开关模式电源 (SMPS) 如何工作？

正在寻找一种能够将电力从AC或DC转换为一个或多个DC电平的电源吗？那么您需要开关模式电源。以下是它们的工作原理。
 
通常被称为“开关器”，这些设备每秒钟都会多次开关其电源。这种开关会产生一个有效的输入频率，通常达到兆赫兹范围。

开关电源中的“开关”实际上是一个半导体——一个MOSFET，要么关闭要么打开——通过驱动进入其饱和范围，在几乎为零的电阻下传输能量。它以每秒数千次的频率这样工作，产生高频交流中间体。由于半导体被驱动进入饱和状态，它几乎没有电阻，从而实现高效率且产生的热量很少。而线性电源则因其整流器在线性范围内工作而得名。这意味着当它们传导电能时，会在电阻上传输，这一过程中必然会浪费能量并产生热量。   无论半导体的开关频率是多少，从每个“开”脉冲开始之间的时间被定义为开关周期。“开”时间占一个开关周期的比例被称为占空比。通过改变占空比，可以控制输出电压。在运行过程中调整占空比可以保持电压在目标值上。

高效率 – 它们产生的热量大大减少。低功率设备通常不需要散热罩，这意味着它们可以直接安装在PCB上。   紧凑外形 – 由于开关电源以更高的频率工作，其相关滤波电容器和电感器的容量值和尺寸会更小，整体单元占用的空间更少。   多功能设计 – 根据应用需求，开关电源可以设计为升压（Boost）或降压（Buck）。

术语   切换器通常用砖、高半砖和四分之一砖来描述。一个完整砖的尺寸以英寸计为4.6 x 2.4 x 0.5，一个半砖为2.3 x 2.4 x 0.35，而四分之一砖的尺寸为2.3 x 1.45 x 0.35。这些定义被广泛接受，但未必被普遍遵守。规范还包括引脚定义，因此在使用符合标准的切换器时，当设计师需要或选择更换产品时，非常容易进行替换。新型的四分之一砖电源可以提供250瓦或更多的电力。这相比以前同等功率所需的空间有了显著改进，从而为包含更多设计功能腾出了空间。   结构   描述切换器物理原理的公式看似简单。但相比大多数电气工程师通常处理的微安培，处理安培数的实际现实可能导致延迟、额外费用，甚至彻底的产品失败。切换器设计最好始终交由电源专家完成，这是几乎总是购买现成产品而非自行设计的一个典型场景。    工程师在设计切换电源时有两种主要选择。第一种是使用一个单一电源供应系统所需的所有电压。第二种涉及一个与外部交流电接口的单元，但只有一个直流输出，通常是12、24或48伏。在这种情况下，由主电源产生的电压是系统中所需的最高电压。如果系统某处需要更低的电压，可以使用降压转换器完成所需的直流降压转换。   降压转换器效率极高，损耗仅为5%或更低。它们有时也被称为开关调节器。与所有切换器类似，降压转换器的核心是一个半导体开关，以每秒数千次甚至更多的频率控制源电压的通断。   由于设计优势，开关模式电源已经迅速成为除最技术性和最苛刻应用以外的所有领域的标准。设计仍在不断改进，以实现更高效、更小尺寸和更轻重量。想了解更多电源供应的提示？深入阅读我们对切换DC-DC转换器类型的深入解析。