眾所周知，大多數(shù)直流電源包括一個(gè)大而重的降壓電源變壓器、整流二極管(全波或半波)和一個(gè)濾波電路，用于從整流后的直流中去除任何紋波，以產(chǎn)生適當(dāng)平滑的直流輸出電壓。

此外，還可以使用某種形式的穩(wěn)壓器或穩(wěn)壓器電路，無(wú)論是線性的還是開(kāi)關(guān)的，以確保在變化的負(fù)載條件下正確調(diào)節(jié)電源輸出電壓。所以，一個(gè)典型的直流電源看起來(lái)像就像下圖一樣：

這些典型的電源設(shè)計(jì)包含一個(gè)大型電源變壓器(它還提供輸入和輸出之間的隔離)和一個(gè)串聯(lián)穩(wěn)壓器電路。穩(wěn)壓器電路可以由單個(gè)齊納二極管或三端線性串聯(lián)穩(wěn)壓器組成，以產(chǎn)生所需的輸出電壓。線性穩(wěn)壓器的優(yōu)點(diǎn)是電源電路只需要一個(gè)輸入電容、輸出電容和一些反饋電阻來(lái)設(shè)置輸出電壓。

線性穩(wěn)壓器通過(guò)在輸入和輸出之間串聯(lián)一個(gè)連續(xù)導(dǎo)通的晶體管來(lái)產(chǎn)生穩(wěn)定的直流輸出，使其在其電流-電壓 (iv) 特性的線性區(qū)域(因此得名)中運(yùn)行。因此，晶體管的作用更像是一個(gè)可變電阻，它不斷地將自身調(diào)整到維持正確輸出電壓所需的任何值。下面來(lái)看一個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)傳輸晶體管穩(wěn)壓器電路：

在上面的電路圖中，這個(gè)簡(jiǎn)單的射極跟隨器穩(wěn)壓器電路由一個(gè)NPN晶體管和一個(gè)直流偏置電壓組成，以設(shè)置所需的輸出電壓。由于射極跟隨器電路具有單位電壓增益，因此向晶體管基極施加合適的偏置電壓，可以從發(fā)射極端子獲得穩(wěn)定的輸出。

由于晶體管提供電流增益，因此輸出負(fù)載電流將遠(yuǎn)高于基極電流，如果使用達(dá)林頓晶體管布置，則更高。

此外，如果輸入電壓足夠高以獲得所需的輸出電壓，則輸出電壓由晶體管基極電壓控制，在此示例中，輸出電壓為5.7伏，以向負(fù)載產(chǎn)生大約0.7伏的5伏輸出在基極和發(fā)射極之間的晶體管上下降。然后根據(jù)基極電壓的值，可以獲得發(fā)射極輸出電壓的任何值。

雖然這個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)穩(wěn)壓器電路可以工作，但其缺點(diǎn)是串聯(lián)晶體管在其線性區(qū)域內(nèi)持續(xù)偏置，以熱量的形式耗散功率。由于所有負(fù)載電流都必須通過(guò)串聯(lián)晶體管，這會(huì)導(dǎo)致效率低下、V*I 功率浪費(fèi)以及晶體管周?chē)掷m(xù)發(fā)熱。

此外，串聯(lián)穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)之一是其最大連續(xù)輸出電流額定值僅限于幾安培左右，因此通常用于需要低功率輸出的應(yīng)用中。當(dāng)需要更高的輸出電壓或電流功率要求時(shí)，主流的做法是使用通常稱(chēng)為開(kāi)關(guān)模式電源的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，目的將電源電壓轉(zhuǎn)換為所需的更高功率輸出。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器(SMPS)正變得越來(lái)越普遍，并且在大多數(shù)情況下已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的線性AC-DC電源，作為降低功耗、減少散熱以及尺寸和重量的一種方式。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可以在大多數(shù)PC、功率放大器、電視、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等中找到，幾乎任何需要高效電源的設(shè)備都可以使用，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)模式電源正日益成為一項(xiàng)更加成熟的技術(shù)。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的概念

