眾所周知，大多數(shù)直流電源包括一個大而重的降壓電源變壓器、整流二極管(全波或半波)和一個濾波電路，用于從整流后的直流中去除任何紋波，以產(chǎn)生適當平滑的直流輸出電壓。

此外，還可以使用某種形式的穩(wěn)壓器或穩(wěn)壓器電路，無論是線性的還是開關(guān)的，以確保在變化的負載條件下正確調(diào)節(jié)電源輸出電壓。所以，一個典型的直流電源看起來像就像下圖一樣：

這些典型的電源設計包含一個大型電源變壓器(它還提供輸入和輸出之間的隔離)和一個串聯(lián)穩(wěn)壓器電路。穩(wěn)壓器電路可以由單個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)點是電源電路只需要一個輸入電容、輸出電容和一些反饋電阻來設置輸出電壓。

線性穩(wěn)壓器通過在輸入和輸出之間串聯(lián)一個連續(xù)導通的晶體管來產(chǎn)生穩(wěn)定的直流輸出，使其在其電流-電壓 (iv) 特性的線性區(qū)域(因此得名)中運行。因此，晶體管的作用更像是一個可變電阻，它不斷地將自身調(diào)整到維持正確輸出電壓所需的任何值。下面來看一個簡單的串聯(lián)傳輸晶體管穩(wěn)壓器電路：

在上面的電路圖中，這個簡單的射極跟隨器穩(wěn)壓器電路由一個NPN晶體管和一個直流偏置電壓組成，以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，因此向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，因此輸出負載電流將遠高于基極電流，如果使用達林頓晶體管布置，則更高。

此外，如果輸入電壓足夠高以獲得所需的輸出電壓，則輸出電壓由晶體管基極電壓控制，在此示例中，輸出電壓為5.7伏，以向負載產(chǎn)生大約0.7伏的5伏輸出在基極和發(fā)射極之間的晶體管上下降。然后根據(jù)基極電壓的值，可以獲得發(fā)射極輸出電壓的任何值。

雖然這個簡單的串聯(lián)穩(wěn)壓器電路可以工作，但其缺點是串聯(lián)晶體管在其線性區(qū)域內(nèi)持續(xù)偏置，以熱量的形式耗散功率。由于所有負載電流都必須通過串聯(lián)晶體管，這會導致效率低下、V*I 功率浪費以及晶體管周圍持續(xù)發(fā)熱。

此外，串聯(lián)穩(wěn)壓器的缺點之一是其最大連續(xù)輸出電流額定值僅限于幾安培左右，因此通常用于需要低功率輸出的應用中。當需要更高的輸出電壓或電流功率要求時，主流的做法是使用通常稱為開關(guān)模式電源的開關(guān)穩(wěn)壓器，目的將電源電壓轉(zhuǎn)換為所需的更高功率輸出。

開關(guān)穩(wěn)壓器(SMPS)正變得越來越普遍，并且在大多數(shù)情況下已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的線性AC-DC電源，作為降低功耗、減少散熱以及尺寸和重量的一種方式。

開關(guān)穩(wěn)壓器可以在大多數(shù)PC、功率放大器、電視、直流電機驅(qū)動器等中找到，幾乎任何需要高效電源的設備都可以使用，因為開關(guān)模式電源正日益成為一項更加成熟的技術(shù)。

開關(guān)穩(wěn)壓器的概念

根據(jù)定義，開關(guān)穩(wěn)壓器 (SMPS) 是一種使用半導體開關(guān)技術(shù)而非標準線性方法來提供所需輸出電壓的電源，基本開關(guān)轉(zhuǎn)換器由功率開關(guān)級和控制電路組成。功率開關(guān)級執(zhí)行從電路輸入電壓V IN到其輸出電壓V OUT的功率轉(zhuǎn)換，其中包括輸出濾波。

與標準線性穩(wěn)壓器相比，開關(guān)穩(wěn)壓器的主要優(yōu)點是效率更高，這是通過在其“導通”狀態(tài)(飽和)和“關(guān)斷”狀態(tài)之間內(nèi)部切換晶體管(或功率MOSFET)來實現(xiàn)的(截止)，這兩者都會產(chǎn)生較低的功耗。

