什么是开关模式电源（SMPS），它有什么作用？-IC先生

众所周知，电源单元是电路的重要组成部分，因为它为电路提供正常运行所需的电源。几乎所有的电子设备都需要一个没有任何波动的恒定电压。电源会将未稳压的电源转换为稳定的稳压电源。基本上有两类电源：线性稳压电源和开关模式电源。

什么是开关模式电源？

开关模式电源，英文名Switch Mode Power Supply，简称SMPS，它是一种电源单元 (PSU)，使用某种开关设备将电能从电源传输到负载。通常情况下可以是交流或直流，但负载是直流。

开关模式电源最常见的应用是计算机的电源单元，并且以其高效率、低成本和高功率密度等优点成为电子设备的标准电源供应器类型。

结构单元

开关模式电源是一种稳压电源，它使用高频开关稳压器对电源进行转换，并以高效的方式调节输出。

开关稳压器又是一个晶体管（如功率MOSFET），就像线性稳压器一样，但不同之处在于，SMPS中的传输晶体管不会持续保持饱和或完全导通状态，而是在完全导通和完全关闭状态之间切换一个非常高的频率，因此得名开关模式电源。

由于开关元件（即晶体管）处于活动状态的平均时间较少，因此与线性稳压电源相比，浪费或作为热量耗散的功率量非常少。这反过来导致SMPS的高效率运行，因为传输晶体管（或开关元件）上的压降非常小。

晶体管的开关动作使用称为脉冲宽度调制 (PWM) 的技术进行控制，输出电压可以通过PWM的占空比进行调节。SMPS单元的基本结构如下图所示：

在上述电路图中，未稳压的直流电源提供给开关模式DC-DC斩波电路，输出是稳压直流电源。

通常情况下，高频变压器将成为此DC-DC转换器的一部分，用于缩放和隔离的目的。

与线性稳压电源的区别

线性稳压电源是一种借助串联传输控制元件来调节输出电压的电源，串联调整元件的基本示例是电阻器。但经常使用的串联传输元件是有源或线性模式下的BJT或MOSFET器件，并与负载串联。

根据输入或负载的变化，通过晶体管的电流会发生变化，以保持输出恒定。输入和输出（负载）电压之间的差异在晶体管两端下降，并且这种多余的功率（即输入和输出（负载）功率之间的差异）通过晶体管以热量的形式耗散。

下图显示了线性稳压电源的基本结构：

从上述电路中，输入交流电源被提供给整流器和滤波器以将其转换为直流电，但是这种直流电源是不受调节的，因为它很容易随着输入的变化而变化。而该未调节直流电源作为线性调节器的输入。

通过对比开关模式电源基本结构图可以发现，线性稳压电源和开关模式电源结构之间的主要区别在于，在线性稳压电源的情况下，输入交流电被降压、整流和滤波以获得未稳压的直流电，而在开关模式电源的情况下，输入交流电直接整流和滤波，未经稳压的高压直流提供给高频DC-DC转换器。

下面简单整理线性稳压电源和开关模式电源二者之间的主要区别，仅供参考：

规格	线性稳压电源	开关模式电源
效率	典型效率为 30-40%。	良好的设计可实现 60-95%的典型效率。
输出电压	总是小于输入。	可以大于或小于输入。
调节方法	通过耗散多余的功率。	通过改变PWM的占空比。
电路复杂度	不太复杂，主要由调节器和过滤器为主要部件组成。	非常复杂，主要由开关元件、高频变压器、整流器和滤波器、反馈电路组成。
噪音和干扰	输出端电子噪音小，高频干扰小。	频繁开关电流导致高干扰和噪声。
尺寸和重量	体积庞大，因为变压器和散热器。	输入端没有变压器，但需要一个微型高频变压器。
主要应用	低功耗、简单和低成本的系统。	大功率、复杂、稳定的电源要求。

尽管开关模式电源 (SMPS) 的设计比线性稳压电源更复杂，但其高效率、高功率能力和稳定性等优势是用户选择SMPS作为敏感电子设备的电源单元的主要因素。

主要优势

大多数电子直流负载，如微处理器、微控制器、LED、晶体管、芯片、电机等，均由电池等标准电源供电。不幸的是，电池的主要问题是电压太高或太低。因此，SMPS将提供稳定的直流输出。

