開關(guān)模式電源（Switch Mode Power Supply，簡(jiǎn)稱SMPS）

多年來(lái)，線性電壓集成電路穩(wěn)壓器一直是電源設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，因?yàn)樗鼈兡軌蛱峁┏掷m(xù)且穩(wěn)定的固定電壓輸出。

對(duì)于專用的開關(guān)模式電源，線性穩(wěn)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(yùn)算放大器）組成的等效穩(wěn)壓電路更高效且更易于使用。

目前最流行的線性和固定輸出電壓穩(wěn)壓器類型是78系列正輸出電壓穩(wěn)壓器和79系列負(fù)輸出電壓穩(wěn)壓器。這兩種互補(bǔ)的穩(wěn)壓器能夠產(chǎn)生精確且穩(wěn)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(wěn)壓器種類繁多，每種都內(nèi)置了電壓調(diào)節(jié)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(shù)電子電路和應(yīng)用。

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

大多數(shù)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性或開關(guān)穩(wěn)壓電路來(lái)確保在不同負(fù)載條件下電源輸出電壓的正確調(diào)節(jié)。典型的直流電源結(jié)構(gòu)如下：

**典型直流電源** 

這些典型的電源設(shè)計(jì)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(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路可以由單個(gè)齊納二極管或三端線性串聯(lián)穩(wěn)壓器組成，以產(chǎn)生所需的輸出電壓。線性穩(wěn)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(shè)置輸出電壓。

線性穩(wěn)壓器通過(guò)在輸入和輸出之間串聯(lián)一個(gè)持續(xù)導(dǎo)通的晶體管來(lái)產(chǎn)生穩(wěn)定的直流輸出，晶體管在其電流-電壓特性的線性區(qū)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(diào)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(wěn)壓電路：

**串聯(lián)晶體管穩(wěn)壓電路** 

這個(gè)簡(jiǎn)單的射極跟隨器穩(wěn)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(shè)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(wěn)定的輸出。

由于晶體管提供電流增益，輸出負(fù)載電流將遠(yuǎn)高于基極電流，如果使用達(dá)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?yàn)榛鶚O和發(fā)射極之間的晶體管壓降約為0.7伏。根據(jù)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(wěn)壓電路可以工作，但其缺點(diǎn)是串聯(lián)晶體管持續(xù)偏置在線性區(qū)域，以熱量的形式耗散功率。由于所有負(fù)載電流必須通過(guò)串聯(lián)晶體管，這導(dǎo)致效率低下，浪費(fèi)了V*I功率，并在晶體管周圍持續(xù)產(chǎn)生熱量。

此外，串聯(lián)穩(wěn)壓器的一個(gè)缺點(diǎn)是它們的最大連續(xù)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(yīng)用。

當(dāng)需要更高的輸出電壓或電流時(shí)，通常的做法是使用開關(guān)穩(wěn)壓器，通常稱為開關(guān)模式電源，將市電電壓轉(zhuǎn)換為所需的高功率輸出。

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

開關(guān)模式電源現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于大多數(shù)個(gè)人電腦、功率放大器、電視、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等需要高效電源的設(shè)備中，因?yàn)殚_關(guān)模式電源技術(shù)正日益成熟。

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(lái)提供所需輸出電壓的電源。基本的開關(guān)轉(zhuǎn)換器由功率開關(guān)級(jí)和控制電路組成。

功率開關(guān)級(jí)執(zhí)行從電路輸入電壓VIN到輸出電壓VOUT的功率轉(zhuǎn)換，包括輸出濾波。

開關(guān)模式電源的主要優(yōu)勢(shì)是其比標(biāo)準(zhǔn)線性穩(wěn)壓器更高的效率，這是通過(guò)內(nèi)部將晶體管（或功率MOSFET）在“開”狀態(tài)（飽和）和“關(guān)”狀態(tài)（截止）之間切換來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這兩種狀態(tài)都產(chǎn)生較低的功率耗散。

這意味著當(dāng)開關(guān)晶體管完全“開”并導(dǎo)通電流時(shí)，其兩端的電壓降處于最小值；當(dāng)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(lái)提供降壓、升壓和輸入電壓的反轉(zhuǎn)：降壓（Buck）、升壓（Boost）和降壓-升壓（Buck-Boost）。這些名稱指的是晶體管開關(guān)、電感和平滑電容在基本SMPS電路中的連接方式。

**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。換句話說(shuō)，降壓開關(guān)穩(wěn)壓器是一種降壓穩(wěn)壓電路，例如，降壓轉(zhuǎn)換器可以將+12伏轉(zhuǎn)換為+5伏。

降壓開關(guān)穩(wěn)壓器是一種直流到直流轉(zhuǎn)換器，是最簡(jiǎn)單且最受歡迎的開關(guān)穩(wěn)壓器類型。在開關(guān)模式電源配置中使用時(shí)，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，IGBT）作為其主要開關(guān)器件，如下所示。

