开关模式电源（Switch Mode Power Supply简称SMPS）

  多年来，线性电压集成电路稳压器一直是电源设计的基础，因为它们可提供持续且稳定的固定电压输出。

  对于专用的开关模式电源，线性稳压器通常比由分立元件（如齐纳二极管和电阻、晶体管甚至运算放大器）组成的等效稳压电路更高效且更易于使用。

  目前最流行的线性和固定输出电压稳压器类型是78系列正输出电压稳压器和79系列负输出电压稳压器。这两种互补的稳压器能够产生精确且稳定的电压输出，范围从约5伏到24伏，适用于许多电子电路。

  这些三端固定电压稳压器种类非常之多，每种都内置了电压调节和限流电路。这使得我们大家可以创建多种不同的电源轨和输出，无论是单电源还是双电源，都适用于大多数电子电路和应用。

  此外，还有可变电压线性稳压器，可提供从接近零到略低于其最大输出电压的连续可调输出电压。

  大多数直流电源由大型且笨重的降压变压器、二极管整流器（全波或半波）以及滤波电路组成，以去除整流后直流电中的纹波，由此产生平滑的直流输出电压。

  此外，能够正常的使用某种形式的线性或开关稳压电路来确保在不同负载条件下电源输出电压的正确调节。典型的直流电源结构如下：

  这些典型的电源设计包含一个大型变压器（还提供输入和输出之间的隔离）和一个串联稳压电路。稳压电路可以由单个齐纳二极管或三端线性串联稳压器组成，以产生所需的输出电压。线性稳压器的优点是电源电路只需要一个输入电容、输出电容和一些反馈电阻来设置输出电压。

  线性稳压器通过在输入和输出之间串联一个持续导通的晶体管来产生稳定的直流输出，晶体管在其电流-电压特性的线性区域工作（因此得名）。因此，晶体管更像是一个可变电阻，不断调整自身以维持正确的输出电压。考虑以下简单的串联晶体管稳压电路：

  这个简单的射极跟随器稳压电路由一个NPN晶体管和一个直流偏置电压组成，用于设置所需的输出电压。由于射极跟随器电路具有单位电压增益，通过在晶体管基极施加合适的偏置电压，可以从发射极端子获得稳定的输出。

  由于晶体管提供电流增益，输出负载电流将远高于基极电流，若使用达林顿晶体管配置，电流会更高。

  此外，只要输入电压足够高以获得所需的输出电压，输出电压就由晶体管的基极电压控制。在本例中，基极电压为5.7伏，以产生5伏的输出电压，因为基极和发射极之间的晶体管压降约为0.7伏。根据基极电压的值，能够得到任何发射极输出电压值。

  虽然这个简单的串联稳压电路可以工作，但其缺点是串联晶体管持续偏置在线性区域，以热量的形式耗散功率。由于所有负载电流一定要通过串联晶体管，这导致效率低下，浪费了V*I功率，并在晶体管周围持续产生热量。

  此外，串联稳压器的一个缺点是它们的最大连续输出电流额定值通常仅限于几安培左右，因此通常用于需要低功率输出的应用。

  当需要更高的输出电压或电流时，通常的做法是使用开关稳压器，通常称为开关模式电源，将市电电压转换为所需的高功率输出。

  开关模式电源SMPS）正慢慢的变普遍，并在大多数情况下取代了传统的线流到直流电源，以减少功耗、散热以及尺寸和重量。

  开关模式电源现在大范围的应用于大多数个人电脑、功率放大器、电视、直流电机驱动器等需要高效电源的设备中，因为开关模式电源技术正日益成熟。

  根据定义，开关模式电源（SMPS）是一种使用半导体开关技术而非标准线性方法来提供所需输出电压的电源。基本的开关转换器由功率开关级和控制电路组成。

  功率开关级执行从电路输入电压VIN到输出电压VOUT的功率转换，包括输出滤波。

  开关模式电源的主要优势是其比标准线性稳压器更高的效率，这是通过内部将晶体管（或功率MOSFET）在“开”状态（饱和）和“关”状态（截止）之间切换来实现的，这两种状态都产生较低的功率耗散。

  这意味着当开关晶体管完全“开”并导通电流时，其两端的电压降处于最小值；当晶体管完全“关”时，没有电流流过。因此，晶体管就像一个理想的开关。

  与仅提供降压电压调节的线性稳压器不同，开关模式电源能够正常的使用三种基本开关模式电路拓扑中的一种或多种来提供降压、升压和输入电压的反转：降压（Buck）、升压（Boost）和降压-升压（Buck-Boost）。这些名称指的是晶体管开关、电感和平滑电容在基本SMPS电路中的连接方式。

  降压开关稳压器是一种开关模式电源电路，旨在高效地将直流电压从较高电压降低到较低电压，即它减去或“降压”电源电压，从而在不改变极性的情况下降低输出端的可用电压。换句话说，降压开关稳压器是一种降压稳压电路，例如，降压转换器能将+12伏转换为+5伏。

