详解开关电源 12V 降 5V 的异步与同步整流电路设计

出处：网络整理发布于：2025-07-28 15:36:43 | 739 次阅读

在电子设备的电源供应中，常常需要将较高的电压转换为合适的低电压，12V 降为 5V 的电源设计便是常见的应用场景。12V - 5V 设计的基本原理是，以 12V 电压作为输入，通过精准控制开关电路的通断时间，来调节电感的充放电时间，从而改变输出电压的平均值。之后，利用 LC 滤波技术对输出电压进行处理，并实施电压和电流反馈控制，最终稳定输出 5V 电压。在 12V 转 5V 的开关电源设计里，存在异步整流和同步整流两种电路设计，下面我们将详细阐述这两种降压电路的原理。

一、异步整流

方波产生原理
通过控制开关闭合的时间，也就是占空比，来产生所需的方波。这是简化后的原理图，其本质是借助不停的开关操作来实现降压，因此被称为开关电源。输入为 12V 的直流电，对其进行快速开关操作后，波形会发生改变。若开关闭合时间与断开时间各占一半，最终可输出 6V 电压。这是因为本质上是通过控制占空比来生成周期性的方波，即 PWM 波，占空比与输出电压、输入电压的关系为：占空比 = 输出电压 / 输入电压。若要从 12V 得到 5V 电压，开关需要在 42% 的时间内闭合，58% 的时间内断开。然而，我们需要的是恒定电压的直流电，那么如何将这些矩形波转换为恒定的 5V 直流电压呢？

注：由于开关电源里开关周期的时间通常以微妙为单位，所以需要使用来替代传统开关，晶体管能够实现每秒上万次的开关频率。

LC 滤波电路
要将上述的红色矩形波转换为恒定的 5V 直流电压，就需要依靠 LC 滤波电路。电感在电路中最常见的作用是与电容一起组成 LC 滤波电路。电容具有 “阻直流，通交流” 的特性，而电感则有 “通直流，阻交流，通低频，阻高频” 的功能。当伴有许多干扰信号的直流电通过 LC 滤波电路时，大部分交流干扰信号会被电感阻止吸收，转化为磁感和热能，剩下的大部分则被电容旁路到地，从而抑制干扰信号的影响。当 MOS 管断开时，电感首先充当电源的角色，为电路提供能量；当电感电流耗尽后，电容开始放电，使电压维持在 5V。这样，在输出端就能获得较为纯净的直流电流（压）。

的作用
在这个电路中，二极管主要用于给电感续流，因此也被称为续流二极管。当 MOS 管断开时，电感一端处于悬空状态，由于电感的电流不能突变（若电流突变，例如从 2A 瞬间降至 0，电感会通过抬升电压来维持电流，防止突变，否则可能会损坏电路），此时给电路并联一个二极管，可为电感续流形成回路。此外，二极管的单向导电性使得在 MOS 管闭合时，该支路断开，不会影响 LC 滤波电路的正常工作。

二、同步整流电路

开关电源优势及改进
开关电源具有诸多显著优势，如功耗低、效率高，体积小、重量轻，稳压范围宽等。然而，开关电源也存在一定的损耗，主要来源包括开关管损耗、电感电容损耗以及二极管损耗。通常情况下，开关电源的效率可以达到 90% 以上，若经过精心优化与设计，甚至能达到 95% 以上。这在以电池作为电力来源的场合尤为重要，例如手机、小型无人机等设备，开关电源设计的优劣将直接影响设备的续航能力。

通过对开关电源损耗的分析，我们意识到这是一个不可忽视的问题。由于无论电流大小，二极管都存在约 0.4V 的固定压降，当电流为 1A 时，二极管消耗的功率就达到 0.4W，这是相当可观的损耗。因此，我们可以用另一个 MOS 管来代替续流二极管，只需确保这两个 MOS 管的开关状态相反即可，这便是所谓的同步整流电路。