開關(guān)模式電源

　　開關(guān)模式電源（英語：Switch Mode Power Supply，SMPS），又稱交換式電源、開關(guān)變換器或開關(guān)電路，是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置，是電源供應(yīng)器的一種。其功能是將一個位準(zhǔn)的電壓，透過不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為用戶端所需求的電壓或電流。開關(guān)電源的輸入多半是交流電源（例如市電）或是直流電源，而輸出多半是需要直流電源的設(shè)備，例如個人電腦，而開關(guān)電源就進(jìn)行兩者之間電壓及電流的轉(zhuǎn)換。

　　開關(guān)電源不同于線性電源，開關(guān)電源利用的切換晶體多半是在全開模式（飽和區(qū)）及全閉模式（截止區(qū)）之間切換，這兩個模式都有低耗散的特點(diǎn)，切換之間的轉(zhuǎn)換會有較高的耗散，但時間很短，因此比較節(jié)省能源，產(chǎn)生廢熱較少。理想上，開關(guān)電源本身是不會消耗電能的。電壓穩(wěn)壓是透過調(diào)整晶體管導(dǎo)通及斷路的時間來達(dá)到。相反的，線性電源在產(chǎn)生輸出電壓的過程中，功率晶體工作在放大區(qū)，本身也會消耗電能。開關(guān)電源的高轉(zhuǎn)換效率是其一大優(yōu)點(diǎn)，而且因?yàn)殚_關(guān)電源工作頻率高，可以使用小尺寸、輕重量的變壓器，因此開關(guān)電源也會比線性電源的尺寸要小，重量也會比較輕。

　　若電源的高效率、體積及重量是考慮重點(diǎn)時，開關(guān)電源比線性電源要好。不過開關(guān)電源比較復(fù)雜，內(nèi)部晶體管會頻繁切換，若切換電流未加以處理，可能會產(chǎn)生噪聲及電磁干擾影響其他設(shè)備，而且若開關(guān)電源沒有特別設(shè)計，其電源功率因數(shù)可能不高。

穩(wěn)壓電源的基本原理

　　可以把穩(wěn)壓電源想象成為如下的一種情形：當(dāng)試圖從一個直徑較大的自來水管中取出連續(xù)不斷的且較小的水流時，可以采用兩種策略：一種是使用一個轉(zhuǎn)接閥門，并將閥門開啟在較小位置，這就是線性電源的工作原理（可以將閥門看作晶體管）。線性電源的電壓調(diào)整晶體管上承受著很大的“壓力”（具體的表現(xiàn)是轉(zhuǎn)換為熱能的形式散耗）；或者，可以改進(jìn)一下，讓大水管的水流到一個比較大的“水桶”里，小水管連接到這個水桶上取水，接著，需要做的就是斷續(xù)的打開/關(guān)閉大水管上的閥門，保證水桶內(nèi)的水既不會完全沒有，也不會因?yàn)樘喽绯觥_關(guān)電源的基本原理就是如此。

與線性電源的比較

　　與傳統(tǒng)的線性電源相比，開關(guān)電源的優(yōu)勢在于效率高（此處的效率可以簡單的看作輸入功率與輸出功率之比），加之開關(guān)晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)，損耗較小，發(fā)熱較低，不需要體積/重量非常大的散熱器，因此體積較小、重量較輕。但開關(guān)電源工作時，由于頻率較高，會對電網(wǎng)及周圍設(shè)備造成干擾，因此，必須妥善的處理此問題。

　　線性電源的優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)相對簡單，可靠性相對較高，電流紋波率可以很容易的做到比較低，維修也較為方便。

　　實(shí)際上，現(xiàn)代的電路中，開關(guān)電源電路和線性電源電路在大多數(shù)情況下，是組合使用的——使用開關(guān)電源進(jìn)行初步的變換，給紋波、精度要求不高的電路使用；同時，使用低壓差穩(wěn)壓器（LDO）獲取精密的、低紋波（噪聲）的電壓供諸如運(yùn)算放大器（OP-AMP），模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D Converter）使用。

類型及拓?fù)?/span>

　　開關(guān)電源的拓?fù)渲搁_關(guān)電源電路的構(gòu)成形式。一般是根據(jù)輸出地線與輸入地線有無電氣隔離，分為隔離及非隔離變換器。非隔離即輸入端與輸出端相通，沒有隔離措施，常見的DC/DC變換器大多是這種類型。所謂隔離是指輸入端與輸出端在電路上不是直接聯(lián)通的，使用隔離變壓器通過電磁變換方式進(jìn)行能量傳遞，輸入端和輸出端之間是完全電氣隔離的。通常來說，為了保護(hù)使用者的人身安全，使用市電或輸入電壓高于安全電壓（目前公認(rèn)是36伏特）的開關(guān)電源必須是隔離式。

