開(kāi)關(guān)模式電源（Switch Mode Power Supply，簡(jiǎn)稱(chēng)SMPS）

多年來(lái)，線(xiàn)性電壓集成電路穩壓器一直是電源設計的基礎，因為它們能夠提供持續且穩定的固定電壓輸出。

對于專(zhuān)用的開(kāi)關(guān)模式電源，線(xiàn)性穩壓器通常比由分立元件（如齊納二極管和電阻、晶體管甚至運算放大器）組成的等效穩壓電路更高效且更易于使用。

目前最流行的線(xiàn)性和固定輸出電壓穩壓器類(lèi)型是78系列正輸出電壓穩壓器和79系列負輸出電壓穩壓器。這兩種互補的穩壓器能夠產(chǎn)生精確且穩定的電壓輸出，范圍從約5伏到24伏，適用于許多電子電路。

這些三端固定電壓穩壓器種類(lèi)繁多，每種都內置了電壓調節和限流電路。這使得我們可以創(chuàng )建多種不同的電源軌和輸出，無(wú)論是單電源還是雙電源，都適用于大多數電子電路和應用。

此外，還有可變電壓線(xiàn)性穩壓器，能夠提供從接近零到略低于其最大輸出電壓的連續可調輸出電壓。

大多數直流電源由大型且笨重的降壓變壓器、二極管整流器（全波或半波）以及濾波電路組成，以去除整流后直流電中的紋波，從而產(chǎn)生平滑的直流輸出電壓。

此外，可以使用某種形式的線(xiàn)性或開(kāi)關(guān)穩壓電路來(lái)確保在不同負載條件下電源輸出電壓的正確調節。典型的直流電源結構如下：

**典型直流電源** 

這些典型的電源設計包含一個(gè)大型變壓器（還提供輸入和輸出之間的隔離）和一個(gè)串聯(lián)穩壓電路。穩壓電路可以由單個(gè)齊納二極管或三端線(xiàn)性串聯(lián)穩壓器組成，以產(chǎn)生所需的輸出電壓。線(xiàn)性穩壓器的優(yōu)點(diǎn)是電源電路只需要一個(gè)輸入電容、輸出電容和一些反饋電阻來(lái)設置輸出電壓。

線(xiàn)性穩壓器通過(guò)在輸入和輸出之間串聯(lián)一個(gè)持續導通的晶體管來(lái)產(chǎn)生穩定的直流輸出，晶體管在其電流-電壓特性的線(xiàn)性區域工作（因此得名）。因此，晶體管更像是一個(gè)可變電阻，不斷調整自身以維持正確的輸出電壓?？紤]以下簡(jiǎn)單的串聯(lián)晶體管穩壓電路：

**串聯(lián)晶體管穩壓電路** 

這個(gè)簡(jiǎn)單的射極跟隨器穩壓電路由一個(gè)NPN晶體管和一個(gè)直流偏置電壓組成，用于設置所需的輸出電壓。由于射極跟隨器電路具有單位電壓增益，通過(guò)在晶體管基極施加合適的偏置電壓，可以從發(fā)射極端子獲得穩定的輸出。

由于晶體管提供電流增益，輸出負載電流將遠高于基極電流，如果使用達林頓晶體管配置，電流會(huì )更高。

此外，只要輸入電壓足夠高以獲得所需的輸出電壓，輸出電壓就由晶體管的基極電壓控制。在本例中，基極電壓為5.7伏，以產(chǎn)生5伏的輸出電壓，因為基極和發(fā)射極之間的晶體管壓降約為0.7伏。根據基極電壓的值，可以獲得任何發(fā)射極輸出電壓值。

雖然這個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)穩壓電路可以工作，但其缺點(diǎn)是串聯(lián)晶體管持續偏置在線(xiàn)性區域，以熱量的形式耗散功率。由于所有負載電流必須通過(guò)串聯(lián)晶體管，這導致效率低下，浪費了V*I功率，并在晶體管周?chē)掷m產(chǎn)生熱量。

此外，串聯(lián)穩壓器的一個(gè)缺點(diǎn)是它們的最大連續輸出電流額定值通常僅限于幾安培左右，因此通常用于需要低功率輸出的應用。

當需要更高的輸出電壓或電流時(shí)，通常的做法是使用開(kāi)關(guān)穩壓器，通常稱(chēng)為開(kāi)關(guān)模式電源，將市電電壓轉換為所需的高功率輸出。

