當電源包含開關(guān)穩(wěn)壓器以將電能從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式并具有必要特性時，稱為開關(guān)模式電源(SMPS)。該電源用于從DC i/p電壓或未調(diào)節(jié)的AC獲得調(diào)節(jié)的DC o/p電壓。

開關(guān)模式電源與其它電源一樣是一個復雜的電路，它從電源向負載供電。開關(guān)模式電源對于消耗功率的不同電氣和電子設(shè)備以及設(shè)計電子項目至關(guān)重要。

開關(guān)模式電源可根據(jù)其電路拓撲結(jié)構(gòu)分為兩種類型：非隔離式轉(zhuǎn)換器和隔離式轉(zhuǎn)換器。

非隔離式轉(zhuǎn)換器

非隔離轉(zhuǎn)換器是一種SMPS拓撲類型，其中開關(guān)電路和輸出未隔離，即它們具有公共端子。非隔離SMPS中的三種基本且重要的類型是：

升壓轉(zhuǎn)換器

降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器

還有其它非隔離式SMPS設(shè)計，如開關(guān)電容器、Cuk轉(zhuǎn)換器和SEPIC轉(zhuǎn)換器，但上面列出的三種類型更加重要。它們是最簡單的SMPS設(shè)計，使用單個電感器作為能量存儲元件和兩個開關(guān)，其中一個是有源開關(guān)(晶體管 - 功率MOSFET)，另一個可以是二極管。

輸出電壓可以更高(升壓)或更低(降壓)，并且可以通過高頻方波(應(yīng)用于開關(guān))的占空比來控制。非隔離拓撲的一個主要缺點是開關(guān)的效率會隨著占空比的降低而下降。隔離拓撲更適合較大的電壓變化。

隔離式轉(zhuǎn)換器

SMPS中的隔離拓撲使用變壓器作為開關(guān)元件和輸出之間的隔離器。根據(jù)變壓器的匝數(shù)比，輸出電壓可以高于或低于輸入電壓?；谧儔浩鞯腟MPS拓撲可以設(shè)計為通過在變壓器上使用多個繞組來生成多個輸出電壓。

其中，儲能元件可以是變壓器次級繞組或單獨的電感器。兩個重要的基于隔離拓撲的SMPS轉(zhuǎn)換器是：

反激式轉(zhuǎn)換器

正向轉(zhuǎn)換器

其它一些常用的隔離式SMPS拓撲結(jié)構(gòu)是半橋、全橋、推挽、半正向、隔離Cuk 等。

降壓轉(zhuǎn)換器

降壓轉(zhuǎn)換器是一種SMPS電路和DC-DC轉(zhuǎn)換器，其中輸出電壓小于輸入電壓。

降壓轉(zhuǎn)換器是最簡單的SMPS電源轉(zhuǎn)換器技術(shù)之一，常用于RAM、CPU、USB等。降壓轉(zhuǎn)換器中的輸入直流電可以是整流后的交流電或電池。下圖顯示了一個使用兩個開關(guān)(一個晶體管和一個二極管)和一個儲能元件(電感器)的簡單降壓轉(zhuǎn)換器。

在上圖中是一個簡單的降壓轉(zhuǎn)換器裝置，它由開關(guān)晶體管、二極管、電感器和電容器組成。電感器、二極管和電容器的組合稱為慣性同步電路。

另外，降壓轉(zhuǎn)換器的操作是根據(jù)方波脈沖來進行的。下圖顯示了輸入脈沖為高電平時降壓轉(zhuǎn)換器的操作，即開關(guān)晶體管導通。

當輸入到MOSFET柵極端子的脈沖為高電平時，晶體管導通。結(jié)果，晶體管將為負載提供電流。在此期間，二極管D處于反向偏置狀態(tài)，在此期間不會成為電路的一部分。