根據(jù)定義，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器 (SMPS) 是一種使用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)技術(shù)而非標(biāo)準(zhǔn)線性方法來(lái)提供所需輸出電壓的電源，基本開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器由功率開(kāi)關(guān)級(jí)和控制電路組成。功率開(kāi)關(guān)級(jí)執(zhí)行從電路輸入電壓V IN到其輸出電壓V OUT的功率轉(zhuǎn)換，其中包括輸出濾波。

與標(biāo)準(zhǔn)線性穩(wěn)壓器相比，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的主要優(yōu)點(diǎn)是效率更高，這是通過(guò)在其“導(dǎo)通”狀態(tài)(飽和)和“關(guān)斷”狀態(tài)之間內(nèi)部切換晶體管(或功率MOSFET)來(lái)實(shí)現(xiàn)的(截止)，這兩者都會(huì)產(chǎn)生較低的功耗。

這意味著當(dāng)開(kāi)關(guān)晶體管完全“導(dǎo)通”并傳導(dǎo)電流時(shí)，其兩端的電壓降處于最小值，而當(dāng)晶體管完全“關(guān)閉”時(shí)，沒(méi)有電流流過(guò)它，所以晶體管就像一個(gè)理想的開(kāi)/關(guān)開(kāi)關(guān)。

與僅提供降壓調(diào)節(jié)的線性穩(wěn)壓器不同，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可以使用以下三種基本開(kāi)關(guān)模式電路拓?fù)渲械囊环N或多種提供輸入電壓的降壓、升壓、反向降壓、升壓和降壓-升壓。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的種類(lèi)

1、降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器

降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是一種開(kāi)關(guān)模式電源電路，旨在有效地將直流電壓從較高電壓降低到較低電壓，也就是說(shuō)，它會(huì)減去或“降壓”電源電壓，從而降低輸出端的可用電壓端子而不改變極性。換句話說(shuō)，降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是降壓穩(wěn)壓器電路，因此例如降壓轉(zhuǎn)換器可以將+12伏轉(zhuǎn)換為+5伏。

降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是一種DC-DC轉(zhuǎn)換器，是最簡(jiǎn)單和最流行的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器類(lèi)型之一。在開(kāi)關(guān)模式電源配置中使用時(shí)，降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器使用串聯(lián)晶體管或功率MOSFET(理想情況下是絕緣柵雙極晶體管或IGBT)作為其主要開(kāi)關(guān)器件，如下圖所示。

從上圖可以看到，降壓轉(zhuǎn)換器的基本電路配置是一個(gè)串聯(lián)晶體管開(kāi)關(guān)TR1和一個(gè)相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路，該驅(qū)動(dòng)電路使輸出電壓盡可能接近所需電平，一個(gè)二極管D1，一個(gè)電感器L1和一個(gè)平滑電容器C1。降壓轉(zhuǎn)換器具有兩種操作模式，這取決于開(kāi)關(guān)晶體管TR1是“ON”還是“OFF”。

當(dāng)晶體管偏置為“ON”(開(kāi)關(guān)閉合)時(shí)，二極管D1變?yōu)榉聪蚱茫斎腚妷篤 IN導(dǎo)致電流通過(guò)電感器流向輸出端連接的負(fù)載，從而為電容器C1充電。

當(dāng)變化的電流流過(guò)電感線圈時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)，根據(jù)法拉第定律，它與電流的流動(dòng)相反，直到它達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，在電感器周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)L1。只要TR 1關(guān)閉，這種情況就會(huì)無(wú)限期地持續(xù)下去。

當(dāng)晶體管TR 1被控制電路“關(guān)閉”(開(kāi)關(guān)打開(kāi))時(shí)，輸入電壓會(huì)立即與發(fā)射極電路斷開(kāi)，從而導(dǎo)致電感器周?chē)拇艌?chǎng)崩潰，從而在電感器上產(chǎn)生反向電壓。

