开关稳压器的概念及种类

众所周知，大多数直流电源包括一个大而重的降压电源变压器、整流二极管(全波或半波)和一个滤波电路，用于从整流后的直流中去除任何纹波，以产生适当平滑的直流输出电压。

此外，还可以使用某种形式的稳压器或稳压器电路，无论是线性的还是开关的，以确保在变化的负载条件下正确调节电源输出电压。所以，一个典型的直流电源看起来像就像下图一样：

这些典型的电源设计包含一个大型电源变压器(它还提供输入和输出之间的隔离)和一个串联稳压器电路。稳压器电路可以由单个齐纳二极管或三端线性串联稳压器组成，以产生所需的输出电压。线性稳压器的优点是电源电路只需要一个输入电容、输出电容和一些反馈电阻来设置输出电压。

线性稳压器通过在输入和输出之间串联一个连续导通的晶体管来产生稳定的直流输出，使其在其电流-电压 (iv) 特性的线性区域(因此得名)中运行。因此，晶体管的作用更像是一个可变电阻，它不断地将自身调整到维持正确输出电压所需的任何值。下面来看一个简单的串联传输晶体管稳压器电路：

在上面的电路图中，这个简单的射极跟随器稳压器电路由一个NPN晶体管和一个直流偏置电压组成，以设置所需的输出电压。由于射极跟随器电路具有单位电压增益，因此向晶体管基极施加合适的偏置电压，可以从发射极端子获得稳定的输出。

由于晶体管提供电流增益，因此输出负载电流将远高于基极电流，如果使用达林顿晶体管布置，则更高。

此外，如果输入电压足够高以获得所需的输出电压，则输出电压由晶体管基极电压控制，在此示例中，输出电压为5.7伏，以向负载产生大约0.7伏的5伏输出在基极和发射极之间的晶体管上下降。然后根据基极电压的值，可以获得发射极输出电压的任何值。

虽然这个简单的串联稳压器电路可以工作，但其缺点是串联晶体管在其线性区域内持续偏置，以热量的形式耗散功率。由于所有负载电流都必须通过串联晶体管，这会导致效率低下、V*I 功率浪费以及晶体管周围持续发热。

此外，串联稳压器的缺点之一是其最大连续输出电流额定值仅限于几安培左右，因此通常用于需要低功率输出的应用中。当需要更高的输出电压或电流功率要求时，主流的做法是使用通常称为开关模式电源的开关稳压器，目的将电源电压转换为所需的更高功率输出。

开关稳压器(SMPS)正变得越来越普遍，并且在大多数情况下已经取代了传统的线性AC-DC电源，作为降低功耗、减少散热以及尺寸和重量的一种方式。

开关稳压器可以在大多数PC、功率放大器、电视、直流电机驱动器等中找到，几乎任何需要高效电源的设备都可以使用，因为开关模式电源正日益成为一项更加成熟的威廉希尔官方网站 。

开关稳压器的概念

根据定义，开关稳压器 (SMPS) 是一种使用半导体开关威廉希尔官方网站 而非标准线性方法来提供所需输出电压的电源，基本开关转换器由功率开关级和控制电路组成。功率开关级执行从电路输入电压V IN到其输出电压V OUT的功率转换，其中包括输出滤波。

与标准线性稳压器相比，开关稳压器的主要优点是效率更高，这是通过在其“导通”状态(饱和)和“关断”状态之间内部切换晶体管(或功率MOSFET)来实现的(截止)，这两者都会产生较低的功耗。

这意味着当开关晶体管完全“导通”并传导电流时，其两端的电压降处于最小值，而当晶体管完全“关闭”时，没有电流流过它，所以晶体管就像一个理想的开/关开关。

与仅提供降压调节的线性稳压器不同，开关稳压器可以使用以下三种基本开关模式电路拓扑中的一种或多种提供输入电压的降压、升压、反向降压、升压和降压-升压。

开关稳压器的种类

1、降压开关稳压器

降压开关稳压器是一种开关模式电源电路，旨在有效地将直流电压从较高电压降低到较低电压，也就是说，它会减去或“降压”电源电压，从而降低输出端的可用电压端子而不改变极性。换句话说，降压开关稳压器是降压稳压器电路，因此例如降压转换器可以将+12伏转换为+5伏。