非隔離型拓?fù)?/span>

　　非隔離式變換器是最為簡單的交換式電源結(jié)構(gòu)，它們的電源變換方式為“直流-直流”變換。根據(jù)電壓變換類型，分為三種基本類型：升壓斬波器（Boost Chopper，又稱Boost變換器，Boost Converter）、降壓斬波器（Buck Chopper，又稱Buck變換器，Buck Converter）以及降壓-升壓斬波器（Buck-Boost Chopper，又稱Buck-Boost變換器，Buck-Boost Converter），它們的結(jié)構(gòu)都非常相似，輸入、輸出和地都會在一點(diǎn)上交匯，都使用電感器作能量存儲之用，它們之間的主要區(qū)別在于電感器的連接方式，若電感器放置于電路的輸出端，則為降壓斬波拓?fù)洌浑姼衅鞣胖糜陔娐返妮斎攵耍瑒t是升壓斬波拓?fù)洹．?dāng)電感器連接到地時，就是降壓-升壓斬波拓?fù)洹Ｓ捎诮Y(jié)構(gòu)的相似性，因此往往簡單改變這些電路拓?fù)渲幸恍┰骷倪B接或是改變輸入極性，可成為另一種變換器拓?fù)洌热缫粋€12V輸入、5V輸出的降壓斬波器可以將原輸出接地并從接地端引出新的輸出端獲得一個7V輸入、-5V輸出的降壓-升壓斬波器。

　　由降壓-升壓斬波電路，還衍生出升降壓斬波電路、Cuk、SEPIC以及ZETA等多種非隔離型直流-直流變換電路，SEPIC變換器和ZETA變換器都是?uk變換器的小幅重排版。實(shí)際使用中根據(jù)負(fù)載需要，基本升壓斬波電路以及基本降壓斬波電路的組合，可構(gòu)成復(fù)合斬波器。對結(jié)構(gòu)相同的基本斬波電路，可構(gòu)成多相多重斬波器，以滿足負(fù)載對電源更高的穩(wěn)定性和效能。近年來還出現(xiàn)一種只利用電容器作儲能元件的電荷泵變換器電路。另有中性點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于電源供應(yīng)器以及有源濾波器上。

　　在脈沖占空比極短時，開關(guān)器件的效率會下降。如果需要更高數(shù)值的電壓變換，那樣就需要用到帶變壓器的隔離型拓?fù)淞恕?/span>

　　下表是非隔離型拓?fù)漕愋涂傆[。表中“D”是變換器觸發(fā)脈沖的占空比，數(shù)值在0到1之間。輸入電壓（V1）假定遠(yuǎn)大于0；如果無輸入電壓，就沒有輸出電壓（V2）。

　　類型典型輸出功率（W）;相對成本儲能元件輸入/輸出電壓關(guān)系特性

　　降壓斬波電路

　　（Buck Chopper）0–1,000 1.0單電感器0≤輸出≤輸入,{\displaystyle\scriptstyle V_{2}=DV_{1}}\scriptstyle V_{2}=DV_{1}電流輸入需是連續(xù)的，輸入電壓高于輸出電壓，降壓，輸出電壓極性不變

　　升壓斬波電路

　　（Boost Chopper）0–5,000 1.0單電感器輸出≥輸入,{\displaystyle\scriptstyle V_{2}={\frac{1}{1-D}}V_{1}}\scriptstyle V_{2}={\frac{1}{1-D}}V_{1}電流輸入需是連續(xù)的，輸入電壓低于輸出電壓，升壓，輸出電壓極性不變

　　升壓-降壓斬波電路

　　（Buck-boost chopper）0–150 1.0單電感器輸出≤0,{\displaystyle\scriptstyle V_{2}=-{\frac{D}{1-D}}V_{1}}\scriptstyle V_{2}=-{\frac{D}{1-D}}V_{1}輸入和輸出的電流都是不連續(xù)的

　　降壓-升壓斬波電路

　　（Split-pi或boost-buck）0–4,500>2.0兩個電感器和三個電容器輸出大于等于或小于等于輸入，大于0輸入或輸出功率控制

　　?uk變換器一個電容器和兩個電感器任何，輸出輸入極性倒置，{\displaystyle\scriptstyle V_{2}=-{\frac{D}{1-D}}V_{1}}\scriptstyle V_{2}=-{\frac{D}{1-D}}V_{1}輸入和輸出電流都是連續(xù)的，加州理工學(xué)院的Slobodan?uk博士發(fā)表的降壓-升壓斬波變換器電路的改進(jìn)形式

　　SEPIC變換器一個電容器和兩個電感器任何,{\displaystyle\scriptstyle V_{2}={\frac{D}{1-D}}V_{1}}\scriptstyle V_{2}={\frac{D}{1-D}}V_{1}輸入電流是連續(xù)的

　　Zeta變換器一個電容器和兩個電感器任何,{\displaystyle\scriptstyle V_{2}={\frac{D}{1-D}}V_{1}}\scriptstyle V_{2}={\frac{D}{1-D}}V_{1}輸出電流是連續(xù)的

　　電荷泵（Charge pump）

　　或開關(guān)電容只有電容器電路簡單，不需要磁性儲能元件電感器，使用電容來達(dá)成變換并輸出，在一些離散的變換比率值上會擁有較高的轉(zhuǎn)換效率。

