開關模式電源是 DC-DC 電源轉換的常用選擇，有時甚至是必要的選擇。與轉換直流電源的替代方法相比，這些電路具有明顯的優勢和權衡。本文簡要總結了開關模式電源的優點和利弊，并簡要回顧了其工作原理和理論。

考慮到許多電子設備所需的多個直流電壓電平，設計人員需要一種方法將標準電源電位轉換為負載規定的電壓。電壓轉換必須是一個多功能、高效、可靠的過程。開關模式電源 （SMPS） 經常用于提供現代應用所需的各種級別的直流輸出功率，對于實現高效、可靠的 DC-DC 電源轉換系統不可或缺。

為什么選擇SMPS？

大多數電子直流負載由標準電源供電。遺憾的是，標準源電壓可能與微處理器、電機、LED 或其他負載所需的電平不匹配，尤其是在源電壓未調節的情況下。電池供電設備是該問題的主要示例：標準Li+電池或NiMH電池組的典型電壓在放電過程中過高/過低或下降太遠，無法用于傳統應用。

多面性

幸運的是，SMPS的多功能性解決了將標準源電壓轉換為可用的指定輸出電壓的問題。有許多SMPS拓撲，分為基本類別 - 這些電源對輸入電壓進行升壓、降壓、反相甚至升壓和降壓。與只能對輸入進行降壓的線性穩壓器不同，SMPS具有吸引力，因為可以選擇適合幾乎任何輸出電壓的拓撲結構。

定制

此外，現代SMPS IC的設計具有不同的集成度，允許工程師在具有或多或少標準SMPS功能的拓撲結構之間進行選擇。這樣，制造商可以減輕常用、特定應用電源的設計負擔，或者為工程師提供用于定制項目的基本SMPS IC，從而增強這些廣泛使用的器件的多功能性。

效率

工程師還面臨著另一個常見問題，即如何有效地轉換直流電源。例如，通常需要降低輸入電壓以實現較低的輸出電壓。一個簡單的解決方案是實現線性穩壓器，因為該器件只需要幾個電容和足夠的熱管理。然而，在這種簡單性結束的地方，效率低下就開始了——如果壓差很大，甚至達到不可接受的水平。

線性穩壓器的效率與其調整管兩端的功率降直接相關。這種功率下降可能很大，因為耗散功率等于I醫學博士。× （V在， w外).例如，當將100mA負載從3.6V電池降壓至1.8V輸出時，線性穩壓器兩端的壓降為0.18W。這種功率下降會產生 50% 的低效率，從而將電池壽命縮短 50%（假設操作理想）。

了解這種效率損失后，盡職盡責的工程師會努力實現改進的解決方案，而這正是SMPS的優勢所在。設計良好的SMPS可以實現90%或更高的效率，具體取決于負載和電壓水平。與前面的示例一樣，使用圖1中的降壓SMPS代替線性穩壓器，效率為90%。與線性穩壓器相比，效率提高了40%。降壓型SMPS的優勢是顯而易見的，在其他SMPS拓撲中也觀察到類似或更好的效率。

圖1.MAX8640Y用于簡單的降壓SMPS電路中。

雖然高效率是SMPS設計的主要優勢，但作為最小化功率損耗的直接結果，自然會產生其他好處。例如，與效率較低的同類產品相比，SMPS的熱足跡有所減少。這種優勢相當于降低了熱管理要求。此外，更重要的是，由于可靠性的提高，使用壽命延長，因為組件不會像效率較低的系統那樣受到過熱的影響。

SMPS拓撲和轉換理論

如上一節所述，SMPS可以將直流輸入電壓轉換為不同的直流輸出電壓，具體取決于電路拓撲。雖然在工程領域使用了許多SMPS拓撲，但有三種是基本的，并且最常出現。這些拓撲（如圖2所示）根據其轉換功能進行分類：降壓（降壓）、升壓（升壓）和升壓/降壓（降壓-升壓或逆變器）。圖2圖中包含的電感充電/放電路徑將在以下段落中討論。

圖2.降壓、升壓和降壓-升壓構成了基本的SMPS拓撲。

所有三種基本拓撲包括一個 MOSFET 開關、一個二極管、一個輸出電容器和一個電感器。MOSFET是電路中的主動控制元件，與控制器接口（未顯示）。該控制器將脈寬調制 （PWM） 方波信號施加到 MOSFET 的柵極，從而打開和關閉器件。為了保持恒定的輸出電壓，控制器檢測SMPS輸出電壓并改變方波信號的占空比（D），從而決定MOSFET在每個開關周期內的導通時間（TS).D 的值，即方波的導通時間與其切換周期 （T上/TS），直接影響在SMPS輸出端觀察到的電壓。這種關系在等式4和5中得到了說明。

MOSFET的導通和關斷狀態將SMPS電路分為兩相：充電相和放電相，這兩個相位都描述了電感的能量傳遞（參見圖2中的路徑環路）。在充電階段存儲在電感器中的能量在放電階段傳遞到輸出負載和電容器。電容器在電感充電時支撐負載并維持輸出電壓。電路元件之間的這種周期性能量傳輸根據其拓撲結構將輸出電壓保持在適當的值。

