开关模式电源(SMPS)

开关模式电源或简称SMPS是一种类型的电源单元(PSU)，它使用某种开关设备将电能从源传输到负载。通常源是交流或直流，负载是直流。

SMPS最常见的应用是计算机的电源单元。开关电源(SMPS)以其高效率、低成本和高功率密度成为电子设备的标准电源单元。

下图显示的是一台老式台式电脑的SMPS装置。这种特殊的SMPS额定功率为90W。

线性调节器vs. SMPS

电源单元是电路的重要组成部分，为电路的正常运行提供电源。几乎所有的电子设备都要求电压恒定而不波动。电源将不受监管的功率转换为稳定的监管功率。基本上有两类电源:线性稳压电源和开关模式电源。

线性稳压电源是一种通过串联控制元件调节输出电压的电源。串联通元件的基本例子是电阻。但常用的串通元件是有源或线性模式的BJT或MOSFET，并与负载串联。

根据输入或负载的变化，通过晶体管的电流变化以保持输出恒定。输入和输出(负载)电压之间的差通过晶体管下降，这个多余的功率，即输入和输出(负载)功率之间的差被晶体管作为热消散。

下图显示线性稳压电源的基本结构。

从上面的图像，输入交流源给整流器和滤波器转换成直流。但这种直流电源是不受监管的，因为它很容易随着输入的变化而变化。这个无调节的直流电源被作为线性稳压器的输入。

SMPS是一种稳压电源，它使用高频开关稳压器来转换电源，并以一种高效的方式调节输出。

开关稳压器又是一个晶体管(像功率MOSFET)，就像线性稳压器一样，但不同的是，SMPS中的通晶体管不会持续保持在饱和或完全ON状态，而是以非常高的频率在完全ON和完全OFF状态之间切换。因此命名为开关模式电源。

由于开关元件(即晶体管)处于有源状态的平均时间较短，因此与线性稳压器相比，作为热的能量浪费或耗散量非常少。这反过来又导致了SMPS的高效率，因为通过晶体管(或开关元件)的电压降非常小。

晶体管的开关动作是通过一种叫做脉宽调制(PWM)的技术来控制的，输出电压可以通过PWM的占空比来调节。

上图显示了SMPS单元的基本结构。在这种情况下，无调节的直流电源被给予一个开关模式DC - to - DC斩波电路，输出是一个无调节的直流电源。

线性稳压电源和开关电源结构的主要区别是，在线性电源的情况下，输入交流降压，整流和滤波得到无调节的直流，在SMPS的情况下，输入交流直接整流和滤波，无调节的高压直流被提供给高频DC - DC转换器。

通常，高频变压器将是这个DC - to - DC转换器的一部分，用于缩放和隔离。

尽管开关电源(SMPS)的设计比线性稳压电源更复杂，但它的高效率、高功率能力和稳定性是选择SMPS作为敏感电子器件电源单元的主要因素。

SMPS的目的是什么?

大多数电子直流负载，如微处理器，微控制器，led，晶体管，集成电路，电机等，都有标准的电源，如电池。不幸的是，电池的主要问题是电压过高或过低。因此，SMPS将提供一个调节的直流输出。

SMPS是一种多功能电源，因为我们可以从不同的拓扑结构中选择，如升压(Boost)，降压(Buck)，根据应用类型在输入和输出具有隔离的电源。

至于为什么我们需要SMPS的主要因素，一个好的SMPS设计的效率可以高达90%甚至更高。相比之下，线性稳压电源的效率取决于通晶体管的电压降。

例如，假设我们有一个3V的锂电池，必须降压到1.8V的负载，产生100mA的电流。在晶体管中作为热浪费的功率是0.12W，因此电源的效率是40%。

SMPS集成电路或多或少具有离散SMPS设计的所有特性，允许工程师对定制项目的设计进行试验。

smp设计

与线性稳压电源相比，开关电源(SMPS)的设计相当复杂。但这种设计的复杂性有一个优势，因为它将导致稳定和调节的直流电源，能够以一种有效的方式提供更多的电力，在给定的物理规格(尺寸，重量和成本)。