最初，電感器抵抗電流的變化，因此，負載電流將隨著磁場的擴大而逐漸增加。此外，電容器上的電荷逐漸增加到電源電壓。下圖是脈沖變低的情況，即晶體管關(guān)閉。

當脈沖變?yōu)榈碗娖綍r，開關(guān)晶體管關(guān)閉。在晶體管導通狀態(tài)期間建立的磁場現(xiàn)在開始崩潰并將能量釋放回電路。電感兩端電壓的極性，即它的反電動勢現(xiàn)在反轉(zhuǎn)了。來自電感器的能量開始崩潰并保持電流在電路中流過負載和二極管，因為二極管D正向偏置。

一旦來自電感器的能量被完全利用，電容器開始放電并充當主要電源，直到晶體管導通。當晶體管導通時，它將再次向電感、電容和負載提供電流，并且該過程繼續(xù)進行。

輸出電壓取決于開和關(guān)時間，即方波脈沖的占空比，輸出電壓的公式為：

VOUT=D x VIN，其中D=TON/(TON+TOFF)

借助降壓轉(zhuǎn)換器，可以實現(xiàn)超過90%的效率，因此，它們經(jīng)常用于計算機系統(tǒng)，將12V電源轉(zhuǎn)換為典型的1.8V(用于RAM、CPU和USB)。

升壓轉(zhuǎn)換器

顧名思義，升壓轉(zhuǎn)換器是一種開關(guān)模式電源，可相對于輸入電壓提升或增加輸出電壓，去輸出電壓高于輸入電壓。

升壓轉(zhuǎn)換器最著名的應(yīng)用之一是電動汽車。電動汽車電池的供電不足以使其工作，因為它們需要比電池提供的電壓高得多的電壓(通常在500V左右)。升壓轉(zhuǎn)換器的另一個重要應(yīng)用是汽車中的筆記本電腦充電器。典型的汽車電池提供12V，筆記本電腦需要18至22V之間的任何電壓。

下面顯示了一個簡單的升壓轉(zhuǎn)換器，這個簡單的升壓轉(zhuǎn)換器由一個開關(guān)晶體管(可以使用BJT或MOSFET)、一個能量存儲元件(即電感器)、另一個開關(guān)(二極管或另一個晶體管)、電容器和一個占空比可控的高頻方波振蕩器組成。

此升壓轉(zhuǎn)換器的輸入是未調(diào)節(jié)的直流電，可由整流的交流、電池、太陽能、直流發(fā)電機等提供，即可AC轉(zhuǎn)換DC。

首先，能夠看到晶體管第一次打開的時間段。當脈沖第一次為高電平時，晶體管導通并關(guān)閉由電感器、晶體管和輸入電源組成的電路的一部分。電流從輸入端流過電感器和晶體管。

電感器最初會抵抗電流的變化，但磁場會逐漸增加，從而使電感器能夠存儲能量。電路其余部分(即二極管、電容器和負載)的阻抗要高得多，因此，電路的那部分不會有電流流動。

當方波脈沖變?yōu)榈碗娖綍r，晶體管關(guān)閉。此操作將導致流經(jīng)電感器的電流下降，由于磁場崩潰，會在電路中產(chǎn)生反電動勢。此外，電感兩端電壓的極性現(xiàn)在已反轉(zhuǎn)，將與輸入電壓串聯(lián)。

輸入電壓和電感器反電動勢的組合無法通過電感器，因為它已關(guān)閉。因此，二極管正向偏置并為電容器充電并為負載提供電流。

需要注意的一點是，在晶體管關(guān)斷狀態(tài)期間提供給電容器和負載的電壓是輸入電壓和電感器反電動勢的組合，高于輸入電壓。

當晶體管再次導通時，電流再次流過電感和晶體管。由于二極管反向偏置，在此期間，電容器通過充當其源的負載釋放其電位，該電位是輸入電壓和電感器電壓的總和。

其輸出電壓由下式給出：

VOUT= VIN x 1/(1-D) ，其中 D=TON/(TON+TOFF)。

反激式轉(zhuǎn)換器

反激式轉(zhuǎn)換器是一種開關(guān)模式電源，通常用于低功率應(yīng)用。反激式轉(zhuǎn)換器是一種隔離型SMPS，其中輸入和輸出通過變壓器隔離。下面是一個簡單的反激式轉(zhuǎn)換器的電路。