開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS）正變得越來(lái)越普遍，并在大多數情況下取代了傳統的線(xiàn)性交流到直流電源，以減少功耗、散熱以及尺寸和重量。

開(kāi)關(guān)模式電源現在廣泛應用于大多數個(gè)人電腦、功率放大器、電視、直流電機驅動(dòng)器等需要高效電源的設備中，因為開(kāi)關(guān)模式電源技術(shù)正日益成熟。

根據定義，開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS）是一種使用半導體開(kāi)關(guān)技術(shù)而非標準線(xiàn)性方法來(lái)提供所需輸出電壓的電源?；镜拈_(kāi)關(guān)轉換器由功率開(kāi)關(guān)級和控制電路組成。

功率開(kāi)關(guān)級執行從電路輸入電壓VIN到輸出電壓VOUT的功率轉換，包括輸出濾波。

開(kāi)關(guān)模式電源的主要優(yōu)勢是其比標準線(xiàn)性穩壓器更高的效率，這是通過(guò)內部將晶體管（或功率MOSFET）在“開(kāi)”狀態(tài)（飽和）和“關(guān)”狀態(tài)（截止）之間切換來(lái)實(shí)現的，這兩種狀態(tài)都產(chǎn)生較低的功率耗散。

這意味著(zhù)當開(kāi)關(guān)晶體管完全“開(kāi)”并導通電流時(shí)，其兩端的電壓降處于最小值；當晶體管完全“關(guān)”時(shí)，沒(méi)有電流流過(guò)。因此，晶體管就像一個(gè)理想的開(kāi)關(guān)。

與僅提供降壓電壓調節的線(xiàn)性穩壓器不同，開(kāi)關(guān)模式電源可以使用三種基本開(kāi)關(guān)模式電路拓撲中的一種或多種來(lái)提供降壓、升壓和輸入電壓的反轉：降壓（Buck）、升壓（Boost）和降壓-升壓（Buck-Boost）。這些名稱(chēng)指的是晶體管開(kāi)關(guān)、電感和平滑電容在基本SMPS電路中的連接方式。

**降壓開(kāi)關(guān)模式電源** 

降壓開(kāi)關(guān)穩壓器是一種開(kāi)關(guān)模式電源電路，旨在高效地將直流電壓從較高電壓降低到較低電壓，即它減去或“降壓”電源電壓，從而在不改變極性的情況下降低輸出端的可用電壓。換句話(huà)說(shuō)，降壓開(kāi)關(guān)穩壓器是一種降壓穩壓電路，例如，降壓轉換器可以將+12伏轉換為+5伏。

降壓開(kāi)關(guān)穩壓器是一種直流到直流轉換器，是最簡(jiǎn)單且最受歡迎的開(kāi)關(guān)穩壓器類(lèi)型。在開(kāi)關(guān)模式電源配置中使用時(shí)，降壓開(kāi)關(guān)穩壓器使用串聯(lián)晶體管或功率MOSFET（理想情況下是絕緣柵雙極晶體管，IGBT）作為其主要開(kāi)關(guān)器件，如下所示。

**降壓開(kāi)關(guān)穩壓器** 

我們可以看到，降壓轉換器的基本電路配置是一個(gè)串聯(lián)晶體管開(kāi)關(guān)TR1，其相關(guān)的驅動(dòng)電路使輸出電壓盡可能接近所需水平，還有一個(gè)二極管D1、一個(gè)電感L1和一個(gè)平滑電容C1。降壓轉換器有兩種工作模式，具體取決于開(kāi)關(guān)晶體管TR1是“開(kāi)”還是“關(guān)”。

當晶體管偏置為“開(kāi)”（開(kāi)關(guān)閉合）時(shí)，二極管D1變?yōu)榉聪蚱?，輸入電壓VIN導致電流通過(guò)電感流向輸出端的負載，為電容C1充電。

當變化的電流流過(guò)電感線(xiàn)圈時(shí)，根據法拉第定律，它會(huì )產(chǎn)生一個(gè)反向電動(dòng)勢，阻礙電流流動(dòng)，直到達到穩態(tài)，在電感L1周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)。只要TR1閉合，這種情況就會(huì )持續下去。

