開關(guān)模式電源或 SMPS 正在變得越來越普遍，并且在大多數(shù)情況下已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的線性交流到直流電源，作為降低功耗、減少散熱以及尺寸和重量的一種方式。

開關(guān)模式電源現(xiàn)在可以在大多數(shù) PC、功率放大器、電視、直流電機驅(qū)動器等中找到，幾乎任何需要高效電源的東西都可以找到，因為開關(guān)模式電源越來越成為一種成熟得多的技術(shù)。

根據(jù)定義，開關(guān)模式電源 (SMPS) 是一種使用半導(dǎo)體開關(guān)技術(shù)而非標(biāo)準(zhǔn)線性方法來提供所需輸出電壓的電源。 基本開關(guān)轉(zhuǎn)換器由功率開關(guān)級和控制電路組成。

電源開關(guān)級執(zhí)行從電路輸入電壓 VIN 到其輸出電壓 VOUT 的電源轉(zhuǎn)換，其中包括輸出濾波。

與標(biāo)準(zhǔn)線性穩(wěn)壓器相比，開關(guān)模式電源的主要優(yōu)點是效率更高，這是通過在內(nèi)部切換晶體管（或功率 MOSFET）在其“ON”狀態(tài)（飽和）和“OFF”狀態(tài)之間實現(xiàn)的（ 截止），兩者都產(chǎn)生較低的功耗。

這意味著當(dāng)開關(guān)晶體管完全“導(dǎo)通”并傳導(dǎo)電流時，其兩端的電壓降處于其最小值，而當(dāng)晶體管完全“關(guān)斷”時，沒有電流流過它。 所以晶體管就像一個理想的開/關(guān)開關(guān)。

與僅提供降壓電壓調(diào)節(jié)的線性穩(wěn)壓器不同，開關(guān)模式電源可以使用三種基本開關(guān)模式電路拓?fù)渲械囊环N或多種來提供輸入電壓的降壓、升壓和負(fù)電壓：降壓、升壓和降壓 -促進。 這些名稱指的是晶體管開關(guān)、電感器和平滑電容器如何在基本 SMPS 電路中連接在一起。

降壓開關(guān)模式電源

降壓開關(guān)穩(wěn)壓器是一種開關(guān)模式電源電路，旨在有效地將直流電壓從較高電壓降低到較低電壓，即減去或“降壓”電源電壓，從而降低輸出端可用的電壓 終端不改變極性。 換句話說，降壓開關(guān)穩(wěn)壓器是一個降壓穩(wěn)壓器電路，例如降壓轉(zhuǎn)換器可以將 +12 伏特轉(zhuǎn)換為 +5 伏特。

降壓開關(guān)穩(wěn)壓器是一種 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，是最簡單和最流行的開關(guān)穩(wěn)壓器類型之一。 當(dāng)在開關(guān)模式電源配置中使用時，降壓開關(guān)穩(wěn)壓器使用串聯(lián)晶體管或功率 MOSFET（理想情況下是絕緣柵雙極晶體管或 IGBT）作為其主要開關(guān)器件，如下所示。

我們可以看到，降壓轉(zhuǎn)換器的基本電路配置是串聯(lián)晶體管開關(guān)、TR1 和相關(guān)驅(qū)動電路（使輸出電壓盡可能接近所需水平）、二極管 D1、電感器 L1 和平滑電路 電容器，C1。 降壓轉(zhuǎn)換器有兩種工作模式，具體取決于開關(guān)晶體管 TR1 是“ON”還是“OFF”。

當(dāng)晶體管偏置為“ON”（開關(guān)閉合）時，二極管 D1 變?yōu)榉聪蚱茫斎腚妷?VIN 導(dǎo)致電流通過電感器流向輸出端連接的負(fù)載，從而為電容器 C1 充電。

當(dāng)變化的電流流過電感器線圈時，它會根據(jù)法拉第定律產(chǎn)生一個與電流相反的反電動勢，直到它達到穩(wěn)定狀態(tài)，從而在電感器 L1 周圍產(chǎn)生磁場。 只要 TR1 關(guān)閉，這種情況就會無限期地持續(xù)下去。

當(dāng)晶體管 TR1 被控制電路“關(guān)閉”（開關(guān)打開）時，輸入電壓立即與發(fā)射極電路斷開，導(dǎo)致電感器周圍的磁場崩潰，從而在電感器上產(chǎn)生反向電壓。

