不同开关电源及电路摘要

线性电压IC稳压器多年来一直是电源设计的基础，因为它们非常擅长提供连续的固定电压输出。

线性稳压器通常更有效率比由齐纳C和电阻器，晶体管甚至运算放大器等分立元件制成的等效稳压器电路更易于使用。

目前最流行的线性和固定输出电压调节器类型是78 ...正输出电压系列，以及79 ...负输出电压系列。这两种类型的互补电压调节器可产生精确和稳定的电压输出，范围从约5伏到约24伏，适用于许多电子电路。

这些三端固定电压范围很广每个稳压器都有自己的内置电压调节和限流电路。这使我们能够创建一整套不同的电源轨和输出，单电源或双电源，适用于大多数电子电路和应用。甚至还有可变电压线性稳压器，它提供的输出电压可以从零到零电压输出的低于零电压连续变化。

大多数直流调节器。电源包括一个大而重的降压电源变压器，电阻整流，全波或半波，一个滤波电路，用于去除整流后的直流电压。产生适当光滑的d.c.电压，以及某种形式的电压调节器或稳压器电路，线性或开关，以确保在变化的负载条件下正确调节电源输出电压。然后一个典型的直接电源看起来像这样：

典型的直流电源

这些典型的电源设计包含一个大型电源变压器（也提供输入和输出之间的隔离）和一个耗散型串联稳压器电路。稳压器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。

线性稳压器通过连续导通产生稳压直流输出在输入和输出之间串联的晶体管在其电流 - 电压（iv）特性的线性区域（因此名称）中操作它。因此，晶体管更像是一个可变电阻，它可以不断调整自身，以保持正确的输出电压所需的任何值。考虑下面这个简单的串联传输晶体管稳压器电路：

串联晶体管稳压器电路

这里这个简单的射极跟随器稳压器电路由单个NPN晶体管和直流偏置电压组成，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，向晶体管基极施加合适的偏置电压，从发射极端获得稳定的输出。

由于晶体管提供电流增益，输出负载电流将为如果使用达林顿晶体管排列，则远高于基极电流和更高的电压。

此外，假设输入电压足够高以获得所需的输出电压，输出电压由晶体管控制在该示例中，基极电压为5.7伏特，以产生向负载的5伏输出，因为在基极和发射极端子之间的晶体管上下降大约0.7伏特。然后，根据基极电压的值，可以获得任何发射极输出电压值。

虽然这个简单的串联稳压器电路可以工作，但其缺点是串联晶体管在其中不断偏置。由于所有负载电流必须通过串联晶体管，因此线性区域由于其V * I产品而以热量形式耗散功率，导致效率低下，功率浪费和连续发热。

此外，串联电压调节器的一个缺点是，它们的最大连续输出电流额定值仅限于几安培左右，因此通常用于需要低功率输出的应用中。当需要更高输出电压或电流电源时，通常的做法是使用通常称为开关模式电源的开关稳压器将电源电压转换为所需的更高功率输出。 / p>

开关电源或SMPS正在变得普遍，并且在大多数情况下已将传统的线性交流 - 直流电源替换为减少功耗，减少散热，以及尺寸和重量的方法。开关模式电源现在可以在大多数PC，功率放大器，电视，直流电机驱动器等中找到，几乎任何需要高效电源的电源都可以用作开关模式电源，这种电源正日益成为一种更为成熟的技术。

根据定义，开关模式电源（SMPS）是一种使用半导体开关技术的电源，而不是标准的线性方法来提供所需的输出电压。基本开关转换器包括功率开关级和控制电路。功率开关级执行从电路输入电压 V IN 到其输出电压 V OUT 包括输出滤波。

与标准线性稳压器相比，开关模式电源的主要优势在于其更高的效率，这是通过在其“之间”内部切换晶体管（或功率MOSFET）来实现的。 ON“状态（饱和）及其”关闭“状态（截止），两者都产生较低的功耗。这意味着当开关晶体管完全“导通”并传导电流时，其上的电压降处于其最小值，并且当晶体管完全“关断”时，没有电流流过它。因此，晶体管就像一个理想的开关。

因此，与仅提供降压稳压的线性稳压器不同，开关模式电源可以提供降压，升压和否定使用三种基本开关模式电路拓扑中的一种或多种的输入电压：降压，升压和降压 - 升压。这是指晶体管开关，电感和平滑电容如何在基本电路中连接。

降压开关电源

降压开关稳压器是一种开关模式电源电路，设计用于有效地将DC电压从较高电压降低到较低电压，即减去或“降低”电源电压，从而降低输出端子的可用电压而不改变极性。换句话说，降压开关稳压器是降压稳压器电路，因此例如降压转换器可以转换为+12伏特至+5伏特。