降压开关稳压器是一种DC-DC转换器，是最简单和最流行的开关稳压器类型之一。在开关模式电源配置中使用时，降压开关稳压器使用串联晶体管或功率MOSFET(理想情况下是绝缘栅双极晶体管或IGBT)作为其主要开关器件，如下图所示。

从上图可以看到，降压转换器的基本电路配置是一个串联晶体管开关TR1和一个相关的驱动电路，该驱动电路使输出电压尽可能接近所需电平，一个二极管D1，一个电感器L1和一个平滑电容器C1。降压转换器具有两种操作模式，这取决于开关晶体管TR1是“ON”还是“OFF”。

当晶体管偏置为“ON”(开关闭合)时，二极管D1变为反向偏置，输入电压V IN导致电流通过电感器流向输出端连接的负载，从而为电容器C1充电。

当变化的电流流过电感线圈时，它会产生一个反电动势，根据法拉第定律，它与电流的流动相反，直到它达到一个稳定状态，在电感器周围产生磁场L1。只要TR 1关闭，这种情况就会无限期地持续下去。

当晶体管TR 1被控制电路“关闭”(开关打开)时，输入电压会立即与发射极电路断开，从而导致电感器周围的磁场崩溃，从而在电感器上产生反向电压。

该反向电压导致二极管正向偏置，因此电感器磁场中存储的能量迫使电流继续以相同方向流过负载，并通过二极管返回。

然后电感器L1将其存储的能量返回到负载，充当源并提供电流，直到所有电感器的能量返回到电路或直到晶体管开关再次闭合，以先到者为准。同时，电容器也会对负载的供电电流进行放电。电感器和电容器的组合形成了一个LC滤波器，可消除由晶体管开关动作产生的任何纹波。

因此，当晶体管固态开关闭合时，电流由电源提供，而当晶体管开关断开时，电流由电感器提供。需要注意的是，流经电感器的电流始终沿相同方向，直接来自电源或通过二极管，但显然在开关周期内的不同时间。

由于晶体管开关不断闭合和打开，因此平均输出电压值将与占空比D相关，D定义为晶体管开关在一个完整开关周期内的导通时间。

如果V IN是电源电压，晶体管开关的“ON”和“OFF”时间定义为：t ON和t OFF，则输出电压V OUT为：

降压转换器的占空比也可以定义为：

因此占空比越大，开关电源的平均直流输出电压就越高。由此还可以看到，输出电压将始终低于输入电压，因为占空比D永远不会达到1(单位)，从而导致降压稳压器。

电压调节是通过改变占空比和高达200kHz的高开关速度来实现的，可以使用更小的组件，从而大大减小开关模式电源的尺寸和重量。

降压转换器的另一个优点是电感-电容 (LC) 布置可以很好地过滤电感电流。理想情况下，降压转换器应以连续开关模式运行，以使电感电流永远不会降至零。使用理想的组件，即“导通”状态下的零压降和开关损耗，理想的降压转换器可以具有高达100%的效率。

除了用于开关模式电源基本设计的降压降压开关稳压器外，基本开关稳压器还有另一种操作，称为升压转换器，用作升压稳压器。

2、升压开关稳压器

升压型开关稳压器是另一种开关模式电源电路，它与之前的降压转换器具有相同类型的组件，但这次的位置不同。升压转换器旨在将直流电压从较低电压增加到较高电压，即它也增加或“提升”电源电压，从而在不改变极性的情况下增加输出端的可用电压。换句话说，升压开关稳压器是升压稳压器电路，因此例如升压转换器可以将+5伏转换为+12伏。

之前看到降压开关稳压器在其基本设计中使用串联开关晶体管。这与升压型开关稳压器设计的不同之处在于它使用并联的开关晶体管来控制开关电源的输出电压。

由于晶体管开关有效地与输出并联连接，当晶体管偏置为“OFF”(开关打开)时，电能仅通过电感器传递到负载，如图所示。

在升压转换器电路中，当晶体管开关完全导通时，来自电源的电能V IN通过电感器和晶体管开关返回到电源。结果，由于饱和的晶体管开关有效地对输出造成短路，因此它们都不会传递到输出端。

这会增加流过电感器的电流，因为它有更短的内部路径可以返回电源。同时，二极管D1变为反向偏置，因为它的阳极通过晶体管开关连接到地，随着电容器开始通过负载放电，输出端的电压电平保持相当恒定。