該反向電壓導(dǎo)致二極管正向偏置，因此電感器磁場中存儲的能量迫使電流繼續(xù)沿相同方向流過負(fù)載，并通過二極管返回。

然后，電感器 L1 將其存儲的能量返回到負(fù)載，就像電源一樣提供電流，直到電感器的所有能量返回到電路或直到晶體管開關(guān)再次閉合，以先到者為準(zhǔn)。 同時電容器也放電，為負(fù)載提供電流。 電感器和電容器的組合形成了一個 LC 濾波器，可以消除晶體管開關(guān)動作產(chǎn)生的任何紋波。

因此，當(dāng)晶體管固態(tài)開關(guān)閉合時，電流由電源提供，而當(dāng)晶體管開關(guān)打開時，電流由電感器提供。 請注意，流過電感器的電流始終沿相同方向，要么直接來自電源，要么通過二極管，但顯然在開關(guān)周期內(nèi)的不同時間。

由于晶體管開關(guān)不斷閉合和打開，因此平均輸出電壓值將與占空比 D 相關(guān)，占空比 D 定義為晶體管開關(guān)在一個完整開關(guān)周期內(nèi)的導(dǎo)通時間。

如果 VIN 是電源電壓，晶體管開關(guān)的“ON”和“OFF”時間定義為：tON 和 tOFF，則輸出電壓 VOUT 為：

降壓轉(zhuǎn)換器的占空比也可以定義為：

因此占空比越大，開關(guān)電源的平均直流輸出電壓就越高。 由此我們還可以看出，輸出電壓將始終低于輸入電壓，因為占空比 D 永遠(yuǎn)不會達到 1（單位），從而導(dǎo)致降壓穩(wěn)壓器。

通過改變占空比和高達 200kHz 的高開關(guān)速度獲得電壓調(diào)節(jié)，可以使用更小的組件，從而大大減小開關(guān)模式電源的尺寸和重量。

降壓轉(zhuǎn)換器的另一個優(yōu)點是，電感-電容 (LC) 排列可以很好地過濾電感電流。 理想情況下，降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)在連續(xù)開關(guān)模式下運行，以使電感器電流永遠(yuǎn)不會降至零。 使用理想組件，即“ON”狀態(tài)下的零壓降和開關(guān)損耗，理想降壓轉(zhuǎn)換器的效率可高達 100%。

除了用于開關(guān)模式電源基本設(shè)計的降壓降壓開關(guān)穩(wěn)壓器外，基本開關(guān)穩(wěn)壓器還有另一種用作升壓穩(wěn)壓器的操作，稱為升壓轉(zhuǎn)換器。

升壓開關(guān)模式電源

升壓開關(guān)穩(wěn)壓器是另一種開關(guān)模式電源電路。 它與之前的降壓轉(zhuǎn)換器具有相同類型的組件，但這次位于不同的位置。 升壓轉(zhuǎn)換器旨在將直流電壓從較低電壓增加到較高電壓，也就是說，它也會增加或“提升”電源電壓，從而在不改變極性的情況下增加輸出端子處的可用電壓。 換句話說，升壓開關(guān)穩(wěn)壓器是升壓穩(wěn)壓器電路，例如升壓轉(zhuǎn)換器可以將 +5 伏轉(zhuǎn)換為 +12 伏。

我們之前看到降壓開關(guān)穩(wěn)壓器在其基本設(shè)計中使用串聯(lián)開關(guān)晶體管。 與升壓開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計的不同之處在于，它使用并聯(lián)連接的開關(guān)晶體管來控制開關(guān)模式電源的輸出電壓。

由于晶體管開關(guān)與輸出有效并聯(lián)，因此當(dāng)晶體管偏置為“OFF”（開關(guān)打開）時，電能僅通過電感器傳遞到負(fù)載，如圖所示。

在升壓轉(zhuǎn)換器電路中，當(dāng)晶體管開關(guān)完全導(dǎo)通時，來自電源 VIN 的電能通過電感器和晶體管開關(guān)返回電源。 結(jié)果，由于飽和的晶體管開關(guān)有效地對輸出造成了短路，所以沒有一個會傳遞到輸出。