降压开关稳压器是DC-to -DC转换器和最简单和最流行的开关稳压器之一。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（理想情况下为绝缘栅双极晶体管或IGBT）作为其主开关器件，如下所示。

降压开关稳压器

>

我们可以看到降压转换器的基本电路配置是串联晶体管开关， TR 1 ，带有相关的驱动电路，使输出电压尽可能接近所需的电平，二极管， D 1 ，电感， L 1 和平滑电容， C 1 。降压转换器有两种工作模式，具体取决于开关晶体管 TR 1 是“ON”还是“OFF”。

当晶体管被偏置为“ON”（开关闭合），二极管 D 1 变为反向偏置且输入电压 V IN 使电流流过电感器到输出端的连接负载，对电容器充电， C 1 。根据法拉第定律，当变化的电流流过电感线圈时，它会产生反电流的反电动势，直到达到稳定状态，在电感周围产生磁场， L 1 。只要 TR 1 关闭，这种情况就会无限期地持续。

当晶体管 TR 1 “关闭”（开关打开），输入电压立即与发射器电路断开，导致电感器周围的磁场坍塌，从而在电感器两端产生反向电压。这种反向电压使二极管变为正向偏置，因此电感器磁场中存储的能量迫使电流继续以相同的方向流过负载，然后通过二极管返回。

然后电感， L 1 将其存储的能量返回到作为源的负载并提供电流，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为止，以先到者为准。同时，电容器还向负载提供电流。电感和电容的组合形成一个LC滤波器，可以消除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，从电源提供电流，并且当晶体管开关断开时，电感器提供电流。请注意，流过电感的电流始终在同一方向，直接来自电源或通过二极管，但显然在开关周期内的不同时间。

随着晶体管开关不断关闭因此，平均输出电压值将与占空比 D 相关，其被定义为在一个完整开关周期期间晶体管开关的导通时间。如果 V IN 是电源电压，晶体管开关的“ON”和“OFF”时间定义为： t ON 和 t OFF ，然后输出电压 V OUT 为：

降压转换器占空比

降压转换器的占空比也可以定义为：

因此占空比越大，开关电源的平均直流输出电压越高。由此我们还可以看到输出电压始终低于输入电压，因为占空比 D 永远不会达到1（单位），从而产生降压稳压器。通过改变占空比获得电压调节，并且在高达200kHz的高开关速度下，可以使用更小的元件，从而大大降低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）布置提供非常好的电感器电流滤波。理想情况下，降压转换器应以连续开关模式工作，以使电感电流不会降至零。理想的元件，即“导通”状态下的零电压降和开关损耗，理想的降压转换器可以提供高达100％的效率。

以及降压降压开关稳压器开关电源的基本设计，基本开关稳压器的另一个操作，作为升压稳压器，称为升压转换器。

升压开关模式电源

升压开关稳压器是另一种开关模式电源电路。它具有与前一个降压转换器相同类型的组件，但这次是在不同的位置。升压转换器设计用于将DC电压从较低电压增加到较高电压，即增加或“提升”电源电压，从而增加输出端子处的可用电压而不改变极性。换句话说，升压开关稳压器是升压调节器电路，因此例如升压转换器可以转换为+5伏特至+12伏特。

我们之前看到降压开关稳压器使用基本设计中的串联开关晶体管。与升压开关稳压器的设计的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。由于晶体管开关有效地与输出并联连接，当晶体管被偏置为“关闭”（开关断开）时，电能仅通过电感器传递到负载。

升压开关稳压器

在升压转换器电路中，当晶体管开关完全导通时，来自电源的电能 V IN 通过电感和晶体管开关并返回电源。结果，由于饱和晶体管开关有效地产生输出短路，所以它都没有传递到输出端。这增加了流过电感器的电流，因为它具有较短的内部路径以返回电源。同时，二极管 D 1 变为反向偏置，因为其阳极通过晶体管开关接地，输出端的电压电平在电容器开始放电时保持相当稳定负载。

当晶体管完全关断时，输入电源现在通过串联电感和二极管连接到输出。随着电感场减小，存储在电感中的感应能量被 V IN 通过现在的正向偏置二极管推向输出。所有这一切的结果是电感器上的感应电压 L 1 反转并增加输入电源的电压，增加了现在的总输出电压，<跨度> V <子> IN + V <子>→ 。

平滑电容器的电流 C 1 用于在晶体管开关闭合时为负载供电，现在通过输入电源通过输入电源返回到电容器二极管。然后，提供给电容器的电流是二极管电流，当二极管通过晶体管的开关动作在正向和反向状态之间连续切换时，二极管电流将始终为ON或OFF。然后平滑电容必须足够大，以产生平滑稳定的输出。