当晶体管完全关闭时，输入电源现在通过串联的电感器和二极管连接到输出。随着电感场的减小，存储在电感中的感应能量被V IN通过现在正向偏置的二极管推到输出端。

所有这一切的结果是电感器L1上的感应电压反转并添加到输入电源的电压上，从而增加了总输出电压，因为它现在变为V IN +V L。

来自平滑电容器C1的电流在晶体管开关闭合时用于为负载供电，现在通过二极管由输入电源返回到电容器。那么提供给电容器的电流就是二极管电流，由于二极管通过晶体管的开关动作不断地在其正向和反向状态之间切换，二极管电流将始终为“ON”或“OFF”。那么平滑电容器必须足够大以产生平滑稳定的输出。

由于电感器L 1上的感应电压为负，它与源电压V IN相加，迫使电感器电流流入负载。升压转换器稳态输出电压由下式给出：

与之前的降压转换器一样，升压转换器的输出电压取决于输入电压和占空比。因此，通过控制占空比，实现输出调节。也不是说这个方程与电感值、负载电流和输出电容无关。

从上面可以看到，非隔离式开关模式电源电路的基本操作可以使用降压转换器或升压转换器配置，具体取决于是否需要降压(降压)或升压(升压)输出电压。虽然降压转换器可能是更常见的SMPS开关配置，但升压转换器通常用于电容电路应用中，例如电池充电器、闪光灯、闪光灯等，因为电容器在开关闭合时提供所有负载电流。

当然，也可以将这两种基本开关拓扑组合成一个非隔离式开关稳压器电路，这就被称之为降压—升压转换器。

3、降压—升压开关稳压器

降压—升压开关稳压器是降压转换器和升压转换器的组合，可根据占空比产生可大于或小于输入电压的反相(负)输出电压。降压—升压转换器是升压转换器电路的变体，其中反相转换器仅将电感器L1存储的能量传递到负载中。下图给出了基本的升降压开关模式电源电路。

当晶体管开关TR1完全导通(闭合)时，电感两端的电压等于电源电压，因此电感存储来自输入电源的能量。因为二极管D1是反向偏置的，所以在输出端没有电流输送到连接的负载。当晶体管开关完全关闭(打开)时，二极管变为正向偏置，并且先前存储在电感器中的能量被转移到负载。

换句话说，当开关为“ON”时，直流电源(通过开关)将能量传递到电感器中，而没有能量传递到输出端，当开关为“OFF”时，电感器两端的电压反转为电感器现在成为能量源，因此之前存储在电感器中的能量被切换到输出端(通过二极管)，没有一个直接来自输入直流源。因此，当开关晶体管“关闭”时，负载两端的电压降等于电感电压。

结果是反相输出电压的幅度可以大于或小于(或等于)基于占空比的输入电压的幅度。例如，正负升降压转换器可以将5伏转换为12伏(升压)或12伏转换为5伏(降压)。

升降压开关稳压器的稳态输出电压V OUT为：

降压—升压稳压器的名字来源于产生的输出电压可以高于(如升压功率级)或低于(如降压功率级)输入电压的幅度。然而，输出电压的极性与输入电压的极性相反。

总结

现代开关稳压器使用固态开关将未稳压的直流输入电压转换为不同电压电平的稳定且平滑的直流输出电压。输入电源可以是来自电池或太阳能电池板的真正直流电压，也可以是来自使用二极管桥和一些额外电容滤波的交流电源的整流直流电压。

在许多功率控制应用中，功率晶体管MOSFET和IGFET在其高速反复“导通”和“关断”的开关模式下运行。这样做的主要优点是稳压器的功率效率可以非常高，因为晶体管要么完全导通并导通(饱和)，要么完全截止(截止)。

当然，每个开关稳压器设计在稳态占空比、输入和输出电流之间的关系以及固态开关动作产生的输出电压纹波方面都有其独特的属性。这些开关模式电源拓扑的另一个重要特性是开关动作对输出电压的频率响应。输出电压的调节是通过控制开关晶体管处于“ON”状态的时间与总的ON/OFF时间的百分比来实现的。这个比率称为占空比，通过改变占空比， ( D输出电压的大小，V OUT可以控制。

此外，在开关稳压器设计中使用单个电感器和二极管以及能够在千赫兹范围内的开关频率下工作的快速开关固态开关，这样可以大大减小电源的尺寸和重量，这是因为在他们的设计中不会有大而重的降压(或升压)电压电源变压器。但是，如果需要在输入和输出端子之间进行电气隔离，则必须在转换器之前包含一个变压器。