電感器是每個開關周期從電源到負載的能量傳輸的核心。沒有它，當MOSFET切換時，SMPS將無法工作。存儲在電感器（L）中的能量（E）取決于其電流（I）：

因此，電感中的能量變化是通過其電流的變化（ΔIL），這是由于在其兩端施加的電壓（VL） 在特定時間段 （ΔT）：

（ΔIL） 是一個線性斜坡，因為在每個開關階段，電感兩端施加恒定電壓（圖 3）。開關階段的電感電壓可以通過執行基爾霍夫電壓環路來確定，同時仔細注意極性和V在/V外關系。例如，升壓轉換器在放電階段的電感電壓為-（V外， w在).因為V外> V在，電感電壓為負。

圖3.詳細介紹了穩態電感器的電壓和電流特性。

在充電階段，MOSFET 導通，二極管反向偏置，能量從電壓源傳輸到電感（圖 2）。電感電流斜坡上升，因為 VL是積極的。此外，輸出電容將其從前一個周期存儲的能量傳輸到負載，以保持恒定的輸出電壓。在放電階段，MOSFET關斷，二極管變為正向偏置，因此導通。由于電源不再為電感充電，因此電感的端子在向負載釋放能量并補充輸出電容時會交換極性（圖 2）。電感電流在傳遞能量時逐漸減小，這與前面給出的傳輸關系相同。

充電/放電循環重復并保持穩態開關條件。在電路進入穩定狀態的過程中，電感電流會累積到其最終水平，這是直流電流與兩個電路階段產生的斜坡交流電流（或電感紋波電流）的疊加（圖 3）。直流電流電平與輸出電流有關，但取決于電感在SMPS電路中的位置。

紋波電流必須由SMPS濾除，以便向輸出提供真正的直流電流。這種濾波作用由輸出電容完成，輸出電容對高頻交流電流的阻力很小。不需要的輸出紋波電流通過輸出電容器，并在電流傳遞到地時保持電容器的電荷。因此，輸出電容也穩定了輸出電壓。然而，在非理想應用中，輸出電容器的等效串聯電阻（ESR）會導致輸出電壓紋波與流過它的紋波電流成正比。

因此，總而言之，能量在源極、電感器和輸出電容器之間穿梭，以保持恒定的輸出電壓并為負載供電。但是，SMPS的能量傳輸如何決定其輸出電壓轉換比？當穩態被理解為適用于周期波形時，很容易計算出這個比率。

要處于穩定狀態，一個以周期 T 重復的變量S在每個周期的開頭和結尾必須相等。由于上述充電和放電階段，電感電流是周期性的，因此PWM周期開始時的電感電流必須等于結束時的電感電流。這意味著充電階段電感電流的變化（ΔI負責） 必須等于放電階段電感電流的變化 （ΔI放電).將充電和放電階段的電感電流變化相等，得到一個有趣的結果，也稱為伏秒規則：

簡而言之，每個電路階段的電感電壓-時間乘積相等。這意味著，通過觀察圖2所示的SMPS電路，可以毫不費力地找到理想的穩態電壓/電流轉換比。對于降壓電路，圍繞充電相位電路的基爾霍夫電壓環路顯示電感電壓是V之間的差值在和 V外.同樣，放電相電路期間的電感電壓為-V外.使用公式3中的伏秒規則，確定以下電壓轉換比：

此外，輸入功率（P在） 等于輸出功率 （P外）在理想電路中。因此，可以得出電流轉換比：

從這些結果可以看出，降壓轉換器降低了V在D倍，而輸入電流是負載電流的D倍。表1列出了圖2所示拓撲的轉換比。通常，所有SMPS轉換比都可以通過用于求解公式3和公式5的方法找到，盡管復雜的拓撲可能更難分析。

SMPS的缺點和權衡

當然，SMPS提供的高效率并非沒有代價。關于開關模式轉換器，最常被提及的問題是它們傾向于輻射電磁干擾（EMI）和傳導噪聲。電磁輻射是由SMPS電路中存在的電流和電壓開關波形的快速轉換引起的。電感節點處的快速變化電壓會產生輻射電場，而充電/放電環路的快速開關電流會產生磁場。然而，當SMPS輸入/輸出電容和PCB寄生效應對開關電流具有更高的阻抗時，傳導噪聲會傳播到輸入和輸出電路。幸運的是，良好的元件放置和PCB布局技術可以成功對抗EMI并降低噪聲。

SMPS也可能非常復雜，需要額外的外部組件，這兩者都相當于電源總成本的增加。幸運的是，大多數SMPS IC制造商不僅提供了有關器件操作的詳細文獻，還提供了有關選擇正確外部元件的詳細文獻。此外，現代SMPS IC的高集成度可以減少所需的外部元件數量。

盡管存在這些問題，SMPS仍廣泛用于眾多應用。缺點是可以管理的，并且從它們的使用中獲得的效率和多功能性是非常可取的，并且經常需要。

審核編輯：郭婷