開(kāi)關(guān)模式電源(Switch Mode Power Supply，簡(jiǎn)稱(chēng)SMPS)，又稱(chēng)交換式電源、開(kāi)關(guān)變換器，是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置，是電源供應(yīng)器的一種。其功能是將一個(gè)位準(zhǔn)的電壓，透過(guò)不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為用戶(hù)端所需求的電壓或電流。開(kāi)關(guān)電源的輸入多半是交流電源(例如市電)或是直流電源，而輸出多半是需要直流電源的設(shè)備，例如個(gè)人電腦，而開(kāi)關(guān)電源就進(jìn)行兩者之間電壓及電流的轉(zhuǎn)換。

開(kāi)關(guān)電源不同于線性電源，開(kāi)關(guān)電源利用的切換晶體管多半是在全開(kāi)模式(飽和區(qū))及全閉模式(截止區(qū))之間切換，這兩個(gè)模式都有低耗散的特點(diǎn)，切換之間的轉(zhuǎn)換會(huì)有較高的耗散，但時(shí)間很短，因此比較節(jié)省能源，產(chǎn)生廢熱較少。理想上，開(kāi)關(guān)電源本身是不會(huì)消耗電能的。電壓穩(wěn)壓是通過(guò)調(diào)整晶體管導(dǎo)通及斷路的時(shí)間來(lái)達(dá)到。相反的，線性電源在產(chǎn)生輸出電壓的過(guò)程中，晶體管工作在放大區(qū)，本身也會(huì)消耗電能。開(kāi)關(guān)電源的高轉(zhuǎn)換效率是其一大優(yōu)點(diǎn)，而且因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源工作頻率高，可以使用小尺寸、輕重量的變壓器，因此開(kāi)關(guān)電源也會(huì)比線性電源的尺寸要小，重量也會(huì)比較輕。若電源的高效率、體積及重量是考慮重點(diǎn)時(shí)，開(kāi)關(guān)電源比線性電源要好。不過(guò)開(kāi)關(guān)電源比較復(fù)雜，內(nèi)部晶體管會(huì)頻繁切換，若切換電流尚未加以處理，可能會(huì)產(chǎn)生噪聲及電磁干擾影響其他設(shè)備，而且若開(kāi)關(guān)電源沒(méi)有特別設(shè)計(jì)，其電源功率因數(shù)可能不高。

具有固定開(kāi)關(guān)頻率的開(kāi)關(guān)電源，也并非總是顯示連續(xù)的脈沖。在某些情況下，由于各種原因，脈沖會(huì)被忽略。在考慮輸出紋波電壓和EMI效應(yīng)時(shí)，這一點(diǎn)非常重要。

用于電壓轉(zhuǎn)換的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器通常采用可調(diào)的或固定的開(kāi)關(guān)頻率。這個(gè)值通常在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器IC數(shù)據(jù)手冊(cè)的第一頁(yè)列出。對(duì)于電源電路來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)頻率的選擇是很重要的，因?yàn)樗鼤?huì)影響到外部無(wú)源器件的尺寸和成本。此外，開(kāi)關(guān)頻率還會(huì)影響可實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)換效率。對(duì)于整個(gè)電路(不僅是功率轉(zhuǎn)換器，還包括系統(tǒng)中的其他電路部分)，開(kāi)關(guān)頻率的選擇也非常重要。ADI通常在整個(gè)系統(tǒng)受干擾最小的頻率范圍內(nèi)選擇開(kāi)關(guān)頻率。受印刷電路板的寄生效應(yīng)影響，電源的開(kāi)關(guān)頻率通常通過(guò)電容和電感耦合方式與電路的許多部分耦合。

在選擇了正確的開(kāi)關(guān)頻率之后，電路設(shè)計(jì)人員在評(píng)估實(shí)際電路時(shí)，往往會(huì)得出令人驚訝的結(jié)果。在選定的開(kāi)關(guān)頻率下，所設(shè)計(jì)的電路常常不能按預(yù)期開(kāi)關(guān)。通常有以下兩方面原因。