當晶體管TR1被控制電路關(guān)閉（開(kāi)關(guān)打開(kāi)）時(shí)，輸入電壓立即與發(fā)射極電路斷開(kāi)，導致電感周?chē)拇艌?chǎng)崩潰，在電感兩端感應出反向電壓。

這個(gè)反向電壓使二極管變?yōu)檎蚱?，因此電感磁?chǎng)中存儲的能量迫使電流繼續以相同方向流過(guò)負載，并通過(guò)二極管返回。

然后，電感L1將其存儲的能量返回給負載，充當電源并供應電流，直到所有電感的能量返回到電路或直到晶體管開(kāi)關(guān)再次閉合，以先發(fā)生者為準。同時(shí)，電容也會(huì )放電，向負載供應電流。電感和電容的組合形成了一個(gè)LC濾波器，平滑了由晶體管開(kāi)關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的任何紋波。

因此，當晶體管固態(tài)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電流由電源供應；當晶體管開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，電流由電感供應。請注意，流過(guò)電感的電流始終是同一方向，要么直接來(lái)自電源，要么通過(guò)二極管，但顯然在開(kāi)關(guān)周期的不同時(shí)間。

由于晶體管開(kāi)關(guān)不斷閉合和打開(kāi)，平均輸出電壓值將與占空比D相關(guān)，占空比定義為晶體管開(kāi)關(guān)在一個(gè)完整開(kāi)關(guān)周期內的導通時(shí)間。

如果VIN是電源電壓，晶體管開(kāi)關(guān)的“開(kāi)”和“關(guān)”時(shí)間定義為tON和tOFF，則輸出電壓VOUT為：

**降壓轉換器占空比** 

降壓轉換器的占空比也可以定義為：

**降壓開(kāi)關(guān)穩壓器占空比** 

因此，占空比越大，開(kāi)關(guān)模式電源的平均直流輸出電壓越高。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永遠無(wú)法達到1（單位），從而形成降壓穩壓器。

通過(guò)改變占空比來(lái)實(shí)現電壓調節，并且在高開(kāi)關(guān)速度（高達200kHz）下，可以使用更小的組件，從而大大減小開(kāi)關(guān)模式電源的尺寸和重量。

降壓轉換器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是電感-電容（LC）組合提供了非常好的電感電流濾波。理想情況下，降壓轉換器應在連續開(kāi)關(guān)模式下運行，以便電感電流永遠不會(huì )降至零。在理想組件（即“開(kāi)”狀態(tài)下零電壓降和開(kāi)關(guān)損耗）的情況下，理想降壓轉換器的效率可高達100%。

除了用于開(kāi)關(guān)模式電源基本設計的降壓開(kāi)關(guān)穩壓器外，還有一種基本的開(kāi)關(guān)穩壓器操作，稱(chēng)為升壓轉換器（Boost Converter），它充當升壓穩壓器。

**升壓開(kāi)關(guān)模式電源** 

升壓開(kāi)關(guān)穩壓器是另一種開(kāi)關(guān)模式電源電路。它具有與之前的降壓轉換器相同類(lèi)型的組件，但這次位置不同。升壓轉換器旨在將直流電壓從較低電壓增加到較高電壓，即它增加或“升壓”電源電壓，從而在不改變極性的情況下增加輸出端的可用電壓。換句話(huà)說(shuō)，升壓開(kāi)關(guān)穩壓器是一種升壓穩壓電路，例如，升壓轉換器可以將+5伏轉換為+12伏。

我們之前看到，降壓開(kāi)關(guān)穩壓器在其基本設計中使用了串聯(lián)開(kāi)關(guān)晶體管。升壓開(kāi)關(guān)穩壓器的設計不同之處在于，它使用并聯(lián)連接的開(kāi)關(guān)晶體管來(lái)控制開(kāi)關(guān)模式電源的輸出電壓。

由于晶體管開(kāi)關(guān)實(shí)際上與輸出并聯(lián)，只有當晶體管偏置為“關(guān)”（開(kāi)關(guān)打開(kāi)）時(shí)，電能才會(huì )通過(guò)電感流向負載，如圖所示。

**升壓開(kāi)關(guān)穩壓器** 

在升壓轉換器電路中，當晶體管開(kāi)關(guān)完全打開(kāi)時(shí)，來(lái)自電源VIN的電能通過(guò)電感和晶體管開(kāi)關(guān)返回電源。結果，沒(méi)有電能傳遞到輸出端，因為飽和的晶體管開(kāi)關(guān)有效地對輸出端形成了短路。