**降壓開關(guān)穩(wěn)壓器** 

我們可以看到，降壓轉(zhuǎn)換器的基本電路配置是一個(gè)串聯(lián)晶體管開關(guān)TR1，其相關(guān)的驅(qū)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(zhuǎn)換器有兩種工作模式，具體取決于開關(guān)晶體管TR1是“開”還是“關(guān)”。

當(dāng)晶體管偏置為“開”（開關(guān)閉合）時(shí)，二極管D1變?yōu)榉聪蚱茫斎腚妷篤IN導(dǎo)致電流通過(guò)電感流向輸出端的負(fù)載，為電容C1充電。

當(dāng)變化的電流流過(guò)電感線圈時(shí)，根據(jù)法拉第定律，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)，阻礙電流流動(dòng)，直到達(dá)到穩(wěn)態(tài)，在電感L1周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)。只要TR1閉合，這種情況就會(huì)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(shí)，輸入電壓立即與發(fā)射極電路斷開，導(dǎo)致電感周圍的磁場(chǎng)崩潰，在電感兩端感應(yīng)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(chǔ)的能量迫使電流繼續(xù)以相同方向流過(guò)負(fù)載，并通過(guò)二極管返回。

然后，電感L1將其存儲(chǔ)的能量返回給負(fù)載，充當(dāng)電源并供應(yīng)電流，直到所有電感的能量返回到電路或直到晶體管開關(guān)再次閉合，以先發(fā)生者為準(zhǔn)。同時(shí)，電容也會(huì)放電，向負(fù)載供應(yīng)電流。電感和電容的組合形成了一個(gè)LC濾波器，平滑了由晶體管開關(guān)動(dòng)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(shí)，電流由電源供應(yīng)；當(dāng)晶體管開關(guān)打開時(shí)，電流由電感供應(yīng)。請(qǐng)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，但顯然在開關(guān)周期的不同時(shí)間。

由于晶體管開關(guān)不斷閉合和打開，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關(guān)在一個(gè)完整開關(guān)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間。

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

**降壓轉(zhuǎn)換器占空比** 

降壓轉(zhuǎn)換器的占空比也可以定義為：

**降壓開關(guān)穩(wěn)壓器占空比** 

因此，占空比越大，開關(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?yàn)檎伎毡菵永遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到1（單位），從而形成降壓穩(wěn)壓器。

通過(guò)改變占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)，并且在高開關(guān)速度（高達(dá)200kHz）下，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(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(zhuǎn)換器應(yīng)在連續(xù)開關(guān)模式下運(yùn)行，以便電感電流永遠(yuǎn)不會(huì)降至零。在理想組件（即“開”狀態(tài)下零電壓降和開關(guān)損耗）的情況下，理想降壓轉(zhuǎn)換器的效率可高達(dá)100%。

除了用于開關(guān)模式電源基本設(shè)計(jì)的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器外，還有一種基本的開關(guān)穩(wěn)壓器操作，稱為升壓轉(zhuǎn)換器（Boost Converter），它充當(dāng)升壓穩(wěn)壓器。

**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。它具有與之前的降壓轉(zhuǎn)換器相同類型的組件，但這次位置不同。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，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。換句話說(shuō)，升壓開關(guān)穩(wěn)壓器是一種升壓穩(wěn)壓電路，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(jì)中使用了串聯(lián)開關(guān)晶體管。升壓開關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)不同之處在于，它使用并聯(lián)連接的開關(guān)晶體管來(lái)控制開關(guān)模式電源的輸出電壓。

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

**升壓開關(guān)穩(wěn)壓器** 

在升壓轉(zhuǎn)換器電路中，當(dāng)晶體管開關(guān)完全打開時(shí)，來(lái)自電源VIN的電能通過(guò)電感和晶體管開關(guān)返回電源。結(jié)果，沒(méi)有電能傳遞到輸出端，因?yàn)轱柡偷木w管開關(guān)有效地對(duì)輸出端形成了短路。

這增加了流過(guò)電感的電流，因?yàn)樗懈痰膬?nèi)部路徑返回電源。同時(shí)，二極管D1變?yōu)榉聪蚱茫驗(yàn)槠潢?yáng)極通過(guò)晶體管開關(guān)接地，隨著電容開始通過(guò)負(fù)載放電，輸出端的電壓水平保持相對(duì)恒定。

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

所有這些的結(jié)果是，電感L1兩端的感應(yīng)電壓反轉(zhuǎn)并加到輸入電源的電壓上，從而增加總輸出電壓，因?yàn)樗F(xiàn)在變?yōu)閂IN + VL。