下图是一个简化的SMPS框图，它将交流输入转换为调节直流。

虽然SMPS电源有许多设计类型，但所有的设计都或多或少地类似于上面所示的结构。SMPS的主要设计类型有:

• 交流电到直流电，交流电作为输入我们在输出处得到一个调节的直流电，
• DC - DC升压变换器，其中输入直流电压升压，即输出电压大于输入和
• DC - DC降压变换器，输入直流电压降压，即输出电压小于或等于输入电压。

在直流到直流SMPS系统的情况下，输入直流通常来自电池，因此，直流到直流转换电路(升压和降压)通常在电池操作的系统中发现。

回到上图中的SMPS设计，它代表了一个典型的交直流变换器。我们将看到这个SMPS设计的基本工作。输入交流电源给整流电路和滤波电路。这一步将高压交流电转换为高压直流电。

这种高电压直流被给予一个高速开关元件，如功率MOSFET。该开关的输出是一个高频、高压脉动交流，被提供给一个高频降压变压器。

该变压器的输出是一个低压交流信号，该信号依次给整流器和滤波电路，以获得低压直流。

注意事项：

• 任何SMPS设计的共同特征是将输入交流转换为高压直流，并将这种高压直流转换为高压高频方波(AC)。这种高电压和频率交流电转换为稳压直流。
• 方波振荡器和高速电子开关(如MOSFET)负责将直流电转换为高频交流。同样的原理也用于方波逆变器。
• 通过将输入AC或DC(经过整流和滤波AC)转换为高频AC，电感器、变压器和电容器等组件的尺寸和价格可以降低，即它们可以更小和更便宜。
• 由于在开关处产生的高频交流信号是方波，可以通过脉宽调制(PWM)调节输出电压。有一个电压反馈通过隔离电路到控制电路(控制PWM)。有了这个反馈，来自振荡器的PWM占空比可以改变，因此输出是完全调节的，没有任何过电压。
• 来自高频交流(开关后的信号)的采样电流和参考电流被比较并给到控制电路，因此提供了过电流保护。
• 还需要注意的是，输出直流与输入市电完全隔离，甚至反馈信号也通过光电耦合器隔离。
• 用方波驱动开关晶体管(MOSFET)，与在线性稳压电源中作为串通晶体管操作的晶体管相比，可以确保功耗非常小。
• 由于在SMPS中有高频交流信号，有高频谐波的机会，因此，SMPS更容易受到射频干扰。

smp拓扑

在上一节中，我们已经看到了开关模式电源(SMPS)的基本设计。现在我们将看到SMPS的不同类型或拓扑。交换模式电源或SMPS可以根据其电路拓扑分为两种类型:非隔离转换器和隔离转换器。

非隔离转换器是SMPS拓扑的一种类型，其中开关电路和输出不隔离，即它们有一个公共终端。非隔离SMPS中有三种基本而重要的类型:

• 降压变换器或降压变换器
• 升压变换器或升压变换器
• Buck - Boost变换器

还有其他非隔离SMPS设计，如开关电容，Cuk转换器和SEPIC转换器，但这三种类型是非常重要的。它们是SMPS中最简单的设计，使用一个电感作为能量存储元件和两个开关，其中一个是有源开关(晶体管功率MOSFET)，而另一个可以是二极管。

输出电压可以更高(升压或升压)或更低(降压或降压)，可以由高频方波的占空比控制(应用于开关)。非隔离拓扑的一个主要缺点是开关的效率随着占空比的降低而下降。隔离拓扑结构将更好地适应较大的电压变化。