這增加了流經(jīng)電感器的電流，因為它具有更短的返回電源的內(nèi)部路徑。 同時，二極管 D1 變?yōu)榉聪蚱?，因為它的陽極通過晶體管開關(guān)接地，隨著電容器開始通過負(fù)載放電，輸出端的電壓電平保持相當(dāng)恒定。

當(dāng)晶體管完全關(guān)閉時，輸入電源現(xiàn)在通過串聯(lián)的電感器和二極管連接到輸出。 隨著電感場減小，存儲在電感器中的感應(yīng)能量被 VIN 通過現(xiàn)在正向偏置的二極管推到輸出端。

所有這一切的結(jié)果是電感器 L1 兩端的感應(yīng)電壓反向并增加到輸入電源的電壓，從而增加了總輸出電壓，因為它現(xiàn)在變成了 VIN + VL。

來自平滑電容器的電流 C1 用于在晶體管開關(guān)閉合時為負(fù)載供電，現(xiàn)在通過二極管由輸入電源返回到電容器。 那么提供給電容器的電流就是二極管電流，隨著二極管通過晶體管的開關(guān)動作不斷地在正向和反向狀態(tài)之間切換，二極管電流將始終處于“ON”或“OFF”狀態(tài)。 然后平滑電容器必須足夠大以產(chǎn)生平滑穩(wěn)定的輸出。

由于電感器 L1 兩端的感應(yīng)電壓為負(fù)，它增加了電源電壓，VIN 迫使電感器電流流入負(fù)載。 升壓轉(zhuǎn)換器穩(wěn)態(tài)輸出電壓由下式給出：

與之前的降壓轉(zhuǎn)換器一樣，升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓取決于輸入電壓和占空比。 因此，通過控制占空比，實現(xiàn)了輸出調(diào)節(jié)。 也不是這個等式獨立于電感值、負(fù)載電流和輸出電容器。

上面我們已經(jīng)看到，非隔離開關(guān)模式電源電路的基本操作可以使用降壓轉(zhuǎn)換器或升壓轉(zhuǎn)換器配置，具體取決于我們需要降壓（降壓）還是升壓（升壓）輸出電壓。 雖然降壓轉(zhuǎn)換器可能是更常見的 SMPS 開關(guān)配置，但升壓轉(zhuǎn)換器通常用于電容電路應(yīng)用，例如電池充電器、閃光燈、閃光燈等，因為電容器在開關(guān)閉合時提供所有負(fù)載電流。

但我們也可以將這兩種基本開關(guān)拓?fù)浣M合成一個單一的非隔離開關(guān)穩(wěn)壓器電路，毫不奇怪，稱為降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。

降壓-升壓開關(guān)穩(wěn)壓器

降壓-升壓開關(guān)穩(wěn)壓器是降壓轉(zhuǎn)換器和升壓轉(zhuǎn)換器的組合，可產(chǎn)生反相（負(fù)）輸出電壓，該輸出電壓可根據(jù)占空比大于或小于輸入電壓。 降壓-升壓轉(zhuǎn)換器是升壓轉(zhuǎn)換器電路的變體，其中反相轉(zhuǎn)換器僅將電感器 L1 存儲的能量輸送到負(fù)載中。 下面給出了基本的降壓-升壓開關(guān)模式電源電路。

當(dāng)晶體管開關(guān) TR1 完全導(dǎo)通（閉合）時，電感兩端的電壓等于電源電壓，因此電感存儲來自輸入電源的能量。 由于二極管 D1 反向偏置，因此沒有電流傳送到輸出端連接的負(fù)載。 當(dāng)晶體管開關(guān)完全關(guān)閉（打開）時，二極管變?yōu)檎蚱?，之前存儲在電感器中的能量被轉(zhuǎn)移到負(fù)載。

換句話說，當(dāng)開關(guān)處于“ON”狀態(tài)時，直流電源（通過開關(guān)）將能量傳遞到電感器中，而沒有輸出，而當(dāng)開關(guān)處于“OFF”狀態(tài)時，電感器兩端的電壓反向為 電感器現(xiàn)在成為能量源，因此先前存儲在電感器中的能量被切換到輸出（通過二極管），并且沒有直接來自輸入直流電源。 因此，當(dāng)開關(guān)晶體管“關(guān)斷”時負(fù)載兩端的壓降等于電感電壓。