這增加了流過(guò)電感的電流，因為它有更短的內部路徑返回電源。同時(shí)，二極管D1變?yōu)榉聪蚱?，因為其?yáng)極通過(guò)晶體管開(kāi)關(guān)接地，隨著(zhù)電容開(kāi)始通過(guò)負載放電，輸出端的電壓水平保持相對恒定。

當晶體管完全關(guān)閉時(shí)，輸入電源現在通過(guò)串聯(lián)的電感和二極管連接到輸出端。隨著(zhù)電感場(chǎng)減小，存儲在電感中的感應能量被VIN通過(guò)現在正向偏置的二極管推送到輸出端。

所有這些的結果是，電感L1兩端的感應電壓反轉并加到輸入電源的電壓上，從而增加總輸出電壓，因為它現在變?yōu)閂IN + VL。

當晶體管開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，用于供應負載的平滑電容C1的電流現在通過(guò)二極管由輸入電源返回到電容。然后，供應到電容的電流是二極管電流，由于二極管通過(guò)晶體管的開(kāi)關(guān)動(dòng)作在其正向和反向狀態(tài)之間不斷切換，因此它將始終處于“開(kāi)”或“關(guān)”狀態(tài)。因此，平滑電容必須足夠大以產(chǎn)生平滑穩定的輸出。

由于電感L1兩端的感應電壓為負，它加到源電壓VIN上，迫使電感電流流入負載。升壓轉換器的穩態(tài)輸出電壓為：

**開(kāi)關(guān)模式電源升壓轉換器輸出電壓** 

與之前的降壓轉換器一樣，升壓轉換器的輸出電壓取決于輸入電壓和占空比。因此，通過(guò)控制占空比，可以實(shí)現輸出調節。還請注意，該方程與電感值、負載電流和輸出電容的值無(wú)關(guān)。

我們已經(jīng)看到，非隔離開(kāi)關(guān)模式電源電路的基本操作可以使用降壓轉換器或升壓轉換器配置，具體取決于我們是否需要降壓（Buck）或升壓（Boost）輸出電壓。雖然降壓轉換器可能是更常見(jiàn)的SMPS開(kāi)關(guān)配置，但升壓轉換器通常用于電容電路應用，如電池充電器、閃光燈、頻閃燈等，因為電容在開(kāi)關(guān)閉合時(shí)提供所有負載電流。

但我們還可以將這兩種基本開(kāi)關(guān)拓撲組合成一個(gè)單一的非隔離開(kāi)關(guān)穩壓電路，稱(chēng)為降壓-升壓轉換器（Buck-Boost Converter）。

**降壓-升壓開(kāi)關(guān)穩壓器** 

降壓-升壓開(kāi)關(guān)穩壓器是降壓轉換器和升壓轉換器的組合，它產(chǎn)生一個(gè)反轉（負）的輸出電壓，該電壓可以大于或小于輸入電壓，具體取決于占空比。降壓-升壓轉換器是升壓轉換器電路的變體，其中反轉轉換器僅將存儲在電感L1中的能量傳遞到負載?；镜慕祲?升壓開(kāi)關(guān)模式電源電路如下所示。

**降壓-升壓開(kāi)關(guān)穩壓器**

當晶體管開(kāi)關(guān)TR1完全打開(kāi)（閉合）時(shí)，電感兩端的電壓等于電源電壓，因此電感從輸入電源存儲能量。沒(méi)有電流傳遞到輸出端的負載，因為二極管D1反向偏置。當晶體管開(kāi)關(guān)完全關(guān)閉（打開(kāi)）時(shí)，二極管變?yōu)檎蚱?，先前存儲在電感中的能量傳遞到負載。

換句話(huà)說(shuō)，當開(kāi)關(guān)“開(kāi)”時(shí)，能量由直流電源（通過(guò)開(kāi)關(guān)）傳遞到電感，而沒(méi)有傳遞到輸出端；當開(kāi)關(guān)“關(guān)”時(shí)，電感兩端的電壓反轉，因為電感現在成為能量源，因此先前存儲在電感中的能量切換到輸出端（通過(guò)二極管），而沒(méi)有直接從輸入直流電源傳遞。因此，當開(kāi)關(guān)晶體管“關(guān)”時(shí)，負載兩端的電壓等于電感電壓。