SMPS中的隔离拓扑使用变压器作为开关元件和输出之间的隔离器。根据变压器的匝数比，输出电压可高于或低于输入电压。基于变压器的SMPS拓扑结构可以通过在变压器上使用多个绕组来产生多个输出电压。

储能元件可以是变压器的二次绕组或单独的电感。两个重要的基于隔离拓扑的SMPS转换器是:

• 回程转换器
• 向前转换器

其他一些常用的隔离SMPS拓扑有半桥、全桥、推-拉、半前、隔离Cuk等。

降压变换器或降压变换器

Buck变换器是一种SMPS电路和DC - DC变换器，其输出电压小于输入电压。因此，Buck变换器也被称为降压变换器。

它是最简单的SMPS之一电源转换器通常用于RAM、CPU、USB等。buck变换器的输入直流可以是整流交流或电池。一个简单的buck转换器使用两个开关(一个晶体管和一个二极管)和一个储能元件(电感)如下图所示。

巴克转换器操作

上图显示的是一个简单的降压转换器或降压转换器，它由开关晶体管、二极管、电感和电容组成。电感、二极管和电容的组合称为飞轮电路。

从方波脉冲的角度解释了Buck变换器的工作原理。下图显示了当输入脉冲高即开关晶体管是ON时降压转换器的操作。

当脉冲输入到MOSFET的栅端为HIGH时，晶体管被打开。因此，晶体管将为负载提供电流。在此期间，二极管D是反向偏置的，在此期间不会成为电路的一部分。

起初，电感电阻电流的变化，因此，电流到负载将逐渐增加随着磁场的扩大。同时，电容器上的电荷逐渐增加到电源电压。下一个图像的条件下，脉冲变成低，即晶体管是关。

当脉冲变为LOW时，开关晶体管被关闭。在晶体管ON状态中建立的磁场，现在开始坍缩并释放能量回电路中。穿过电感器的电压极性，即它的背e.m.f现在是反转的。来自电感的能量开始崩溃，并保持电流在电路中流过负载和二极管，因为二极管D是正向偏压。

一旦来自电感的能量被完全利用，电容器开始放电，并作为主要的供应源，直到晶体管打开。当晶体管打开时，它将再次为电感、电容和负载提供电流，这个过程继续进行。

输出电压取决于开/关时间，即方波脉冲的占空比，输出电压的公式为

VOUT = D x VIN，其中D = TON/(TON+TOFF)

使用Buck转换器，我们可以达到90%以上的效率，因此，它们经常被用于计算机系统，将12V电源转换为1.8V(对于RAM、CPU和USB)。

升压变换器或升压变换器

在前一节中，我们已经看到了Buck Converter类型的SMPS。现在，我们将看到另一种类型的SMPS称为升压转换器或升压转换器。Boost Converter，顾名思义，是一种开关电源，它提高或增加相对于输入电压的输出电压。升压变换器也被称为升压变换器，因为输出电压高于输入电压。

Boost转换器最著名的应用之一是在电动汽车上。来自电动汽车电池的供电将不足以满足其工作，因为它们需要比电池提供的电压高得多的电压(通常在500V的范围内)。Boost转换器的另一个重要应用是车载笔记本电脑充电器。

典型的汽车电池提供12V电压，笔记本电脑需要18 - 22V的任何地方。下图显示了一个简单的升压转换器。

提高转炉操作

这个简单的升压转换器包括一个开关晶体管(可使用BJT或mosfet)，一个储能元件，即电感，另一个开关(二极管或另一个晶体管)，电容和一个具有可控占空比的高频方波振荡器。

这个Boost转换器的输入是无规直流，可以从整流交流，电池，太阳能，直流发电机等。我们将看到这个升压转换器的工作操作。首先，我们将看到的时期，当晶体管是第一次打开。下图显示了这种情况。