突發(fā)模式

許多應(yīng)用需要非常高的轉(zhuǎn)換效率，即使在低輸出負(fù)載下也是如此。如果所需的輸出功率只有幾mW，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器本身的供電電流是嚴(yán)重不成比例的。如果以百分比表示效率，這一點(diǎn)尤其明顯。為了提高這些情況下的效率，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器IC通常會(huì)配置特殊的突發(fā)模式。圖1顯示在突發(fā)模式®下，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的電壓隨時(shí)間的變化。在切換到較長(zhǎng)的暫停階段之前，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)會(huì)開(kāi)關(guān)一次。在這個(gè)暫停階段，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器IC的許多功能進(jìn)入睡眠模式，只需消耗極少量的電能。圖1顯示了開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓、電感電流和輸出電壓

在突發(fā)模式下工作時(shí)，輸出電壓的紋波更大。相比在正常工作條件下由開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置的電壓紋波，其頻率要低得多。根據(jù)電壓轉(zhuǎn)換器IC和電路條件，在突發(fā)階段操作時(shí)，通常會(huì)存在極少量的脈沖，例如，一個(gè)脈沖或大量脈沖。通常，在輸出電壓達(dá)到設(shè)定的上限閾值之前，會(huì)產(chǎn)生盡可能多的脈沖。之后會(huì)暫停一段時(shí)間，直到輸出電壓降到低于閾值下限。在這種情況下，在脈沖期間，仍然會(huì)按照選定的開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)，但由突發(fā)階段定義的更低的頻率和暫停階段也會(huì)出現(xiàn)在頻譜中。

脈沖跳頻模式

另一種模式是脈沖跳頻模式。許多類(lèi)型的功率轉(zhuǎn)換器都提供這種模式。在許多拓?fù)湓O(shè)計(jì)中，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)上每出現(xiàn)一次脈沖時(shí)，會(huì)有一定量的電能基于正常的最低導(dǎo)通時(shí)間從功率轉(zhuǎn)換器的輸入端移動(dòng)到輸出端。但是，如果在這時(shí)候，負(fù)載不需要或只需要很少量的電能，輸出電壓會(huì)上升。一些脈沖會(huì)被跳過(guò)，以防輸出電壓上升過(guò)多。此時(shí)，輸出電壓的電壓紋波也會(huì)增大。脈沖跳頻模式通常由反饋節(jié)點(diǎn)上的過(guò)壓比較器激活。例如，如果跳過(guò)每秒脈沖，即可在頻譜中看到相當(dāng)于設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率一半的開(kāi)關(guān)頻率(FFT表示法)。

與突發(fā)模式相比，在脈沖跳頻模式下，只需讓輸出電壓保持在特定范圍內(nèi)，不會(huì)節(jié)省大量電能。所以，轉(zhuǎn)換效率只會(huì)稍稍提高。

因此，如果開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器以不同于設(shè)置頻率的開(kāi)關(guān)頻率開(kāi)關(guān)，可能是因?yàn)殡娐诽幱谕话l(fā)模式或脈沖跳頻模式。

但是，可能有其他原因?qū)е略陂_(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)非連續(xù)脈沖。其中包括：一般控制環(huán)路不穩(wěn)定、達(dá)到現(xiàn)有的限流值、溫度超過(guò)熱關(guān)斷限值等。

結(jié)論

開(kāi)關(guān)模式電源能夠以不同于預(yù)期開(kāi)關(guān)頻率的脈沖運(yùn)行。這一般發(fā)生在低負(fù)載條件下。理解這種行為背后的機(jī)制，這在評(píng)估開(kāi)關(guān)模式電源電路時(shí)是非常有用的。設(shè)計(jì)人員可以以此為依據(jù)，準(zhǔn)確推斷電源是否正在可靠運(yùn)行。