這意味著當開關(guān)晶體管完全“導通”并傳導電流時，其兩端的電壓降處于最小值，而當晶體管完全“關(guān)閉”時，沒有電流流過它，所以晶體管就像一個理想的開/關(guān)開關(guān)。

與僅提供降壓調(diào)節(jié)的線性穩(wěn)壓器不同，開關(guān)穩(wěn)壓器可以使用以下三種基本開關(guān)模式電路拓撲中的一種或多種提供輸入電壓的降壓、升壓、反向降壓、升壓和降壓-升壓。

開關(guān)穩(wěn)壓器的種類

1、降壓開關(guān)穩(wěn)壓器

降壓開關(guān)穩(wěn)壓器是一種開關(guān)模式電源電路，旨在有效地將直流電壓從較高電壓降低到較低電壓，也就是說，它會減去或“降壓”電源電壓，從而降低輸出端的可用電壓端子而不改變極性。換句話說，降壓開關(guān)穩(wěn)壓器是降壓穩(wěn)壓器電路，因此例如降壓轉(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DC-DC轉(zhuǎn)換器，是最簡單和最流行的開關(guān)穩(wěn)壓器類型之一。在開關(guān)模式電源配置中使用時，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或IGBT)作為其主要開關(guān)器件，如下圖所示。

從上圖可以看到，降壓轉(zhuǎn)換器的基本電路配置是一個串聯(lián)晶體管開關(guān)TR1和一個相關(guān)的驅(qū)動電路，該驅(qū)動電路使輸出電壓盡可能接近所需電平，一個二極管D1，一個電感器L1和一個平滑電容器C1。降壓轉(zhuǎn)換器具有兩種操作模式，這取決于開關(guān)晶體管TR1是“ON”還是“OFF”。

當晶體管偏置為“ON”(開關(guān)閉合)時，二極管D1變?yōu)榉聪蚱茫斎腚妷篤 IN導致電流通過電感器流向輸出端連接的負載，從而為電容器C1充電。

當變化的電流流過電感線圈時，它會產(chǎn)生一個反電動勢，根據(jù)法拉第定律，它與電流的流動相反，直到它達到一個穩(wěn)定狀態(tài)，在電感器周圍產(chǎn)生磁場L1。只要TR 1關(guān)閉，這種情況就會無限期地持續(xù)下去。

當晶體管TR 1被控制電路“關(guān)閉”(開關(guān)打開)時，輸入電壓會立即與發(fā)射極電路斷開，從而導致電感器周圍的磁場崩潰，從而在電感器上產(chǎn)生反向電壓。

該反向電壓導致二極管正向偏置，因此電感器磁場中存儲的能量迫使電流繼續(xù)以相同方向流過負載，并通過二極管返回。

然后電感器L1將其存儲的能量返回到負載，充當源并提供電流，直到所有電感器的能量返回到電路或直到晶體管開關(guān)再次閉合，以先到者為準。同時，電容器也會對負載的供電電流進行放電。電感器和電容器的組合形成了一個LC濾波器，可消除由晶體管開關(guān)動作產(chǎn)生的任何紋波。

因此，當晶體管固態(tài)開關(guān)閉合時，電流由電源提供，而當晶體管開關(guān)斷開時，電流由電感器提供。需要注意的是，流經(jīng)電感器的電流始終沿相同方向，直接來自電源或通過二極管，但顯然在開關(guān)周期內(nèi)的不同時間。

由于晶體管開關(guān)不斷閉合和打開，因此平均輸出電壓值將與占空比D相關(guān)，D定義為晶體管開關(guān)在一個完整開關(guān)周期內(nèi)的導通時間。

如果V IN是電源電壓，晶體管開關(guān)的“ON”和“OFF”時間定義為：t ON和t OFF，則輸出電壓V OUT為：

降壓轉(zhuǎn)換器的占空比也可以定義為：

因此占空比越大，開關(guān)電源的平均直流輸出電壓就越高。由此還可以看到，輸出電壓將始終低于輸入電壓，因為占空比D永遠不會達到1(單位)，從而導致降壓穩(wěn)壓器。

