开关电源工作原理
开关电源结构
SMPS 的用途是什么？
SMPS 设计
注意事项
SMPS 拓扑
结论
开关电源（SMPS）是一种将电源效率和调节提升到新水平的技术。由于电力电子逐渐成为现代生活的核心，开关电源的作用变得越来越重要。
开关电源通过转换电源频率来提高电源的效率。与线性电源不同，SMPS在工作时可在导通和关断状态之间快速切换，从而通过电感器和电容器等储能元件有效地管理能源。
SMPS的输入一般为交流电，输入端先通过整流器将交流电转换为直流电，整流器通常采用二极管桥式电路实现全波整流，这一阶段产生的直流电往往含有很大的波动，因此需要通过滤波器滤除其中的交流成分，使其更加平滑。
整流后的直流电源进入高频开关阶段，这里的核心是功率开关器件（如MOSFET或IGBT），它们以高频率（通常为几十到几百千赫）快速地导通和关断。这种高频开关操作正是SMPS得名的原因。
高频开关工作时，将直流电能分解为高频脉冲信号，通过变压器传输能量，变压器不仅起电压变换的作用，还起到输入输出之间的电气隔离作用，储能元件（如电感、电容）负责在高频脉冲间储存和释放能量，从而实现电压调节。
在变压器的二次侧，脉冲信号通过整流电路转换为直流电，再经过滤波消除纹波，使输出电压更加稳定。根据具体的设计要求，SMPS可以输出不同的电压等级，以满足各种设备的需求。
为了保证输出电压的稳定性，SMPS通常包含反馈控制电路，监测输出电压并与参考电压进行比较，如果输出电压偏离预定值，控制电路调整开关频率或占空比，以纠正输出电压的偏差。
SMPS的结构根据其应用场景不同而有所差异，但一般包含以下几个关键部分：
整流滤波电路：用于将交流电能转变为直流电能，平滑电压波动。
开关电路：包括功率开关器件和驱动电路，实现高频开关操作。
变压器：用于能量传输和电气隔离。
输出整流滤波电路：将变压器输出的高频脉冲变换为稳定的直流电。
反馈及控制电路：用于维持输出电压的稳定性。
大多数电子直流负载，如微处理器、微控制器、LED、晶体管、集成电路 (IC) 和电机，通常由电池等标准电源供电。然而，电池经常面临过压或欠压的问题。因此，SMPS 提供稳定的直流输出。SMPS
是一种多功能电源，因为可以根据应用类型选择不同的拓扑，例如升压 (Boost)、降压 (Buck) 和具有输入和输出隔离的电源。
说到 SMPS 的主要优势，设计良好的 SMPS 效率可高达 90% 甚至更高。相比之下，线性稳压电源的效率取决于传输晶体管两端的压降。例如，假设我们有一个 3V 的锂电池，需要将其降压至 1.8V 才能提供 100mA 的电流。在这种情况下，晶体管中作为热量浪费的功率为 0.12W，使电源效率仅为 40%。
SMPS 集成电路几乎具有分立 SMPS 设计的所有功能，允许工程师设计定制项目。
与线性稳压电源相比，开关电源 (SMPS) 的设计更为复杂，但这种复杂性带来了许多优势：它可以高效地提供稳定、可控的直流电源，并在给定的物理规格（尺寸、重量和成本）内输出更多功率。
下图显示了将交流输入转换为稳压直流的 SMPS 的简化框图。
尽管SMPS设计有很多种不同的类型，但它们的结构一般是相似的。SMPS设计的主要类型包括：
交流转直流：输入为交流电，输出为稳压直流。
直流-直流升压转换器：输入直流电压升压，输出电压大于输入电压。
直流-直流降压转换器：输入直流电压降压，输出电压小于或等于输入电压。
在直流转直流SMPS系统中，输入通常由电池提供，因此升压和降压转换器电路通常用于电池供电系统中。
上面的SMPS设计代表了一个典型的交流转直流转换器。让我们看看这种SMPS设计的基本工作原理。输入交流电经整流和滤波电路转换为高压直流。
此高压直流被馈入高速开关元件，如功率MOSFET，输出为高频高压脉动交流电，进入高频降压变压器。
变压器输出低压交流信号，经整流、滤波后得到低压直流。
任何SMPS设计的共同特点是将输入交流电转换为高压直流电，然后转换为高频高压方波交流电。高频电子开关（如MOSFET）和方波振荡器负责将直流电转换为高频交流电。方波逆变器也采用同样的原理。
通过将输入交流电或直流电（经过整流和滤波）转换为高频交流电，可以减小电感器、变压器和电容器等元件的尺寸和成本，使其更小、更经济。
由于开关产生的高频交流信号是方波，因此可以通过脉冲宽度调制（PWM）来调节输出电压。电压通过隔离电路反馈到控制电路（控制PWM）。这种反馈机制改变了振荡器的PWM占空比，从而精确调节输出电压并避免过压。通过将
高频交流电的采样电流（开关后的信号）与参考电流进行比较并将其传递给控制电路来实现过流保护。
此外，输出直流电与输入电源完全隔离，甚至反馈信号也通过光耦合器隔离。
与线性稳压电源中的串联通路晶体管工作模式相比，使用方波驱动开关晶体管 (MOSFET) 可确保低功耗。
然而，由于 SMPS 中存在高频交流信号，高频谐波可能会引起射频干扰。
在上一节中，我们了解了开关电源 (SMPS) 的基本设计。现在让我们来看看 SMPS 的不同类型或拓扑。开关电源或 SMPS 的电路拓扑分为两种类型：非隔离转换器和隔离转换器。
非隔离转换器是一种SMPS拓扑，其中开关电路与输出不隔离，并且两者共用一个公共端子。三种基本且重要的非隔离 SMPS 类型是：
降压转换器
升压转换器
降压-升压转换器
还有其他非隔离 SMPS 设计，如开关电容器、Cuk 转换器和 SEPIC 转换器，但这三种设计尤为重要。它们是最简单的 SMPS 设计，使用单个电感器作为储能元件和两个开关，其中一个是有源开关（晶体管 - 功率 MOSFET），另一个可以是二极管。
输出电压可以更高（升压）或更低（降压），并由高频方波（施加到开关）的占空比控制。非隔离拓扑的一个主要缺点是开关效率会随着占空比的降低而降低。因此，隔离拓扑更适合较大的电压变化。SMPS
中的隔离拓扑使用变压器作为开关元件和输出之间的隔离器。根据变压器的匝数比，输出电压可以高于或低于输入电压。基于变压器的SMPS拓扑可以通过在变压器上使用多个绕组来设计具有多种输出电压。
储能元件可以是变压器的次级绕组或单独的电感器。基于隔离拓扑的两个重要的SMPS转换器是：
反激式转换器
正激式转换器
其他常用的隔离SMPS拓扑包括半桥、全桥、推挽式、半正激式、隔离式Cuk等。
总体而言，开关电源（SMPS）通过其高效的功率转换和多样化的电路拓扑为现代电子设备提供了可靠的电源解决方案。尽管其设计复杂，但其高效率和小型化的优势使其成为计算机、通信设备和各种工业应用的理想选择。随着技术的进步，SMPS的设计和应用将不断发展，为未来电力电子设备提供更多可能性。
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