結(jié)果是反相輸出電壓的幅度可以大于或小于（或等于）基于占空比的輸入電壓的幅度。 例如，正負(fù)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可以將 5 伏特轉(zhuǎn)換為 12 伏特（升壓）或?qū)?12 伏特轉(zhuǎn)換為 5 伏特（降壓）。

降壓-升壓開關(guān)穩(wěn)壓器穩(wěn)態(tài)輸出電壓 VOUT 為：

然后，降壓-升壓穩(wěn)壓器因產(chǎn)生幅度高于（如升壓功率級）或低于（如降壓功率級）輸入電壓的輸出電壓而得名。 然而，輸出電壓與輸入電壓的極性相反。

開關(guān)模式電源摘要現(xiàn)代開關(guān)模式電源或 SMPS 使用固態(tài)開關(guān)將未穩(wěn)壓的直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為不同電壓電平的穩(wěn)壓和平滑直流輸出電壓。 輸入電源可以是來自電池或太陽能電池板的真實直流電壓，也可以是來自使用二極管電橋和一些額外電容濾波的交流電源的整流直流電壓。

在許多功率控制應(yīng)用中，功率晶體管、MOSFET 或 IGFET 在其開關(guān)模式下運行，如果它被高速反復(fù)“導(dǎo)通”和“關(guān)斷”。 這樣做的主要優(yōu)點是穩(wěn)壓器的功率效率可以非常高，因為晶體管要么完全導(dǎo)通并導(dǎo)通（飽和），要么完全截止（截止）。

有多種類型的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器（與作為逆變器的 DC-AC 轉(zhuǎn)換器相對）配置可用，這里介紹的三種基本開關(guān)電源拓?fù)涫?Buck、Boost 和 Buck -升壓開關(guān)穩(wěn)壓器。 所有這三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都是非隔離的，即它們的輸入和輸出電壓共享一條公共接地線。

在穩(wěn)態(tài)占空比、輸入和輸出電流之間的關(guān)系以及固態(tài)開關(guān)動作產(chǎn)生的輸出電壓紋波方面，每種開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計都有其獨特的特性。 這些開關(guān)模式電源拓?fù)涞牧硪粋€重要特性是開關(guān)動作對輸出電壓的頻率響應(yīng)。

輸出電壓的調(diào)節(jié)是通過控制開關(guān)晶體管處于“ON”狀態(tài)的時間與總 ON/OFF 時間的百分比控制來實現(xiàn)的。 該比率稱為占空比，通過改變占空比，(D 可以控制輸出電壓 VOUT 的大小。

在開關(guān)模式電源設(shè)計中使用單個電感器和二極管以及能夠以千赫茲范圍內(nèi)的開關(guān)頻率工作的快速開關(guān)固態(tài)開關(guān)，可以大大減小電源的尺寸和重量 .

這是因為在他們的設(shè)計中不會有大而重的降壓（或升壓）電源變壓器。 但是，如果輸入和輸出端子之間需要電氣隔離，則必須在轉(zhuǎn)換器之前包括一個變壓器。

兩種最流行的非隔離開關(guān)配置是降壓（減法）和升壓（加法）轉(zhuǎn)換器。

降壓轉(zhuǎn)換器是一種開關(guān)模式電源，旨在將電能從一個電壓轉(zhuǎn)換為較低電壓。 降壓轉(zhuǎn)換器與串聯(lián)連接的開關(guān)晶體管一起工作。 由于占空比 D < 1，降壓器的輸出電壓始終小于輸入電壓 VIN。

升壓轉(zhuǎn)換器是一種開關(guān)模式電源，旨在將電能從一個電壓轉(zhuǎn)換為更高的電壓。 升壓轉(zhuǎn)換器與并聯(lián)連接的開關(guān)晶體管一起工作，該晶體管通過電感器 L1 和二極管 D1 在 VIN 和 VOUT 之間形成直流路徑。 這意味著沒有針對輸出短路的保護。

通過改變升壓轉(zhuǎn)換器的占空比 (D)，可以控制輸出電壓，并且當(dāng) D < 1 時，升壓轉(zhuǎn)換器的直流輸出由于電感自感應(yīng)電壓而大于輸入電壓 VIN。

此外，假定開關(guān)模式電源中的輸出平滑電容器非常大，這會導(dǎo)致晶體管開關(guān)動作期間開關(guān)模式電源的輸出電壓恒定。