結果是，反轉輸出電壓的幅度可以大于、小于或等于輸入電壓的幅度，具體取決于占空比。例如，正到負的降壓-升壓轉換器可以將5伏轉換為12伏（升壓）或將12伏轉換為5伏（降壓）。

降壓-升壓開(kāi)關(guān)穩壓器的穩態(tài)輸出電壓VOUT為：

**開(kāi)關(guān)模式電源降壓-升壓轉換器輸出電壓** 

因此，降壓-升壓穩壓器得名于其產(chǎn)生的輸出電壓可以高于（如升壓電源級）或低于（如降壓電源級）輸入電壓的幅度。然而，輸出電壓與輸入電壓的極性相反。

**開(kāi)關(guān)模式電源總結** 

現代開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS）使用固態(tài)開(kāi)關(guān)將未調節的直流輸入電壓轉換為不同電壓水平的穩定且平滑的直流輸出電壓。輸入電源可以是來(lái)自電池或太陽(yáng)能電池板的真正直流電壓，也可以是使用二極管橋和一些額外電容濾波的交流電源整流后的直流電壓。

在許多電源控制應用中，功率晶體管、MOSFET或IGFET在其開(kāi)關(guān)模式下工作，反復高速“開(kāi)”和“關(guān)”。其主要優(yōu)點(diǎn)是穩壓器的功率效率可以非常高，因為晶體管要么完全導通（飽和），要么完全關(guān)閉（截止）。

有幾種類(lèi)型的直流到直流轉換器（與直流到交流轉換器即逆變器相對）配置可用，這里討論的三種基本開(kāi)關(guān)電源拓撲是降壓（Buck）、升壓（Boost）和降壓-升壓（Buck-Boost）開(kāi)關(guān)穩壓器。這三種拓撲都是非隔離的，即它們的輸入和輸出電壓共享一個(gè)共同的地線(xiàn)。

每種開(kāi)關(guān)穩壓器設計在穩態(tài)占空比、輸入和輸出電流之間的關(guān)系以及固態(tài)開(kāi)關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的輸出電壓紋波方面都有其獨特的特性。這些開(kāi)關(guān)模式電源拓撲的另一個(gè)重要特性是開(kāi)關(guān)動(dòng)作對輸出電壓的頻率響應。

通過(guò)控制開(kāi)關(guān)晶體管在“開(kāi)”狀態(tài)的時(shí)間占總開(kāi)/關(guān)時(shí)間的百分比來(lái)實(shí)現輸出電壓的調節。這個(gè)比率稱(chēng)為占空比，通過(guò)改變占空比（D），可以控制輸出電壓VOUT的幅度。

在開(kāi)關(guān)模式電源設計中使用單個(gè)電感和二極管以及能夠在千赫茲范圍內工作的高速固態(tài)開(kāi)關(guān)，可以大大減小電源的尺寸和重量。

這是因為它們的設計中不會(huì )有大型且笨重的降壓（或升壓）變壓器。然而，如果輸入和輸出端子之間需要電氣隔離，則必須在轉換器之前包含一個(gè)變壓器。

兩種最流行的非隔離開(kāi)關(guān)配置是降壓（減性）和升壓（加性）轉換器。

降壓轉換器是一種開(kāi)關(guān)模式電源，旨在將電能從一個(gè)電壓轉換為較低的電壓。降壓轉換器使用串聯(lián)連接的開(kāi)關(guān)晶體管。由于占空比D < 1，降壓轉換器的輸出電壓始終小于輸入電壓VIN。

升壓轉換器是一種開(kāi)關(guān)模式電源，旨在將電能從一個(gè)電壓轉換為較高的電壓。升壓轉換器使用并聯(lián)連接的開(kāi)關(guān)晶體管，這導致VIN和VOUT之間通過(guò)電感L1和二極管D1形成直接電流路徑。這意味著(zhù)輸出端沒(méi)有短路保護。

通過(guò)改變升壓轉換器的占空比（D），可以控制輸出電壓，并且當D < 1時(shí)，由于電感的自感電壓，升壓轉換器的直流輸出大于輸入電壓VIN。

此外，開(kāi)關(guān)模式電源中的輸出平滑電容被假定為非常大，這導致在晶體管開(kāi)關(guān)動(dòng)作期間開(kāi)關(guān)模式電源的輸出電壓保持恒定。