开关模式电源基础知识

开关模式电源是 DC-DC 电源转换的常用选择，有时甚至是必要的选择。与转换直流电源的替代方法相比，这些电路具有明显的优势和权衡。本文简要总结了开关模式电源的优点和利弊，并简要回顾了其工作原理和理论。

考虑到许多电子设备所需的多个直流电压电平，设计人员需要一种方法将标准电源电位转换为负载规定的电压。电压转换必须是一个多功能、高效、可靠的过程。开关模式电源 （SMPS） 经常用于提供现代应用所需的各种级别的直流输出功率，对于实现高效、可靠的 DC-DC 电源转换系统不可或缺。

为什么选择SMPS？

大多数电子直流负载由标准电源供电。遗憾的是，标准源电压可能与微处理器、电机、LED 或其他负载所需的电平不匹配，尤其是在源电压未调节的情况下。电池供电设备是该问题的主要示例：标准Li+电池或NiMH电池组的典型电压在放电过程中过高/过低或下降太远，无法用于传统应用。

多面性

幸运的是，SMPS的多功能性解决了将标准源电压转换为可用的指定输出电压的问题。有许多SMPS拓扑，分为基本类别 - 这些电源对输入电压进行升压、降压、反相甚至升压和降压。与只能对输入进行降压的线性稳压器不同，SMPS具有吸引力，因为可以选择适合几乎任何输出电压的拓扑结构。

定制

此外，现代SMPS IC的设计具有不同的集成度，允许工程师在具有或多或少标准SMPS功能的拓扑结构之间进行选择。这样，制造商可以减轻常用、特定应用电源的设计负担，或者为工程师提供用于定制项目的基本SMPS IC，从而增强这些广泛使用的器件的多功能性。

效率

工程师还面临着另一个常见问题，即如何有效地转换直流电源。例如，通常需要降低输入电压以实现较低的输出电压。一个简单的解决方案是实现线性稳压器，因为该器件只需要几个电容和足够的热管理。然而，在这种简单性结束的地方，效率低下就开始了——如果压差很大，甚至达到不可接受的水平。

线性稳压器的效率与其调整管两端的功率降直接相关。这种功率下降可能很大，因为耗散功率等于I医学博士。× （V在， w外).例如，当将100mA负载从3.6V电池降压至1.8V输出时，线性稳压器两端的压降为0.18W。这种功率下降会产生 50% 的低效率，从而将电池寿命缩短 50%（假设操作理想）。

了解这种效率损失后，尽职尽责的工程师会努力实现改进的解决方案，而这正是SMPS的优势所在。设计良好的SMPS可以实现90%或更高的效率，具体取决于负载和电压水平。与前面的示例一样，使用图1中的降压SMPS代替线性稳压器，效率为90%。与线性稳压器相比，效率提高了40%。降压型SMPS的优势是显而易见的，在其他SMPS拓扑中也观察到类似或更好的效率。

图1.MAX8640Y用于简单的降压SMPS电路中。

虽然高效率是SMPS设计的主要优势，但作为最小化功率损耗的直接结果，自然会产生其他好处。例如，与效率较低的同类产品相比，SMPS的热足迹有所减少。这种优势相当于降低了热管理要求。此外，更重要的是，由于可靠性的提高，使用寿命延长，因为组件不会像效率较低的系统那样受到过热的影响。

SMPS拓扑和转换理论

如上一节所述，SMPS可以将直流输入电压转换为不同的直流输出电压，具体取决于电路拓扑。虽然在工程领域使用了许多SMPS拓扑，但有三种是基本的，并且最常出现。这些拓扑（如图2所示）根据其转换功能进行分类：降压（降压）、升压（升压）和升压/降压（降压-升压或逆变器）。图2图中包含的电感充电/放电路径将在以下段落中讨论。

图2.降压、升压和降压-升压构成了基本的SMPS拓扑。

所有三种基本拓扑包括一个 MOSFET 开关、一个二极管、一个输出电容器和一个电感器。MOSFET是电路中的主动控制元件，与控制器接口（未显示）。该控制器将脉宽调制 （PWM） 方波信号施加到 MOSFET 的栅极，从而打开和关闭器件。为了保持恒定的输出电压，控制器检测SMPS输出电压并改变方波信号的占空比（D），从而决定MOSFET在每个开关周期内的导通时间（TS).D 的值，即方波的导通时间与其切换周期 （T上/TS），直接影响在SMPS输出端观察到的电压。这种关系在等式4和5中得到了说明。

MOSFET的导通和关断状态将SMPS电路分为两相：充电相和放电相，这两个相位都描述了电感的能量传递（参见图2中的路径环路）。在充电阶段存储在电感器中的能量在放电阶段传递到输出负载和电容器。电容器在电感充电时支撑负载并维持输出电压。电路元件之间的这种周期性能量传输根据其拓扑结构将输出电压保持在适当的值。