隔離型拓?fù)?/span>

　　所有的隔離式拓?fù)涠及粋€變壓器，通過調(diào)整變壓器的匝數(shù)比可獲得更高或更低或是負(fù)電位的輸出電壓。在一些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)里，可在變壓器上繞上多重繞組以便輸出多種電壓值。一些變換器還會利用變壓器充當(dāng)儲能器件，而其它的變換器仍需要獨(dú)立的電感器。它們的電源變換方式均為“直流-交流-直流”變換。

　　類型輸出功率（W）相對成本輸入電壓范圍（V）儲能元器件特性

　　返馳式變換器

　　（Flyback converter）0–250 1.0 5–600互感器降壓斬波器的隔離式形態(tài)1

　　振鈴扼流器（Ringing choke converter，RCC）0–150 1.0 5–600變壓器低成本、自振式的返馳式變換器的變體。

　　半順向式變換器

　　（Half-forward）0–250 1.2 5–500電感器

　　順向式變換器

　　（Forward converter）2 100-200 60–200電感器降壓斬波器的隔離式形態(tài)

　　諧振順向式變換器

　　（Resonant forward）0–60 1.0 60–400電感器和電容器單電源軌輸入，無穩(wěn)壓輸出，高效率，低電磁干擾（EMI）[8]

　　推挽式變換器

　　（Push-pull converter）100–1,000 1.75 50–1,000電感器

　　半橋式變換器

　　（Half-bridge）0–2,000 1.9 50–1,000電感器

　　全橋式變換器

　　（Full-bridge）400–5,000>2.0 50–1,000電感器對變壓器的利用效率最高，在這幾種變換器中輸出功率最高。

　　諧振零電位式變換器

　　（Resonant,zero voltage switched）>1,000>2.0電感器和電容器

　　隔離式?uk變換器（Isolated?uk）兩個電感器和兩個電容器

　　^1返馳式變換器的對數(shù)控制回環(huán)的性能狀態(tài)可能會比其它類型變換器的更難控制。

　　^2順向式變換器也可細(xì)分，主要區(qū)別在于變壓器如何在每個電壓變換周期內(nèi)重設(shè)至零磁通點(diǎn)。

準(zhǔn)諧振零電流/零電壓開關(guān)

　　在準(zhǔn)諧振零電流/零電壓開關(guān)（quasi-resonant zero-current/zero-voltage switch，ZCS/ZVS）將電能拆分為一定大小的“封包”形式輸出，開關(guān)的開通和關(guān)斷發(fā)生在零電流點(diǎn)和零電壓點(diǎn)，而形成一個無損耗開關(guān)。準(zhǔn)諧振開關(guān)（Quasi-resonant switching），也稱作波谷開關(guān)（valley switching），可從以下兩方面降低電磁干擾：

• 　　當(dāng)電壓值降到最低值（于波谷時）使雙極型開關(guān)器件開關(guān)動作，將硬開關(guān)效應(yīng)產(chǎn)生的電磁干擾降到最低。

• 　　當(dāng)檢測到谷值時，使開關(guān)動作，不是通過固定的周期/頻率觸發(fā)開關(guān)器件，引入了將射頻發(fā)射頻譜分離的自然頻率抖動來降低整體的電磁輻射。

效率、電磁干擾

　　更高的輸入電壓以及同步整流模式使得交換式電源的電能轉(zhuǎn)換過程的效率更高，即使電源控制器的電能消耗也被計入。更高的開關(guān)頻率使得一些電源組件的體積得以減小，如變壓器，但是高頻率的開關(guān)動作會產(chǎn)生大量的電磁干擾。諧振式順向變換器產(chǎn)生的電磁干擾是所有類型的交換式電源中最小的，這是因?yàn)樗褂昧塑浨袚Q開關(guān)技術(shù)。傳統(tǒng)的硬切換開關(guān)會產(chǎn)生很大的電壓、電流突波。相對硬切換開關(guān)而言，軟切換開關(guān)可將電壓、電流的突波降到最低，

控制模式

　　控制模式是指穩(wěn)定電壓輸出的方法。從采樣量上可分為電流模式和電壓模式。

• 　　電壓模式：采樣輸出電壓而進(jìn)行負(fù)反饋的控制模式。

• 　　電流模式：采樣輸入電流和輸出電壓而進(jìn)行負(fù)反饋的控制模式。

• 　　雙電壓模式：采樣輸出電壓和輸入電壓進(jìn)行負(fù)反饋的控制模式。

　　從轉(zhuǎn)移函數(shù)上，可分為PID和Bang-Bang控制

• 　　PID控制：采用鋸齒波產(chǎn)生器和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的一階或二階PID控制系統(tǒng)。

• 　　Bang-Bang控制：只采用比較器構(gòu)建的遲滯控制系統(tǒng)。又稱為遲滯模式。

混沌行為

　　開關(guān)模式電源中有許多不同種類的混沌特性，例如系統(tǒng)參數(shù)連續(xù)改變造成特性大幅改變的分岔（bifurcation）、奇異吸引子突然出現(xiàn)或是消失的危機(jī)（crisis）及陣發(fā)混沌（intermittency）。

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