該反向電壓導(dǎo)致二極管正向偏置，因此電感器磁場(chǎng)中存儲(chǔ)的能量迫使電流繼續(xù)以相同方向流過(guò)負(fù)載，并通過(guò)二極管返回。

然后電感器L1將其存儲(chǔ)的能量返回到負(fù)載，充當(dāng)源并提供電流，直到所有電感器的能量返回到電路或直到晶體管開(kāi)關(guān)再次閉合，以先到者為準(zhǔn)。同時(shí)，電容器也會(huì)對(duì)負(fù)載的供電電流進(jìn)行放電。電感器和電容器的組合形成了一個(gè)LC濾波器，可消除由晶體管開(kāi)關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的任何紋波。

因此，當(dāng)晶體管固態(tài)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電流由電源提供，而當(dāng)晶體管開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電流由電感器提供。需要注意的是，流經(jīng)電感器的電流始終沿相同方向，直接來(lái)自電源或通過(guò)二極管，但顯然在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的不同時(shí)間。

由于晶體管開(kāi)關(guān)不斷閉合和打開(kāi)，因此平均輸出電壓值將與占空比D相關(guān)，D定義為晶體管開(kāi)關(guān)在一個(gè)完整開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間。

如果V IN是電源電壓，晶體管開(kāi)關(guān)的“ON”和“OFF”時(shí)間定義為：t ON和t OFF，則輸出電壓V OUT為：

降壓轉(zhuǎn)換器的占空比也可以定義為：

因此占空比越大，開(kāi)關(guān)電源的平均直流輸出電壓就越高。由此還可以看到，輸出電壓將始終低于輸入電壓，因?yàn)檎伎毡菵永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到1(單位)，從而導(dǎo)致降壓穩(wěn)壓器。

電壓調(diào)節(jié)是通過(guò)改變占空比和高達(dá)200kHz的高開(kāi)關(guān)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，可以使用更小的組件，從而大大減小開(kāi)關(guān)模式電源的尺寸和重量。

降壓轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是電感-電容 (LC) 布置可以很好地過(guò)濾電感電流。理想情況下，降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)以連續(xù)開(kāi)關(guān)模式運(yùn)行，以使電感電流永遠(yuǎn)不會(huì)降至零。使用理想的組件，即“導(dǎo)通”狀態(tài)下的零壓降和開(kāi)關(guān)損耗，理想的降壓轉(zhuǎn)換器可以具有高達(dá)100%的效率。

除了用于開(kāi)關(guān)模式電源基本設(shè)計(jì)的降壓降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器外，基本開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器還有另一種操作，稱(chēng)為升壓轉(zhuǎn)換器，用作升壓穩(wěn)壓器。

2、升壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器

升壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是另一種開(kāi)關(guān)模式電源電路，它與之前的降壓轉(zhuǎn)換器具有相同類(lèi)型的組件，但這次的位置不同。升壓轉(zhuǎn)換器旨在將直流電壓從較低電壓增加到較高電壓，即它也增加或“提升”電源電壓，從而在不改變極性的情況下增加輸出端的可用電壓。換句話說(shuō)，升壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是升壓穩(wěn)壓器電路，因此例如升壓轉(zhuǎn)換器可以將+5伏轉(zhuǎn)換為+12伏。

之前看到降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器在其基本設(shè)計(jì)中使用串聯(lián)開(kāi)關(guān)晶體管。這與升壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的不同之處在于它使用并聯(lián)的開(kāi)關(guān)晶體管來(lái)控制開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓。

由于晶體管開(kāi)關(guān)有效地與輸出并聯(lián)連接，當(dāng)晶體管偏置為“OFF”(開(kāi)關(guān)打開(kāi))時(shí)，電能僅通過(guò)電感器傳遞到負(fù)載，如圖所示。

在升壓轉(zhuǎn)換器電路中，當(dāng)晶體管開(kāi)關(guān)完全導(dǎo)通時(shí)，來(lái)自電源的電能V IN通過(guò)電感器和晶體管開(kāi)關(guān)返回到電源。結(jié)果，由于飽和的晶體管開(kāi)關(guān)有效地對(duì)輸出造成短路，因此它們都不會(huì)傳遞到輸出端。