电感器是每个开关周期从电源到负载的能量传输的核心。没有它，当MOSFET切换时，SMPS将无法工作。存储在电感器（L）中的能量（E）取决于其电流（I）：

因此，电感中的能量变化是通过其电流的变化（ΔIL），这是由于在其两端施加的电压（VL） 在特定时间段 （ΔT）：

（ΔIL） 是一个线性斜坡，因为在每个开关阶段，电感两端施加恒定电压（图 3）。开关阶段的电感电压可以通过执行基尔霍夫电压环路来确定，同时仔细注意极性和V在/V外关系。例如，升压转换器在放电阶段的电感电压为-（V外， w在).因为V外> V在，电感电压为负。

图3.详细介绍了稳态电感器的电压和电流特性。

在充电阶段，MOSFET 导通，二极管反向偏置，能量从电压源传输到电感（图 2）。电感电流斜坡上升，因为 VL是积极的。此外，输出电容将其从前一个周期存储的能量传输到负载，以保持恒定的输出电压。在放电阶段，MOSFET关断，二极管变为正向偏置，因此导通。由于电源不再为电感充电，因此电感的端子在向负载释放能量并补充输出电容时会交换极性（图 2）。电感电流在传递能量时逐渐减小，这与前面给出的传输关系相同。

充电/放电循环重复并保持稳态开关条件。在电路进入稳定状态的过程中，电感电流会累积到其最终水平，这是直流电流与两个电路阶段产生的斜坡交流电流（或电感纹波电流）的叠加（图 3）。直流电流电平与输出电流有关，但取决于电感在SMPS电路中的位置。

纹波电流必须由SMPS滤除，以便向输出提供真正的直流电流。这种滤波作用由输出电容完成，输出电容对高频交流电流的阻力很小。不需要的输出纹波电流通过输出电容器，并在电流传递到地时保持电容器的电荷。因此，输出电容也稳定了输出电压。然而，在非理想应用中，输出电容器的等效串联电阻（ESR）会导致输出电压纹波与流过它的纹波电流成正比。

因此，总而言之，能量在源极、电感器和输出电容器之间穿梭，以保持恒定的输出电压并为负载供电。但是，SMPS的能量传输如何决定其输出电压转换比？当稳态被理解为适用于周期波形时，很容易计算出这个比率。

要处于稳定状态，一个以周期 T 重复的变量S在每个周期的开头和结尾必须相等。由于上述充电和放电阶段，电感电流是周期性的，因此PWM周期开始时的电感电流必须等于结束时的电感电流。这意味着充电阶段电感电流的变化（ΔI负责） 必须等于放电阶段电感电流的变化 （ΔI放电).将充电和放电阶段的电感电流变化相等，得到一个有趣的结果，也称为伏秒规则：

简而言之，每个电路阶段的电感电压-时间乘积相等。这意味着，通过观察图2所示的SMPS电路，可以毫不费力地找到理想的稳态电压/电流转换比。对于降压电路，围绕充电相位电路的基尔霍夫电压环路显示电感电压是V之间的差值在和 V外.同样，放电相电路期间的电感电压为-V外.使用公式3中的伏秒规则，确定以下电压转换比：

此外，输入功率（P在） 等于输出功率 （P外）在理想电路中。因此，可以得出电流转换比：

从这些结果可以看出，降压转换器降低了V在D倍，而输入电流是负载电流的D倍。表1列出了图2所示拓扑的转换比。通常，所有SMPS转换比都可以通过用于求解公式3和公式5的方法找到，尽管复杂的拓扑可能更难分析。

拓扑学	电压转换比 （°C）	电流转换比 （°C）
降压	V外/V在= D	我在/我外= D
升压	V外/V在= 1/（1 - D）	我在/我外= 1/（1 - D）
升压/降压	V外/V在= D/（1 - D）	我在/我外= D/（1 - D

SMPS的缺点和权衡

当然，SMPS提供的高效率并非没有代价。关于开关模式转换器，最常被提及的问题是它们倾向于辐射电磁干扰（EMI）和传导噪声。电磁辐射是由SMPS电路中存在的电流和电压开关波形的快速转换引起的。电感节点处的快速变化电压会产生辐射电场，而充电/放电环路的快速开关电流会产生磁场。然而，当SMPS输入/输出电容和PCB寄生效应对开关电流具有更高的阻抗时，传导噪声会传播到输入和输出电路。幸运的是，良好的元件放置和PCB布局技术可以成功对抗EMI并降低噪声。

SMPS也可能非常复杂，需要额外的外部组件，这两者都相当于电源总成本的增加。幸运的是，大多数SMPS IC制造商不仅提供了有关器件操作的详细文献，还提供了有关选择正确外部元件的详细文献。此外，现代SMPS IC的高集成度可以减少所需的外部元件数量。

尽管存在这些问题，SMPS仍广泛用于众多应用。缺点是可以管理的，并且从它们的使用中获得的效率和多功能性是非常可取的，并且经常需要。

审核编辑：郭婷