开关电源(SMPS) 因其效率高、结构紧凑和用途广泛而广泛应用于现代电子设备。从为计算机供电到照明和医疗设备，SMPS 已成为将交流或直流电源的电力转换为稳压直流输出不可或缺的一部分。
在本文中，我们将探讨什么是SMPS、它如何工作、所涉及的组件以及为您的应用程序构建或购买 SMPS 时需要考虑的因素。
开关电源(SMPS) 是一种使用开关调节器高效转换电能的电子电源。它接收输入电能（交流或直流），并将其转换为适合为设备供电的稳定直流电压。与使用重型变压器和模拟调节电路的线性电源不同，SMPS 通过快速打开和关闭输入电压并使用晶体管、电感器和电容器等组件控制输出来运行。这可以提高效率、减小尺寸并降低发热量。
SMPS 可在高压交流输入和低压直流输出之间提供隔离，有助于保护敏感设备免受电涌和短路的影响。输出电压经过调节，即使在变化的负载条件下也能确保一致的性能。
SMPS 的运行涉及多个阶段，每个阶段都会影响其效率和功能。下面简要介绍 SMPS 的工作原理：
交流到直流转换：如果输入是交流电，它首先经过整流器将其转换为脉动直流电。滤波电容器可平滑此直流输出。
开关电路：功率半导体（通常是晶体管，如 MOSFET）以高频（通常在 25kHz 至 500kHz 之间）快速打开和关闭直流电压。此开关动作控制传输到负载的能量。
变换：开关动作在变压器中感应出高频交流电，根据设计（降压、升压或升降压）升高或降低电压。
整流和滤波：经过变换后，输出经过整流和滤波，产生平滑的直流输出。滤波有助于减少开关动作引起的任何纹波。
反馈调节：反馈回路不断监控输出电压并调整开关占空比以维持稳定的电压。
SMPS 中最常用的三种拓扑结构是降压、升压和降压-升压（根据极性，可以升高或降低电压）。
构建开关电源所需的基本组件 包括：
开关晶体管：该元件负责控制电流，快速开启和关闭。常见的选择包括 MOSFET 和 IGBT。
电感器：电感器在开关周期的导通阶段存储能量，并在关断阶段释放能量，有助于电压调节。
二极管：二极管确保电流流向正确的方向并有助于平滑输出。
电容器：电容器过滤输出，平滑电压纹波并稳定系统。
变压器：在 AC-DC 设计中，变压器升高或降低电压并在输入和输出之间提供隔离。
反馈控制电路：监控输出并调整开关晶体管的操作以维持恒定的输出电压。
除了这些组件之外，您还需要电阻器等无源组件以及保险丝或断路器等安全元件来防止过载。
在决定是否构建或购买 SMPS 时，应考虑以下几个因素：
专业知识：构建 SMPS 需要电力电子方面的专业知识，尤其是处理高频开关和反馈控制电路。对于许多人来说，从信誉良好的制造商处购买预先设计好的现成电源是更高效、更可靠的选择。
定制：如果您的项目有独特的电源要求或限制，您可能需要定制 SMPS。然而，这可能既昂贵又耗时。
成本和时间效率：预制 SMPS 单元通常成本较低，并且可以节省宝贵的设计和测试时间，尤其是在采购电感器和变压器等需要精心设计的组件时。
创新和尺寸限制：对于需要小型、紧凑和高效电源解决方案的尖端应用（例如医疗设备或无人机），您可能会发现设计定制 SMPS 大有裨益。碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 半导体等材料的最新进展使得设计高效、紧凑的电源变得更加容易。
大多数情况下，除非您有特殊的技术要求，否则从供应商处购买高质量的SMPS是最具成本效益和实用的选择。
为您的项目选择开关电源时，您需要考虑几个关键因素：
输入和输出电压：确保 SMPS 满足输入电源（交流或直流）和输出设备的电压要求。
功率处理：确保 SMPS 可以处理设备所需的总功率（以瓦特为单位）。
效率：寻找具有高效率的 SMPS 装置（通常在 80-95% 之间）。效率越高意味着产生的热量越少，节能效果越好。
安全性和合规性：确保 SMPS 符合国际安全标准，包括电气绝缘、电磁干扰 (EMI) 和效率法规。常见认证包括 IEC 62368-1、DoE VI 级（用于能源效率）以及针对医疗和消费产品的各种当地标准。
调节：检查电源的线路调节和负载调节。良好的 SMPS 应在宽输入电压和输出负载范围内将输出电压保持在标称值的 ±3% 范围内。
附加功能：过压保护、短路保护以及处理峰值负载（如电机启动电流）的能力等功能也是重要的考虑因素。
开关电源为各种应用提供了紧凑、高效、可靠的解决方案，彻底改变了我们为电子设备供电的方式。无论您是想构建定制 SMPS 还是购买预先设计的设备，了解基本组件和原理都可以帮助您做出明智的决定。如果您需要为项目配备高效电源，SMPS 通常是最佳选择，它不仅提供卓越的性能，还提供设计灵活性。
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