電壓調(diào)節(jié)是通過改變占空比和高達200kHz的高開關(guān)速度來實現(xiàn)的，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)換器的另一個優(yōu)點是電感-電容 (LC) 布置可以很好地過濾電感電流。理想情況下，降壓轉(zhuǎn)換器應以連續(xù)開關(guān)模式運行，以使電感電流永遠不會降至零。使用理想的組件，即“導通”狀態(tài)下的零壓降和開關(guān)損耗，理想的降壓轉(zhuǎn)換器可以具有高達100%的效率。

除了用于開關(guān)模式電源基本設計的降壓降壓開關(guān)穩(wěn)壓器外，基本開關(guān)穩(wěn)壓器還有另一種操作，稱為升壓轉(zhuǎn)換器，用作升壓穩(wěn)壓器。

2、升壓開關(guān)穩(wěn)壓器

升壓型開關(guān)穩(wěn)壓器是另一種開關(guān)模式電源電路，它與之前的降壓轉(zhuǎn)換器具有相同類型的組件，但這次的位置不同。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，即它也增加或“提升”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，升壓開關(guān)穩(wěn)壓器是升壓穩(wěn)壓器電路，因此例如升壓轉(zhuǎn)換器可以將+5伏轉(zhuǎn)換為+12伏。

之前看到降壓開關(guān)穩(wěn)壓器在其基本設計中使用串聯(lián)開關(guān)晶體管。這與升壓型開關(guān)穩(wěn)壓器設計的不同之處在于它使用并聯(lián)的開關(guān)晶體管來控制開關(guān)電源的輸出電壓。

由于晶體管開關(guān)有效地與輸出并聯(lián)連接，當晶體管偏置為“OFF”(開關(guān)打開)時，電能僅通過電感器傳遞到負載，如圖所示。

在升壓轉(zhuǎn)換器電路中，當晶體管開關(guān)完全導通時，來自電源的電能V IN通過電感器和晶體管開關(guān)返回到電源。結(jié)果，由于飽和的晶體管開關(guān)有效地對輸出造成短路，因此它們都不會傳遞到輸出端。

這會增加流過電感器的電流，因為它有更短的內(nèi)部路徑可以返回電源。同時，二極管D1變?yōu)榉聪蚱?，因為它的陽極通過晶體管開關(guān)連接到地，隨著電容器開始通過負載放電，輸出端的電壓電平保持相當恒定。

當晶體管完全關(guān)閉時，輸入電源現(xiàn)在通過串聯(lián)的電感器和二極管連接到輸出。隨著電感場的減小，存儲在電感中的感應能量被V IN通過現(xiàn)在正向偏置的二極管推到輸出端。

所有這一切的結(jié)果是電感器L1上的感應電壓反轉(zhuǎn)并添加到輸入電源的電壓上，從而增加了總輸出電壓，因為它現(xiàn)在變?yōu)閂 IN +V L。

來自平滑電容器C1的電流在晶體管開關(guān)閉合時用于為負載供電，現(xiàn)在通過二極管由輸入電源返回到電容器。那么提供給電容器的電流就是二極管電流，由于二極管通過晶體管的開關(guān)動作不斷地在其正向和反向狀態(tài)之間切換，二極管電流將始終為“ON”或“OFF”。那么平滑電容器必須足夠大以產(chǎn)生平滑穩(wěn)定的輸出。

由于電感器L 1上的感應電壓為負，它與源電壓V IN相加，迫使電感器電流流入負載。升壓轉(zhuǎn)換器穩(wěn)態(tài)輸出電壓由下式給出：

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，通過控制占空比，實現(xiàn)輸出調(diào)節(jié)。也不是說這個方程與電感值、負載電流和輸出電容無關(guān)。

從上面可以看到，非隔離式開關(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，具體取決于是否需要降壓(降壓)或升壓(升壓)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用中，例如電池充電器、閃光燈、閃光燈等，因為電容器在開關(guān)閉合時提供所有負載電流。