反激式轉(zhuǎn)換器的主要組件是開關(guān)晶體管、振蕩器電路、變壓器、開關(guān)(如二極管)和電容器。這里的變壓器不同于一般的變壓器，而是稱為反激式變壓器(Flyback Transformer)。在此變壓器中，初級和次級不同時導通。

當晶體管導通時，電流流過變壓器的初級，dot為較高電位。結(jié)果，次級感應(yīng)電壓的極性將與初級相反。因此，二極管D反向偏置。如果電容器在前一個周期充電，它將通過負載放電。下圖顯示了反激式轉(zhuǎn)換器中的此段運行時間：

下圖說明了反激式轉(zhuǎn)換器在其他時段(即晶體管關(guān)斷時段)的操作。當脈沖變低時，晶體管關(guān)斷，變壓器的初級不導通。變壓器次級的能量將釋放到電路中，并且次級的極性也會反轉(zhuǎn)，即變?yōu)檎龢O。因此，二極管正向偏置，允許存儲在次級線圈中的能量充當電源，它為電容器充電并為負載提供電流。

正向轉(zhuǎn)換器

另一個重要的開關(guān)模式電源是正向轉(zhuǎn)換器。它也是另一種隔離型SMPS，可從未調(diào)節(jié)的直流電源產(chǎn)生受控和調(diào)節(jié)的直流電。

正向轉(zhuǎn)換器的效率略高于反激式轉(zhuǎn)換器，常用于功率要求稍高的應(yīng)用(一般在200W左右)。正向轉(zhuǎn)換器的設(shè)計比反激式轉(zhuǎn)換器稍微復雜一些，簡單的結(jié)構(gòu)如下所示：

正向變換器的簡單電路由一個快速開關(guān)晶體管、一個控制方波占空比的控制電路、一個普通變壓器、兩個交流整流二極管、一個電感和一個濾波電容組成。

下圖顯示了晶體管導通時正向轉(zhuǎn)換器的操作。當脈沖為高電平時，晶體管導通，結(jié)果變壓器的初級線圈開始導通。結(jié)果，在變壓器的次級線圈中感應(yīng)出電壓。

次級感應(yīng)電壓的極性與初級相似，因此二極管D1正向偏置。來自次級的電壓將開始流經(jīng)二極管D1、電感器、電容器，最后流向負載。在此期間，電感器和電容器分別以磁場和電場的形式存儲能量。

當脈沖變?yōu)榈碗娖綍r，晶體管關(guān)閉，因此初級線圈停止導通。這將反過來停止在次級感應(yīng)電流。電流的這種突然變化(或下降)將產(chǎn)生電感器的反電動勢，并且其電壓的極性反轉(zhuǎn)。

下圖顯示了正向轉(zhuǎn)換器的這段運行時間。電感器中的能量開始通過負載和二極管D2在電路中崩潰(因為它是正向偏置的)。一旦電感器中的能量耗盡，電容器便開始通過負載放電，并充當負載的臨時電源。這一直持續(xù)到晶體管再次導通為止：

正向轉(zhuǎn)換器的輸出電壓取決于變壓器匝數(shù)比以及脈寬調(diào)制器的占空比。輸出電壓由下式給出：

VOUT = VIN x D x NS/NP

總結(jié)

雖然開關(guān)模式電源拓撲結(jié)構(gòu)類型有多種，但比較常見的就是以上介紹的四種，即DC-DC轉(zhuǎn)換器、AC-DC轉(zhuǎn)換器、反擊式轉(zhuǎn)換器和正向轉(zhuǎn)換器。與此同時，也簡單介紹這四種拓撲結(jié)構(gòu)的工作原理，以便幫助大家更好的理解。