  降压开关稳压器是一种直流到直流转换器，是最简单且最受欢迎的开关稳压器类型。在开关模式电源配置中使用时，降压开关稳压器使用串联晶体管或功率MOSFET（理想情况下是绝缘栅双极晶体管，IGBT）作为其主要开关器件，如下所示。

  我们能够正常的看到，降压转换器的基本电路配置是一个串联晶体管开关TR1，其相关的驱动电路使输出电压尽可能接近所需水平，还有一个二极管D1、一个电感L1和一个平滑电容C1。降压转换器有两种工作模式，具体取决于开关晶体管TR1是“开”还是“关”。

  当晶体管偏置为“开”（开关闭合）时，二极管D1变为反向偏置，输入电压VIN导致电流通过电感流向输出端的负载，为电容C1充电。

  当变化的电流流过电感线圈时，根据法拉第定律，它会产生一个反向电动势，阻碍电流流动，直到达到稳态，在电感L1周围产生磁场。只要TR1闭合，这样的一种情况就会持续下去。

  当晶体管TR1被控制电路关闭（开关打开）时，输入电压立即与发射极电路断开，导致电感周围的磁场崩溃，在电感两端感应出反向电压。

  这个反向电压使二极管变为正向偏置，因此电感磁场中存储的能量迫使电流继续以相同方向流过负载，并通过二极管返回。

  然后，电感L1将其存储的能量返回给负载，充当电源并供应电流，直到所有电感的能量返回到电路或直到晶体管开关再次闭合，以先发生者为准。同时，电容也会放电，向负载供应电流。电感和电容的组合形成了一个LC滤波器，平滑了由晶体管开关动作产生的任何纹波。

  因此，当晶体管固态开关闭合时，电流由电源供应；当晶体管开关打开时，电流由电感供应。请注意，流过电感的电流始终是同一方向，要么直接来自电源，要么通过二极管，但显然在开关周期的不同时间。

  由于晶体管开关不断闭合和打开，平均输出电压值将与占空比D相关，占空比定义为晶体管开关在一个完整开关周期内的导通时间。

  如果VIN是电源电压，晶体管开关的“开”和“关”时间定义为tON和tOFF，则输出电压VOUT为：

  因此，占空比越大，开关模式电源的平均直流输出电压越高。由此我们还能够准确的看出，输出电压将始终低于输入电压，因为占空比D永远无法达到1（单位），从而形成降压稳压器。

  通过改变占空比来实现电压调节，并且在高开关速度（高达200kHz）下，能够正常的使用更小的组件，从而大大减小开关模式电源的尺寸和重量。

  降压转换器的另一个优点是电感-电容（LC）组合提供了非常好的电感电流滤波。理想情况下，降压转换器应在连续开关模式下运行，以便电感电流永远都不可能降至零。在理想组件（即“开”状态下零电压降和开关损耗）的情况下，理想降压转换器的效率可高达100%。

  除了用于开关模式电源基本设计的降压开关稳压器外，还有一种基本的开关稳压器操作，称为升压转换器（Boost Converter），它充当升压稳压器。

  升压开关稳压器是另一种开关模式电源电路。它具有与之前的降压转换器相同类型的组件，但这次位置不同。升压转换器旨在将直流电压从较低电压增加到较高电压，即它增加或“升压”电源电压，从而在不改变极性的情况下增加输出端的可用电压。换句话说，升压开关稳压器是一种升压稳压电路，例如，升压转换器能将+5伏转换为+12伏。

  我们之前看到，降压开关稳压器在其基本设计中使用了串联开关晶体管。升压开关稳压器的设计不同之处在于，它使用并联连接的开关晶体管来控制开关模式电源的输出电压。

  由于晶体管开关实际上与输出并联，只有当晶体管偏置为“关”（开关打开）时，电能才会通过电感流向负载，如图所示。

  在升压转换器电路中，当晶体管开关完全打开时，来自电源VIN的电能通过电感和晶体管开关返回电源。结果，没有电能传递到输出端，因为饱和的晶体管开关有效地对输出端形成了短路。

  这增加了流过电感的电流，因为它有更短的内部路径返回电源。同时，二极管D1变为反向偏置，因为其阳极通过晶体管开关接地，随着电容开始通过负载放电，输出端的电压水平保持相对恒定。

  当晶体管完全关闭时，输入电源现在通过串联的电感和二极管连接到输出端。随着电感场减小，存储在电感中的感应能量被VIN通过现在正向偏置的二极管推送到输出端。

  所有这些的结果是，电感L1两端的感应电压反转并加到输入电源的电压上，从而增加总输出电压，因为它现在变为VIN + VL。

  当晶体管开关闭合时，用于供应负载的平滑电容C1的电流现在通过二极管由输入电源返回到电容。然后，供应到电容的电流是二极管电流，由于二极管通过晶体管的开关动作在其正向和反向状态之间不断切换，因此它将始终处于“开”或“关”状态。因此，平滑电容必须充足大以产生平滑稳定的输出。