当感应电阻 L 1 的感应电压为负时，增加源电压， V IN 迫使电感电流流入负载。升压转换器稳态输出电压由下式给出：

与之前的降压转换器一样，输出电压升压转换器取决于输入电压和占空比。因此，通过控制占空比，实现输出调节。还不是这个等式与电感，负载电流和输出电容的值无关。

我们已经看到，非隔离开关电源电路的基本操作可以使用降压转换器或升压转换器配置取决于我们是否需要降压（降压）或升压（升压）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，例如电池充电器，闪光灯，闪光灯闪光灯等，因为电容器在开关闭合时提供所有负载电流。

但我们也可以将这两种基本的开关拓扑结合到一个非隔离的开关稳压器电路中，不出所料地称为降压 - 升压转换器。

降压-Boost开关稳压器

降压 - 升压开关稳压器是降压转换器和升压转换器的组合，可产生反相（负）输出电压，可以大于或小于比基于占空比的输入电压。降压 - 升压转换器是升压转换器电路的一种变体，其中反相转换器仅将电感器存储的能量 L 1 传递到负载中。基本降压 - 升压开关模式电源电路如下所示。

降压 - 升压开关稳压器

当晶体管开关 TR 1 完全接通（闭合）时，电感两端的电压等于电源电压，所以电感器存储来自输入电源的能量。没有电流输出到输出端的连接负载，因为二极管 D 1 是反向偏置的。当晶体管开关完全关断（开路）时，二极管变为正向偏置，先前存储在电感中的能量被传递到负载。

换句话说，当开关处于“ON”状态时，通过直流电源（通过开关）将能量输送到电感器，并且没有输出到输出，当开关“关闭”时，电感器两端的电压反转，因为电感器现在变成能量源，因此存储能量以前在电感器中切换到输出（通过二极管），没有一个直接来自输入直流电源。因此，当开关晶体管“关闭”时，负载两端的电压下降等于电感电压。

结果是反相输出电压的幅度可以更大或更小（或等于）基于占空比的输入电压的大小。例如，正负降压 - 升压转换器可将5伏转换为12伏（升压）或12伏转至5伏（降压）。

降压 - 升压开关稳压器稳态输出电压 V OUT 给出如下：

然后降压 - 升压稳压器的名称来自产生更高的输出电压（如升压功率级）或者更低（如降压功率级）的幅度大于输入电压。但是，输出电压的极性与输入电压相反。

开关模式电源摘要

现代开关电源或SMPS使用固态开关进行转换未调节的直流输入电压，在不同的电压电平下调节和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实直流电压，或来自使用二极管电桥的交流电源的整流直流电压以及一些额外的电容滤波。

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，如果它以高速反复“开”和“关”。这样做的主要优点是稳压器的功率效率可能非常高，因为晶体管要么完全导通，要么导通（饱和）或全截止（截止）。

有几种DC-DC转换器的类型（与逆变器的DC-AC转换器相对）配置可用，这里看到的三个基本开关电源拓扑是 Buck ， Boost 和降压 - 升压开关稳压器。所有这三种拓扑结构都是非隔离的，即它们的输入和输出电压共用一条公共地线。

每个开关稳压器设计在稳态占空比，关系方面都有其独特的性质。输入和输出电流之间，以及固态开关动作产生的输出电压纹波。这些开关模式电源拓扑结构的另一个重要特性是开关动作对输出电压的频率响应。

输出电压的调节是通过开关晶体管所处时间的百分比控制来实现的。 “ON”状态与总ON / OFF时间相比较。该比率称为占空比，通过改变占空比，可以控制（ D 输出电压的大小， V OUT 。

在开关模式电源设计中，使用单个电感器和二极管以及能够在千赫兹范围内的开关频率下工作的快速开关固态开关，允许尺寸和重量电源大大减少。这是因为在设计中不会有大而重的降压（或升压）电压互感器。但是，如果输入和输出端子之间需要隔离，变压器必须在转换器之前包含。

两种最流行的非隔离开关配置是降压（减法）和升压（加法）转换器。

降压转换器是一种开关电源，用于将电能从一个电压转换为一个电压。降压转换器用于工作串联开关晶体管。作为占空比， D <1 ，降压的输出电压始终小于输入电压， V IN 。

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一个更高的电压。升压转换器使用并联连接的开关晶体管工作，导致 V IN 和 V OUT 通过电感， L 1 和二极管， D 1 。这意味着输出端没有短路保护。

通过改变升压转换器的占空比（ D ），可以控制输出电压并使用 D <1 ，由于电感自感应电压，升压转换器的直流输出大于输入电压 V IN 。

此外，假设开关模式电源中的输出平滑电容非常大，这会在晶体管开关动作期间从开关模式电源获得恒定的输出电压。