SMPS是一种多功能电源，可以根据应用类型选择不同的拓扑结构，例如升压、降压、输入和输出隔离的电源。

另外，一个好的SMPS设计，其效率可以高达90%甚至更高。相反，线性稳压电源的效率取决于传输晶体管的压降，但不管怎样，其电源效率都没有开关模式电源高。

什么是电源效率？举个列子，假设有一个3V锂电池，必须降压至1.8V负载，消耗100mA的电流。晶体管中以热量形式浪费的功率为0.12W，因此电源效率为40%。

更重要的是，SMPS IC或多或少具有分立式SMPS设计的所有功能，因此它允许工程师对定制项目的设计进行试验。

结构设计

与线性稳压电源相比，开关电源模式的电路的设计相当复杂。但这种设计的复杂性有一个优势，因为它将产生稳定且正常的直流电源，能够针对给定的物理规格（尺寸、重量和成本）以高效的方式提供更多功率。

下图显示了将交流输入转换为稳压直流的SMPS的简化框图：

尽管SMPS电源有多种设计类型，但所有设计都或多或少类似于上图所示的结构。SMPS中的主要设计类型是：

AC-DC，其中AC电源作为输入，在输出端获得经过调节的DC。
直流到直流升压转换器，其中输入直流电压升压，即输出电压大于输入。
直流到直流降压转换器，其中输入直流电压被降压，即输出电压小于或等于输入电压。

在DC-DC SMPS系统的情况下，输入DC通常由电池提供，因此，DC-DC转换器电路（升压和降压）在电池供电系统中很常见。

再看看上图中的SMPS设计，它代表了一个典型的交流到直流转换器，不难发现该SMPS设计的基本工作原理，及输入交流电源提供给整流器和滤波电路。此步骤会将高压交流电转换为高压直流电。

这种高压直流被提供给高速开关元件，如功率MOSFET。该开关的输出是高频、高压脉动交流电，提供给高频降压变压器。该变压器的输出是低压交流信号，该信号又提供给整流器和滤波电路以获得低压直流电。

注意事项

开关模式电源在当前电子电路中应用中非常的广泛，它是作为常用的供应电源之一。但是，在使用开关模式电源时，需要注意以下几点内容：

任何SMPS设计的共同特征是将输入交流电转换为高压直流电，并将该高压直流电转换为高压高频方波 (AC)。这种高压和频率交流电被转换为稳压直流电。
方波振荡器和高速电子开关（如MOSFET）负责将直流电转换为高频交流电。同样的原理也用在方波逆变器中。
通过将输入交流或直流（在对交流进行整流和滤波之后）转换为高频交流，可以减小电感器、变压器和电容器等组件的尺寸和价格，即它们可以更小、更便宜。
由于开关产生的高频交流信号是方波，因此可以借助脉宽调制 (PWM) 调节输出电压。电压通过隔离器电路反馈到控制电路（控制PWM）。有了这个反馈，来自振荡器的PWM的占空比可以改变，因此输出得到完美调节而没有任何过电压。
来自高频AC的采样电流（开关后的信号）与参考电流进行比较并提供给控制电路，从而提供过流保护。
输出DC与输入电源完全隔离，甚至反馈信号也在光耦合器的帮助下隔离。
与线性稳压电源中用作串联传输晶体管的晶体管相比，用方波驱动开关晶体管 (MOSFET) 可确保功耗非常低。
由于SMPS中存在高频交流信号，因此可能会出现高频谐波，因此SMPS更容易受到射频干扰。

总结

电源电路在每个电气和电子电路中扮演着重要的角色，它们为猫头鹰电路或机器、计算机等负载提供电力。这些不同的负载需要不同范围和特性的不同形式的电力。因此，通过使用不同的功率转换器将功率转换成期望的形式。

基本上来看，不同的负载使用各种类型的电源，如SMPS（开关模式电源）、线性稳压电源、AC电源、AC-DC电源、可编程电源、高压电源和不可中断电源等。