  由于电感L1两端的感应电压为负，它加到源电压VIN上，迫使电感电流流入负载。升压转换器的稳态输出电压为：

  与之前的降压转换器一样，升压转换器的输出电压取决于输入电压和占空比。因此，经过控制占空比，能轻松实现输出调节。还请注意，该方程与电感值、负载电流和输出电容的值无关。

  我们已经看到，非隔离开关模式电源电路的基本操作能够正常的使用降压转换器或升压转换器配置，具体取决于我们是不是需要降压（Buck）或升压（Boost）输出电压。虽然降压转换器可能是更常见的SMPS开关配置，但升压转换器通常用于电容电路应用，如电池充电器、闪光灯、频闪灯等，因为电容在开关闭合时提供所有负载电流。

  但我们还可以将这两种基本开关拓扑组合成一个单一的非隔离开关稳压电路，称为降压-升压转换器（Buck-Boost Converter）。

  降压-升压开关稳压器是降压转换器和升压转换器的组合，它产生一个反转（负）的输出电压，该电压可以大于或小于输入电压，具体取决于占空比。降压-升压转换器是升压转换器电路的变体，其中反转转换器仅将存储在电感L1中的能量传递到负载。基本的降压-升压开关模式电源电路如下所示。

  当晶体管开关TR1完全打开（闭合）时，电感两端的电压等于电源电压，因此电感从输入电源存储能量。没有电流传递到输出端的负载，因为二极管D1反向偏置。当晶体管开关完全关闭（打开）时，二极管变为正向偏置，先前存储在电感中的能量传递到负载。

  换句话说，当开关“开”时，能量由直流电源（通过开关）传递到电感，而没有传递到输出端；当开关“关”时，电感两端的电压反转，因为电感现在成为能量源，因此先前存储在电感中的能量切换到输出端（通过二极管），而没有直接从输入直流电源传递。因此，当开关晶体管“关”时，负载两端的电压等于电感电压。

  结果是，反转输出电压的幅度可以大于、小于或等于输入电压的幅度，具体取决于占空比。例如，正到负的降压-升压转换器能将5伏转换为12伏（升压）或将12伏转换为5伏（降压）。

  因此，降压-升压稳压器得名于其产生的输出电压可以高于（如升压电源级）或低于（如降压电源级）输入电压的幅度。然而，输出电压与输入电压的极性相反。

  现代开关模式电源（SMPS）使用固态开关将未调节的直流输入电压转换为不同电压水平的稳定且平滑的直流输出电压。输入电源可以是来自电池或太阳能电池板的真正直流电压，也可以是使用二极管桥和一些额外电容滤波的交流电源整流后的直流电压。

  在许多电源控制应用中，功率晶体管、MOSFET或IGFET在其开关模式下工作，反复高速“开”和“关”。其主要优点是稳压器的功率效率可以非常高，因为晶体管要么完全导通（饱和），要么完全关闭（截止）。

  有几种类型的直流到直流转换器（与直流到交流转换器即逆变器相对）配置可用，这里讨论的三种基本开关电源拓扑是降压（Buck）、升压（Boost）和降压-升压（Buck-Boost）开关稳压器。这三种拓扑都是非隔离的，即它们的输入和输出电压共享一个共同的地线。

  每种开关稳压器设计在稳态占空比、输入和输出电流之间的关系以及固态开关动作产生的输出电压纹波方面都有其独特的特性。这些开关模式电源拓扑的另一个重要特性是开关动作对输出电压的频率响应。

  通过控制开关晶体管在“开”状态的时间占总开/关时间的百分比来实现输出电压的调节。这个比率称为占空比，通过改变占空比（D），能控制输出电压VOUT的幅度。

  在开关模式电源设计中使用单个电感和二极管以及能够在千赫兹范围内工作的高速固态开关，可以大幅度减小电源的尺寸和重量。

  这是因为它们的设计中不会有大型且笨重的降压（或升压）变压器。然而，如果输入和输出端子之间需要电气隔离，则必须在转换器之前包含一个变压器。

  降压转换器是一种开关模式电源，旨在将电能从一个电压转换为较低的电压。降压转换器使用串联连接的开关晶体管。由于占空比D 1，降压转换器的输出电压始终小于输入电压VIN。

  升压转换器是一种开关模式电源，旨在将电能从一个电压转换为较高的电压。升压转换器使用并联连接的开关晶体管，这导致VIN和VOUT之间通过电感L1和二极管D1形成直接电流路径。这在某种程度上预示着输出端没有短路保护。

  通过改变升压转换器的占空比（D），能控制输出电压，并且当D 1时，由于电感的自感电压，升压转换器的直流输出大于输入电压VIN。

  此外，开关模式电源中的输出平滑电容被假定为非常大，这导致在晶体管开关动作期间开关模式电源的输出电压保持恒定。