开关DC-DC电压转换器(“开关稳压器”)比线性稳压器提供了一些关键的优点。其中最主要的是效率和灵活性，开关稳压器可以升压(升压)、降压(降压)和反转电压。当代模块化芯片是紧凑的、可靠的，并且可以从多个供应商(见技术区文章)了解线性调节器的优点和缺点“用于开关和线性调节器的完全比较”。
然而，这种灵活性是以增加复杂性为代价的。对于一个熟悉线性调节器的优雅的工程师来说，设计一个基于开关设备的电源可能有点令人畏惧。克服这一挑战的关键是了解这个小黑子里发生了什么。
开关稳压器工作的最基本原理是，它由脉冲宽度调制(PWM)控制的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的高频开关得到其电压调节，将其能量馈送到电感器。然后，在MOSFET“关”期间，电感器起到能量供应的作用。
晶体管开关是一种巧妙的调节电压的方法，并使开关调节器的效率从80提高到95%甚至更高。缺点是开关增加了噪声(纹波)到电压输出，并负责将大量的复杂性引入到设计过程中，因为它引入了电磁干扰(EMI)问题。
为了使事情变得更具挑战性，许多现代应用需要很宽的输出负载。在低负载时，MOSFET的“关断”期间的电感电流可以减少到零，开关稳压器进入“不连续模式”，这可能导致意外的电路操作。
本文解释了正常(“连续”)操作和不连续模式之间的区别，突出了开关稳压器的行为在不连续操作的独特方面。本文将解释如何选择电感器可以影响不连续模式的发生，以及制造商如何适应他们的芯片利用不连续操作的优势。
降压开关稳压器操作
图1示出了由开关表示的MOSFET的基本降压开关稳压器电路。图2显示了该开关稳压器产生的波形(假设电路是由“理想”元件组装而成)。
模拟器件的基本Buck开关稳压电路
图1：基本降压开关稳压器电路。
模拟器件开关稳压波形图像
图2：来自图1所示的开关稳压器的波形。
在下面的分析中，假设输出电容(“C”)的值使得输出电压在开关“ON”和“OFF”期间变化不大。在MOSFET的“on”周期(由PWM脉冲串确定)中，等于VIN -VOUT的电压在电感器上感应，并且电感电流以斜率等于(Vin -VOUT)/L上升。当开关“关断”时，电流流过电感器并进入负载(注释)。电感器中的电流不能瞬间改变，二极管提供回流电流路径。电感器上感应的电压现在等于VOUT，但极性现在已经反转。
电感器中的电流然后以等于-VOUT/L的斜率减小。注意，电感器电流总是等于降压开关稳压器的输出电流。在这种工作模式中，电感器电流从不减少到零，所以电路总是在连续模式下工作，开关调节器的电压输出可以从输入输出的经典方程中计算出来：
方程式1
其中D是PWM占空比(吨/(吨+ TOFF))
许多现代应用在负载中表现出广泛的变化。在低负载时，电感器电流最终达到零，开关稳压器进入不连续操作的阈值。图1所示的开关稳压器在不连续工作期间的波形如图3所示。
非连续工作时模拟装置开关调节器波形的图像
图3：图1所示的开关稳压器在不连续工作期间的波形。
在MOSFET“ON”循环期间，电路的工作在电感电流急剧上升的情况下不变。然而，在MOSFET的“关”时间，有两个区域的独特行为。最初，电感器电流正好在连续模式下下降，但是由于输出电流最初相对较低(由于低负载)，电感器电流很快降低到零。
由于MOSFET是“关”的，没有通过二极管的传导路径。因此，电感器的输入侧上的电压(与MOSFET和二极管的交界处的电压相同)跳到VOUT，从而在绕组两端保持零电压，保持零电流。
在这一点上，电路可以表现出独特的行为，这可能需要设计师的干预。特别地，因为MOSFET和二极管的结处的阻抗很高，所以发生振铃(不需要的持续和瞬态振荡)，因为电感器由于杂散二极管和开关电容而谐振。工程师应该检查振铃是否产生不可接受的电磁干扰水平，如果是这样，用合适的RC“缓冲器”来阻尼振铃，以额外的功耗为代价，从而稍微降低效率。
可以计算开关稳压器将进入不连续模式的点。图4显示了在MOSFET接通的精确时刻电感器电流达到零。
开关稳压器电感电流模拟装置波形
图4：开关稳压器电感电流在开关精确时刻达到零的波形。
通过对该波形的分析，可以看出，开关稳压器将进入不连续模式，如果：
方程式2
其中f是开关频率。
升压开关调节器操作
升压开关稳压器的不连续操作类似于降压装置，但进入模式的准则是不同的。
图5显示了一个典型的升压转换器电路，图6显示了合成波形。
模拟器件升压开关稳压电路的图象
图5：基本升压开关稳压器电路。
模拟器件开关稳压波形图像
图6：来自图5所示的开关稳压器的波形。
在这种情况下，开关稳压器的输出可以根据公式计算：
方程式3
与降压装置一样，在低负载情况下，升压调节器的电感器电流减小到零，并且设备进入不连续模式是可能的。再次，振铃发生是因为电感器由于杂散二极管和开关电容而谐振，并且可能需要缓冲电路。
然而，在这种情况下，进入不连续模式的阈值是：
方程式4
防止间断模式