當(dāng)晶體管開關(guān)閉合時(shí)，用于供應(yīng)負(fù)載的平滑電容C1的電流現(xiàn)在通過(guò)二極管由輸入電源返回到電容。然后，供應(yīng)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”或“關(guān)”狀態(tài)。因此，平滑電容必須足夠大以產(chǎn)生平滑穩(wěn)定的輸出。

由于電感L1兩端的感應(yīng)電壓為負(fù)，它加到源電壓VIN上，迫使電感電流流入負(fù)載。升壓轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)態(tài)輸出電壓為：

**開關(guān)模式電源升壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓** 

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(guò)控制占空比，可以實(shí)現(xiàn)輸出調(diào)節(jié)。還請(qǐng)注意，該方程與電感值、負(fù)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，具體取決于我們是否需要降壓（Buck）或升壓（Boost）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，如電池充電器、閃光燈、頻閃燈等，因?yàn)殡娙菰陂_關(guān)閉合時(shí)提供所有負(fù)載電流。

但我們還可以將這兩種基本開關(guān)拓?fù)浣M合成一個(gè)單一的非隔離開關(guān)穩(wěn)壓電路，稱為降壓-升壓轉(zhuǎn)換器（Buck-Boost Converter）。

**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，它產(chǎn)生一個(gè)反轉(zhuǎn)（負(fù)）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(zhuǎn)換器是升壓轉(zhuǎn)換器電路的變體，其中反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器僅將存儲(chǔ)在電感L1中的能量傳遞到負(fù)載?；镜慕祲?升壓開關(guān)模式電源電路如下所示。

**降壓-升壓開關(guān)穩(wěn)壓器**

當(dāng)晶體管開關(guān)TR1完全打開（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(chǔ)能量。沒(méi)有電流傳遞到輸出端的負(fù)載，因?yàn)槎O管D1反向偏置。當(dāng)晶體管開關(guān)完全關(guān)閉（打開）時(shí)，二極管變?yōu)檎蚱?，先前存?chǔ)在電感中的能量傳遞到負(fù)載。

換句話說(shuō)，當(dāng)開關(guān)“開”時(shí)，能量由直流電源（通過(guò)開關(guān)）傳遞到電感，而沒(méi)有傳遞到輸出端；當(dāng)開關(guān)“關(guān)”時(shí)，電感兩端的電壓反轉(zhuǎn)，因?yàn)殡姼鞋F(xiàn)在成為能量源，因此先前存儲(chǔ)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(dāng)開關(guān)晶體管“關(guān)”時(shí)，負(fù)載兩端的電壓等于電感電壓。

結(jié)果是，反轉(zhuǎn)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(fù)的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可以將5伏轉(zhuǎn)換為12伏（升壓）或?qū)?2伏轉(zhuǎn)換為5伏（降壓）。

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

**開關(guān)模式電源降壓-升壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓** 

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

**開關(guān)模式電源總結(jié)** 

現(xiàn)代開關(guān)模式電源（SMPS）使用固態(tài)開關(guān)將未調(diào)節(jié)的直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為不同電壓水平的穩(wěn)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(yīng)用中，功率晶體管、MOSFET或IGFET在其開關(guān)模式下工作，反復(fù)高速“開”和“關(guān)”。其主要優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)壓器的功率效率可以非常高，因?yàn)榫w管要么完全導(dǎo)通（飽和），要么完全關(guān)閉（截止）。

有幾種類型的直流到直流轉(zhuǎn)換器（與直流到交流轉(zhuǎn)換器即逆變器相對(duì)）配置可用，這里討論的三種基本開關(guān)電源拓?fù)涫墙祲海˙uck）、升壓（Boost）和降壓-升壓（Buck-Boost）開關(guān)穩(wěn)壓器。這三種拓?fù)涠际欠歉綦x的，即它們的輸入和輸出電壓共享一個(gè)共同的地線。

每種開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)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(dòng)作產(chǎn)生的輸出電壓紋波方面都有其獨(dú)特的特性。這些開關(guān)模式電源拓?fù)涞牧硪粋€(gè)重要特性是開關(guān)動(dòng)作對(duì)輸出電壓的頻率響應(yīng)。

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

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

這是因?yàn)樗鼈兊脑O(shè)計(jì)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(zhuǎn)換器之前包含一個(gè)變壓器。

兩種最流行的非隔離開關(guān)配置是降壓（減性）和升壓（加性）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(gè)電壓轉(zhuǎn)換為較低的電壓。降壓轉(zhuǎn)換器使用串聯(lián)連接的開關(guān)晶體管。由于占空比D < 1，降壓轉(zhuǎn)換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(gè)電壓轉(zhuǎn)換為較高的電壓。升壓轉(zhuǎn)換器使用并聯(lián)連接的開關(guān)晶體管，這導(dǎo)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。這意味著輸出端沒(méi)有短路保護(hù)。

通過(guò)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(shí)，由于電感的自感電壓，升壓轉(zhuǎn)換器的直流輸出大于輸入電壓VIN。

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