正在尋找可以將功率從 AC 或 DC 轉(zhuǎn)換為一個或多個 DC 級別的電源?那么您需要一個開關模式電源。以下是其工作原理。

通常稱為“轉(zhuǎn)換開關”，這些設備每秒數(shù)次打開和關閉其電源。這種開關操作產(chǎn)生一個有效的輸入頻率，并且通常達到兆赫范圍。

1、什么是“開關模式”?

開關電源中的“開關”其實是一個半導體(一個要么關閉要么打開的 MOSFET)，該半導體被驅(qū)動進入飽和范圍，在幾乎零電阻下轉(zhuǎn)換功率。它每秒做幾千次這種轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生高頻 AC 介質(zhì)。由于該半導體已被驅(qū)動進入飽和，所以它幾乎沒有任何阻力，實現(xiàn)了高效率和極少的熱量生成。另一方面，還有一種線性電源，它之所以得名，是因為其整流器在線性范圍內(nèi)工作。這意味著，當它們傳導功率時，要抵抗電阻傳導，過程中必不可少伴隨有功率浪費和熱量產(chǎn)生。

無論該半導體在什么頻率下開關，兩次“開”脈沖開始間隔的時間都被定義為開關周期。“開”時間占開關周期的一小部分，稱為工作周期。通過改變工作周期，可以控制輸出電壓。改變“the fly”上的工作周期可保持目標電壓。

開關電源 (SMPS) 有哪些優(yōu)點?

高效率 – 產(chǎn)生熱量很少。低功耗元器件通常不需要隔熱罩，這意味著可以直接將它們安裝在 PCB 上。

緊湊外形 – 由于轉(zhuǎn)換開關在較高的頻率下工作，所以其與濾波電容器和電感器相關的值和大小將減小，整個元器件將占用更少的空間。

多功能設計 – 根據(jù)應用的要求，可以將轉(zhuǎn)換開關設計為升壓 (Boost) 或降壓 (Buck) 。

2、開關模式電源設計

術語

通常用全磚、半磚和四分之一磚這種術語來描述轉(zhuǎn)換開關。全磚的尺寸為 4.6 x 2.4 x 0.5，半磚為 2.3 x 2.4 x 0.35，四分之一磚為 2.3 x 1.45 x 0.35，均以英寸為單位。這些定義雖然被廣泛接受，但未得到一致遵守。規(guī)范還包括引腳。所以當使用符合標準的轉(zhuǎn)換開關時，如果設計人員需要或選擇替換產(chǎn)品，就很容易做到。更新型號的四分之一磚電源可以提供 250 瓦特和更高的電功率。相比之前功率需要的空間量，這可謂一大進步，騰出的空間可用來在產(chǎn)品設計中包括更多的功能。

構建

描述轉(zhuǎn)換開關物理學的方程式看似簡單。處理安培(跟大多數(shù)電氣工程師通常處理微安時相反)的現(xiàn)實情況會導致延遲，增加費用，甚至產(chǎn)品徹底出現(xiàn)故障。所以，轉(zhuǎn)換開關設計最好還是留給電源專家去做，即，這種情況下買總比自己去構建要強。

工程師在設計開關電源時有兩個主要選擇。第一個是單一電源，為需要供電的系統(tǒng)生成所需的所有電壓。第二個涉及到一個與外部 AC 連接的元器件，但只有一個 DC 輸出，通常為 12、24 或 48 伏。在此情形下，主電源產(chǎn)生的電壓最高，即是需要的電壓。如果系統(tǒng)中某處需要一個較低的電壓，則可利用 buck 轉(zhuǎn)換器來完成所需的 DC 到 DC 向下轉(zhuǎn)換。

buck 轉(zhuǎn)換器極其高效，功率損失只有 5%，甚至更低。它們有時也被描述為開關穩(wěn)壓器。buck 轉(zhuǎn)換器在某種意義上類似所有轉(zhuǎn)換開關，其中心是一個半導體開關，每秒數(shù)千次或更多次地開關源電壓。

由于其設計上的優(yōu)勢，開關電源已迅速成為除最嚴格技術性應用之外所有應用的標準。設計工作一直在向更高效、小型、輕量的方向不斷邁進。

審核編輯：郭婷