许多硅厂商提供集成开关调节器，将开关元件、二极管和PWM控制器结合到单个设备中。然而，通常，电路设计者选择输入和输出电容器和电感器。在供应商应用笔记中有大量的信息关于如何选择这些组件，这些组件揭示了电感器的选择在很大程度上取决于电感电流的峰值峰值和开关频率(见技术区文章)。“电感器在完成基于功率模块的解决方案中的作用”。
对于给定的工作频率，较大的电感器降低峰值到峰值电流(因为这种绕组的电流上升和下降较浅)。这意味着，如果设计者预期开关调节器将花费其大部分时间在低功率模式下，仔细选择电感器将确保器件从不进入不连续模式。在过去的日子里，这是一个优势，因为一些开关稳压器不能在不连续模式下运行，虽然其他人可以应付它，性能通常是更好的连续模式。此外，在连续模式中的操作允许从给定的输入电压和开关额定电流中提取最大输出功率。
然而，也有一些主要的权衡与此方法：较大的电感器增加了电路面积，更昂贵，并可以降低调节器的效率。
如今，硅厂商已经解决了工程师的困境，许多现代电源模块完全熟练地在不连续模式下运行，对整体性能或产品寿命几乎没有折衷。这样的能力允许设计者利用更小的电感器，即使他的产品注定要在低负载状态下花费大量的时间。
暂停操作
当代的开关调节器允许工程师在不连续的模式下操作他或她的电源的相对宽松的观点——只要他们能处理任何可能出现的电磁干扰问题。然而，工程师应该意识到，开关转换器的效率在低负载下显著下降。对于电池供电的设备，通常在“待机”或“睡眠”模式中花费很长时间，低效的操作会导致比预期的电池寿命更短。
这种低效率的主要原因是MOSFET在开关操作期间的损耗。在正常负载下，这种损耗是微不足道的，但在低负载下，它开始占主导地位。硅供应商在低负载下克服低效率的一种常用技术是让开关稳压器进入不连续模式，然后暂停切换。然后，当输出电压下降到调节阈值以下时，开始新的循环。注意，在这种模式下运行时，开关频率不再是固定的，而是与负载电流γ成比例的，因此可能会引起一些额外的EMI挑战(见TealStanges文章)，以限制在Low Lo期间开关DC/DC转换器的效率低下。“广告”。
马克西姆的MAX8632降压开关稳压器，针对便携式计算机应用，使用这种“跳过脉冲”技术。该芯片可以提供从2到28 V电源的高达15 A的0.7至5.5 V输出。当在低负载下工作时，芯片中的比较器检测到当通过电感的电流反转并打开开关时，允许MOSFET的体二极管阻断反向电流，从而使器件进入不连续模式。当输出电压下降过低时，开关重新启动。
模拟设备的ADP2503使用类似的技术，该公司称之为“省电模式”(PSM)。在这种模式下，当负载电流名义上低于75毫安(在VIN=3.6 V)时，控制器拉上VOUT，然后停止开关状态，直到VOUT恢复到重启值。然后，VOUT再次被拉上一个新的周期。当负载上升到150毫安以上时，器件恢复到固定PWM模式。ADP2503提供2.8至5.5 V的输出电压，从2.3到5.5 V的输入范围。输出电流高达600毫安(图7)。
模拟器件ADP2503的图像
图7：在低负载下，模拟设备的ADP2503进入省电模式，以提高效率。
就其本身而言，德克萨斯仪器提供了一系列具有脉冲跳变能力的开关稳压器。一个典型的例子是TPS63036高效率(高达94%)降压/升压开关稳压器。这是一个微小的芯片级封装(CSP)调节器，它的输入电压从1.8到5.5 V，输出电压为1.2～5.5伏。输出电流达到800毫安。
当平均电感电流低于约100毫安时，TPS63036进入PSM。当装置进入PSM时，它停止开关，直到输出电压达到阈值-此时，调节器通过使用比当前负载条件所要求的编程平均电感电流高的启动操作，再次使输出电压上升。当电感器电流上升到100毫安以上时，调节器恢复到正常PWM操作。
慎重选择
许多现代开关调节器可以容易地处理间断模式下的操作，并且一些制造商通过在低负载下暂停切换操作来积极地使用该技术以提高效率。然而，如果工程师想要避免不连续模式和脉冲跳过操作的潜在电磁干扰的影响，则可以明智地选择调节器的电感α来限制电感器电流的峰值到峰值纹波，使得电源永远不会。进入不连续模式。
另一个选择是仔细考虑开关调节器的工作范围，并将其与精确满足该范围的装置相匹配。工程师们可以诱使“过度指定”开关稳压器在大功率端提供过大的安全裕度。通常，这意味着设备进入一个不连续的模式比一个更温和的设备更高的功率，尽管如此，它仍然能够做这项工作(见技术区文章)选择正确的电压转换器不只是关于峰值效率“)。
如果最终产品总是在低电流下运行，最终的解决方案是考虑开关电容器或“电荷泵”器件。这是一种电压调节器，它使用电容器而不是电感器作为储能元件，因此避免了不连续的操作(见技术区文章“电荷泵切断开关转换器成本”)。
领先的开关稳压器制造商的模拟设备已经发布了白皮书“开关稳压器”，由Walt Kester和Brian Erisman(可从该公司的网站)，它提供了一个极好的介绍开关稳压器操作和电路设计，包括连续和非连续运行的描述。