当脉冲第一次为HIGH时，晶体管被打开，它关闭由电感器、晶体管和输入电源组成的电路的一部分。电流从输入端流过电感器和晶体管。

电感器，最初抵抗电流的变化，但磁场将逐渐增加，使电感器储存能量。电路的其余部分，如二极管、电容和负载的阻抗要高得多，因此，电路的那部分将没有电流流动。

当方波脉冲变为LOW时，晶体管被关闭。这个动作将导致通过电感的电流下降，在电路中由于磁场坍缩而产生反向emf。此外，电压的极性越过电感现在是反向的，将与输入电压串联。

输入电压和电感的组合，反向电磁脉冲不能通过电感关闭。因此，二极管向前偏置并给电容器充电，同时也为负载提供电流。

这里需要注意的一点是，在晶体管OFF状态下，提供给电容和负载的电压是输入电压和电感背e.m.f的组合，它高于输入电压。

当晶体管再次打开时，电流再次流过电感器和晶体管。由于二极管是反向偏置的，电容通过在此期间作为其源的负载放电其电位，这是输入电压和电感电压的总和。输出电压由公式给出

VOUT= VIN × 1/(1-D)其中D = TON/(TON+TOFF)

回程转换器

反激转换器是一种开关模式电源，通常用于低功率应用。反激式变换器是一种隔离型SMPS，其中输入和输出用变压器隔离。下面是一个简单的反激转换器的电路。

反激式转换器的主要部件是开关晶体管、振荡器电路、变压器、开关(如二极管)和电容。这种变压器不同于普通的变压器，被称为反激式变压器。在这个变压器中，一次电源和次电源不同时导电。

回程转换器操作

当晶体管打开时，电流通过变压器的初级电流点是更高的电位。因此，次级电压的极性将与初级电压的极性相反。因此，二极管D得到反向偏置。

如果电容器在前一个循环中充电，它将通过负载放电。下面的图像显示了反激变换器的这段运行过程。

反激转换器在另一个周期(即晶体管关闭周期)的操作如下图所示。当脉冲变为LOW时，晶体管被关闭，变压器的一次不传导。

二次变压器中的能量将被释放到电路中，同时二次变压器的极性也被逆转，即它变为正的。因此，二极管向前偏置允许能量储存在次级线圈作为源。它为电容器充电，也为负载提供电流。

反激式变换器的输出电压可以高于或低于输入电压，并取决于变压器的一次和二次的匝数比。

向前转换器

另一个重要的开关模式电源是正激变换器。它是另一种隔离型SMPS，从无调节直流电源产生受控和调节直流。

正激变换器的效率略高于反激变换器，常用于功率要求稍高的应用场合(通常在200W左右)。正激变换器的设计比反激变换器稍微复杂一些，下面是一个简单的结构。

正激变换器的简单电路由一个快速开关晶体管、一个控制方波占空比的电路、一个普通变压器、两个整流交流的二极管、一个电感和一个滤波的电容组成。

向前转换器操作

下图显示了当晶体管打开时正激转换器的工作情况。当脉冲是高时，晶体管被打开，作为一个结果，变压器的初级线圈开始导电。结果，在变压器的次级线圈中感应电压。

在次级诱发的电压极性与初级相似，因此二极管D1向前偏置。从二次电压将开始流经二极管D1，电感，电容，最后负载。在此期间，电感器和电容都以磁场和的形式储存能量电场分别。

当脉冲变为LOW时，晶体管被关闭，结果，初级线圈停止导电。这将反过来停止在次级电流的诱导电流。电流的这种突然变化(或下降)将产生电感的反向电磁脉冲，其电压的极性是相反的。

正激变换器的这段运行时间如下图所示。电感中的能量通过负载和二极管D2(因为它是正向偏压)开始在电路中崩溃。一旦电感中的能量结束，电容器开始通过负载放电，并作为负载的临时源。这个过程一直持续到晶体管再次打开

正激变换器的输出电压取决于变压器匝数比以及脉宽调制器的占空比。输出电压由

VOUT = VIN x D x NS/NP