這會(huì)增加流過(guò)電感器的電流，因?yàn)樗懈痰膬?nèi)部路徑可以返回電源。同時(shí)，二極管D1變?yōu)榉聪蚱茫驗(yàn)樗年?yáng)極通過(guò)晶體管開(kāi)關(guān)連接到地，隨著電容器開(kāi)始通過(guò)負(fù)載放電，輸出端的電壓電平保持相當(dāng)恒定。

當(dāng)晶體管完全關(guān)閉時(shí)，輸入電源現(xiàn)在通過(guò)串聯(lián)的電感器和二極管連接到輸出。隨著電感場(chǎng)的減小，存儲(chǔ)在電感中的感應(yīng)能量被V IN通過(guò)現(xiàn)在正向偏置的二極管推到輸出端。

所有這一切的結(jié)果是電感器L1上的感應(yīng)電壓反轉(zhuǎn)并添加到輸入電源的電壓上，從而增加了總輸出電壓，因?yàn)樗F(xiàn)在變?yōu)閂 IN +V L。

來(lái)自平滑電容器C1的電流在晶體管開(kāi)關(guān)閉合時(shí)用于為負(fù)載供電，現(xiàn)在通過(guò)二極管由輸入電源返回到電容器。那么提供給電容器的電流就是二極管電流，由于二極管通過(guò)晶體管的開(kāi)關(guān)動(dòng)作不斷地在其正向和反向狀態(tài)之間切換，二極管電流將始終為“ON”或“OFF”。那么平滑電容器必須足夠大以產(chǎn)生平滑穩(wěn)定的輸出。

由于電感器L 1上的感應(yīng)電壓為負(fù)，它與源電壓V IN相加，迫使電感器電流流入負(fù)載。升壓轉(zhuǎn)換器穩(wěn)態(tài)輸出電壓由下式給出：

與之前的降壓轉(zhuǎn)換器一樣，升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓取決于輸入電壓和占空比。因此，通過(guò)控制占空比，實(shí)現(xiàn)輸出調(diào)節(jié)。也不是說(shuō)這個(gè)方程與電感值、負(fù)載電流和輸出電容無(wú)關(guān)。

從上面可以看到，非隔離式開(kāi)關(guān)模式電源電路的基本操作可以使用降壓轉(zhuǎn)換器或升壓轉(zhuǎn)換器配置，具體取決于是否需要降壓(降壓)或升壓(升壓)輸出電壓。雖然降壓轉(zhuǎn)換器可能是更常見(jiàn)的SMPS開(kāi)關(guān)配置，但升壓轉(zhuǎn)換器通常用于電容電路應(yīng)用中，例如電池充電器、閃光燈、閃光燈等，因?yàn)殡娙萜髟陂_(kāi)關(guān)閉合時(shí)提供所有負(fù)載電流。

當(dāng)然，也可以將這兩種基本開(kāi)關(guān)拓?fù)浣M合成一個(gè)非隔離式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器電路，這就被稱(chēng)之為降壓—升壓轉(zhuǎn)換器。

3、降壓—升壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器

降壓—升壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是降壓轉(zhuǎn)換器和升壓轉(zhuǎn)換器的組合，可根據(jù)占空比產(chǎn)生可大于或小于輸入電壓的反相(負(fù))輸出電壓。降壓—升壓轉(zhuǎn)換器是升壓轉(zhuǎn)換器電路的變體，其中反相轉(zhuǎn)換器僅將電感器L1存儲(chǔ)的能量傳遞到負(fù)載中。下圖給出了基本的升降壓開(kāi)關(guān)模式電源電路。

