开关电源的工作原理及设计

正在寻找可以将功率从 AC 或 DC 转换为一个或多个 DC 级别的电源?那么您需要一个开关模式电源。以下是其工作原理。

通常称为“转换开关”，这些设备每秒数次打开和关闭其电源。这种开关操作产生一个有效的输入频率，并且通常达到兆赫范围。

1、什么是“开关模式”?

开关电源中的“开关”其实是一个半导体(一个要么关闭要么打开的 MOSFET)，该半导体被驱动进入饱和范围，在几乎零电阻下转换功率。它每秒做几千次这种转换，产生高频 AC 介质。由于该半导体已被驱动进入饱和，所以它几乎没有任何阻力，实现了高效率和极少的热量生成。另一方面，还有一种线性电源，它之所以得名，是因为其整流器在线性范围内工作。这意味着，当它们传导功率时，要抵抗电阻传导，过程中必不可少伴随有功率浪费和热量产生。

无论该半导体在什么频率下开关，两次“开”脉冲开始间隔的时间都被定义为开关周期。“开”时间占开关周期的一小部分，称为工作周期。通过改变工作周期，可以控制输出电压。改变“the fly”上的工作周期可保持目标电压。

开关电源 (SMPS) 有哪些优点?

高效率 – 产生热量很少。低功耗元器件通常不需要隔热罩，这意味着可以直接将它们安装在 PCB 上。

紧凑外形 – 由于转换开关在较高的频率下工作，所以其与滤波电容器和电感器相关的值和大小将减小，整个元器件将占用更少的空间。

多功能设计 – 根据应用的要求，可以将转换开关设计为升压 (Boost) 或降压 (Buck) 。

2、开关模式电源设计

术语

通常用全砖、半砖和四分之一砖这种术语来描述转换开关。全砖的尺寸为 4.6 x 2.4 x 0.5，半砖为 2.3 x 2.4 x 0.35，四分之一砖为 2.3 x 1.45 x 0.35，均以英寸为单位。这些定义虽然被广泛接受，但未得到一致遵守。规范还包括引脚。所以当使用符合标准的转换开关时，如果设计人员需要或选择替换产品，就很容易做到。更新型号的四分之一砖电源可以提供 250 瓦特和更高的电功率。相比之前功率需要的空间量，这可谓一大进步，腾出的空间可用来在产品设计中包括更多的功能。

构建

描述转换开关物理学的方程式看似简单。处理安培(跟大多数电气工程师通常处理微安时相反)的现实情况会导致延迟，增加费用，甚至产品彻底出现故障。所以，转换开关设计最好还是留给电源专家去做，即，这种情况下买总比自己去构建要强。

工程师在设计开关电源时有两个主要选择。第一个是单一电源，为需要供电的系统生成所需的所有电压。第二个涉及到一个与外部 AC 连接的元器件，但只有一个 DC 输出，通常为 12、24 或 48 伏。在此情形下，主电源产生的电压最高，即是需要的电压。如果系统中某处需要一个较低的电压，则可利用 buck 转换器来完成所需的 DC 到 DC 向下转换。

buck 转换器极其高效，功率损失只有 5%，甚至更低。它们有时也被描述为开关稳压器。buck 转换器在某种意义上类似所有转换开关，其中心是一个半导体开关，每秒数千次或更多次地开关源电压。

由于其设计上的优势，开关电源已迅速成为除最严格技术性应用之外所有应用的标准。设计工作一直在向更高效、小型、轻量的方向不断迈进。

审核编辑：郭婷