當然，也可以將這兩種基本開關(guān)拓撲組合成一個非隔離式開關(guān)穩(wěn)壓器電路，這就被稱之為降壓—升壓轉(zhuǎn)換器。

3、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，可根據(jù)占空比產(chǎn)生可大于或小于輸入電壓的反相(負)輸出電壓。降壓—升壓轉(zhuǎn)換器是升壓轉(zhuǎn)換器電路的變體，其中反相轉(zhuǎn)換器僅將電感器L1存儲的能量傳遞到負載中。下圖給出了基本的升降壓開關(guān)模式電源電路。

當晶體管開關(guān)TR1完全導通(閉合)時，電感兩端的電壓等于電源電壓，因此電感存儲來自輸入電源的能量。因為二極管D1是反向偏置的，所以在輸出端沒有電流輸送到連接的負載。當晶體管開關(guān)完全關(guān)閉(打開)時，二極管變?yōu)檎蚱?，并且先前存儲在電感器中的能量被轉(zhuǎn)移到負載。

換句話說，當開關(guān)為“ON”時，直流電源(通過開關(guān))將能量傳遞到電感器中，而沒有能量傳遞到輸出端，當開關(guān)為“OFF”時，電感器兩端的電壓反轉(zhuǎn)為電感器現(xiàn)在成為能量源，因此之前存儲在電感器中的能量被切換到輸出端(通過二極管)，沒有一個直接來自輸入直流源。因此，當開關(guān)晶體管“關(guān)閉”時，負載兩端的電壓降等于電感電壓。

結(jié)果是反相輸出電壓的幅度可以大于或小于(或等于)基于占空比的輸入電壓的幅度。例如，正負升降壓轉(zhuǎn)換器可以將5伏轉(zhuǎn)換為12伏(升壓)或12伏轉(zhuǎn)換為5伏(降壓)。

升降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的穩(wěn)態(tài)輸出電壓V OUT為：

降壓—升壓穩(wěn)壓器的名字來源于產(chǎn)生的輸出電壓可以高于(如升壓功率級)或低于(如降壓功率級)輸入電壓的幅度。然而，輸出電壓的極性與輸入電壓的極性相反。

總結(jié)

現(xiàn)代開關(guān)穩(wěn)壓器使用固態(tài)開關(guān)將未穩(wěn)壓的直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為不同電壓電平的穩(wěn)定且平滑的直流輸出電壓。輸入電源可以是來自電池或太陽能電池板的真正直流電壓，也可以是來自使用二極管橋和一些額外電容濾波的交流電源的整流直流電壓。

在許多功率控制應用中，功率晶體管MOSFET和IGFET在其高速反復“導通”和“關(guān)斷”的開關(guān)模式下運行。這樣做的主要優(yōu)點是穩(wěn)壓器的功率效率可以非常高，因為晶體管要么完全導通并導通(飽和)，要么完全截止(截止)。

當然，每個開關(guān)穩(wěn)壓器設計在穩(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)動作產(chǎn)生的輸出電壓紋波方面都有其獨特的屬性。這些開關(guān)模式電源拓撲的另一個重要特性是開關(guān)動作對輸出電壓的頻率響應。輸出電壓的調(diào)節(jié)是通過控制開關(guān)晶體管處于“ON”狀態(tài)的時間與總的ON/OFF時間的百分比來實現(xiàn)的。這個比率稱為占空比，通過改變占空比， ( D輸出電壓的大小，V OUT可以控制。

此外，在開關(guān)穩(wěn)壓器設計中使用單個電感器和二極管以及能夠在千赫茲范圍內(nèi)的開關(guān)頻率下工作的快速開關(guān)固態(tài)開關(guān)，這樣可以大大減小電源的尺寸和重量，這是因為在他們的設計中不會有大而重的降壓(或升壓)電壓電源變壓器。但是，如果需要在輸入和輸出端子之間進行電氣隔離，則必須在轉(zhuǎn)換器之前包含一個變壓器。