當(dāng)晶體管開(kāi)關(guān)TR1完全導(dǎo)通(閉合)時(shí)，電感兩端的電壓等于電源電壓，因此電感存儲(chǔ)來(lái)自輸入電源的能量。因?yàn)槎O管D1是反向偏置的，所以在輸出端沒(méi)有電流輸送到連接的負(fù)載。當(dāng)晶體管開(kāi)關(guān)完全關(guān)閉(打開(kāi))時(shí)，二極管變?yōu)檎蚱茫⑶蚁惹按鎯?chǔ)在電感器中的能量被轉(zhuǎn)移到負(fù)載。

換句話說(shuō)，當(dāng)開(kāi)關(guān)為“ON”時(shí)，直流電源(通過(guò)開(kāi)關(guān))將能量傳遞到電感器中，而沒(méi)有能量傳遞到輸出端，當(dāng)開(kāi)關(guān)為“OFF”時(shí)，電感器兩端的電壓反轉(zhuǎn)為電感器現(xiàn)在成為能量源，因此之前存儲(chǔ)在電感器中的能量被切換到輸出端(通過(guò)二極管)，沒(méi)有一個(gè)直接來(lái)自輸入直流源。因此，當(dāng)開(kāi)關(guān)晶體管“關(guān)閉”時(shí)，負(fù)載兩端的電壓降等于電感電壓。

結(jié)果是反相輸出電壓的幅度可以大于或小于(或等于)基于占空比的輸入電壓的幅度。例如，正負(fù)升降壓轉(zhuǎn)換器可以將5伏轉(zhuǎn)換為12伏(升壓)或12伏轉(zhuǎn)換為5伏(降壓)。

升降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的穩(wěn)態(tài)輸出電壓V OUT為：

降壓—升壓穩(wěn)壓器的名字來(lái)源于產(chǎn)生的輸出電壓可以高于(如升壓功率級(jí))或低于(如降壓功率級(jí))輸入電壓的幅度。然而，輸出電壓的極性與輸入電壓的極性相反。

總結(jié)

現(xiàn)代開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器使用固態(tài)開(kāi)關(guān)將未穩(wěn)壓的直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為不同電壓電平的穩(wěn)定且平滑的直流輸出電壓。輸入電源可以是來(lái)自電池或太陽(yáng)能電池板的真正直流電壓，也可以是來(lái)自使用二極管橋和一些額外電容濾波的交流電源的整流直流電壓。

在許多功率控制應(yīng)用中，功率晶體管MOSFET和IGFET在其高速反復(fù)“導(dǎo)通”和“關(guān)斷”的開(kāi)關(guān)模式下運(yùn)行。這樣做的主要優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)壓器的功率效率可以非常高，因?yàn)榫w管要么完全導(dǎo)通并導(dǎo)通(飽和)，要么完全截止(截止)。

當(dāng)然，每個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)在穩(wěn)態(tài)占空比、輸入和輸出電流之間的關(guān)系以及固態(tài)開(kāi)關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的輸出電壓紋波方面都有其獨(dú)特的屬性。這些開(kāi)關(guān)模式電源拓?fù)涞牧硪粋€(gè)重要特性是開(kāi)關(guān)動(dòng)作對(duì)輸出電壓的頻率響應(yīng)。輸出電壓的調(diào)節(jié)是通過(guò)控制開(kāi)關(guān)晶體管處于“ON”狀態(tài)的時(shí)間與總的ON/OFF時(shí)間的百分比來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)比率稱(chēng)為占空比，通過(guò)改變占空比， ( D輸出電壓的大小，V OUT可以控制。

此外，在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)中使用單個(gè)電感器和二極管以及能夠在千赫茲范圍內(nèi)的開(kāi)關(guān)頻率下工作的快速開(kāi)關(guān)固態(tài)開(kāi)關(guān)，這樣可以大大減小電源的尺寸和重量，這是因?yàn)樵谒麄兊脑O(shè)計(jì)中不會(huì)有大而重的降壓(或升壓)電壓電源變壓器。但是，如果需要在輸入和輸出端子之間進(jìn)行電氣隔離，則必須在轉(zhuǎn)換器之前包含一個(gè)變壓器。