什么是电源？

电源是一种电气设备，它将来自电源的电流转换为负载所需的电压值，如电子马达或电子设备。

电源有两种主要设计：线性电源和开关电源。

线性：线性电源设计使用变压器来降低输入电压。然后将电压整流为直流电压，然后进行滤波，以改善波形质量。

线性电源使用线性调节器来维持输出端的恒定电压。这些线性调节器以热量的形式消散任何额外的能量。

切换：开关电源设计是一种相对较新的方法，它是为了解决与线性电源设计相关的许多问题，包括变压器尺寸和电压调节。

在开关电源设计中，输入电压不再降低。取而代之的是，它在输入端进行校准和过滤。然后，电压通过斩波器，将其转换为高频脉冲序列。在电压到达输出端之前，它被再次过滤和整流。

开关电源的拓扑结构

开关电源有AC-DC、DC-DC、反激式和正激式四种拓扑结构。

AC-DC转换器：在这种类型的开关电源中，输入功率为交流，输出功率为直流。我们得到了直流电。整流器和滤波器用来将交流电转换成直流电。

DC-DC转换器：该电源的输入功率直接来自高压直流电源。

反激式转换器：任何输出功率小于100W的开关电源都称为反激式开关电源。与其他开关电源相比，这些开关电源的电路简单明了。这种类型的开关电源用于低功耗。

正向转换器：这种类型的开关电源的设计几乎与防震转换器SMS相同。在该开关电源中，开关连接到变压器二次绕组的输出端以进行控制。

与反激式变流器相比，滤波和校正电路更为复杂。这些开关电源也称为DC-DC降压转换器，也用于变压器缩放和隔离。

开关电源是如何工作的？

多年来，线性AC/DC电源在将公用电网中的交流电能转换为直流电压方面发挥了至关重要的作用，以满足家用电器和照明的能源需求。然而，随着技术的进步，情况发生了变化，特别是在大功率应用方面。以低噪音著称的线性电源在特定的工业和医疗应用中占有一席之地。尽管开关电源有其优点，但由于其体积更小、效率更高、处理高功率的能力，开关电源的主导地位变得明显。功率转换过程通常包括三个阶段：输入整流、功率因数校正(PFC)和隔离。图1概述了开关电源中从交流(AC)到直流(DC)的一般转换。

一种开关电源，是一种电子电源，包括为高效电转换而设计的开关调节器。与其他电源类似，开关模式电源(SMPS)将电力从DC或AC电源(通常为电源)传输到DC负载(如个人计算机)。在此过程中，电压和电流特性同时进行调整，以满足负载要求。

在开关电源领域，通路晶体管在低功率、全导通和全关断状态之间经历连续的转换。这种动态行为最大限度地减少了高耗散过渡所花费的时间，有效地减少了能源浪费。在理想情况下，开关模式电源不耗电，这使其成为节能应用的理想选择。

投入整改

整流过程包括交流电压到直流电压的转换。在开关式AC/DC电源的背景下，初始阶段是输入信号整流。虽然人们通常认为直流电压类似于电池产生的稳定、不变的线路，但认识到直流(DC)的特征是单向电荷流动是至关重要的。这意味着电压始终沿同一方向流动，但不一定保持恒定。

为了在开关模式电源的情况下完成整流，可以使用无源半桥整流器来消除通过二极管的正弦波的负半部分(参见图2)。二极管允许电流在波的正半部分流动，但当电流在相反方向时会阻止它。这种选择性流量控制确保将交流电压转换为更单向的直流电压，这是电源运行的基本步骤。

在整流过程之后，产生的正弦波具有较低的平均功率，使其不足以有效地为设备供电。为了提高效率，另一种方法是改变负半波的极性，将其转变为正波。这种技术称为全波整流，可以通过采用四个二极管的桥式配置来实现(参见图3)。这些二极管的战略性布置确保了电流方向的一致性，而与输入电压的极性无关。这种配置有助于维护设备的稳定电源。

尽管全整流波形产生的平均输出电压比半桥整流波形高，但它仍然偏离了为电子设备供电所需的理想恒定直流波形。尽管是直流电的一种形式，但由于电压波值的快速和频繁变化，它对设备电能的利用效率很低。直流电压的这种波动被称为纹波，对高效电源构成了挑战。

为了解决这个问题，最直接和最广泛使用的方法涉及在整流输出端集成一个大电容器，通常称为存储电容器或平滑滤波器(参见图4)。

这种电容器在平滑电压波形方面起着关键作用，它在波峰期间存储电压，然后向负载供应电流，直到其电压降至上升的整流电压波以下。合成的波形非常接近所需的形状，类似于没有交流分量的直流电压。这种精炼的电压波形适用于为直流设备供电。

无源整流使用半导体二极管作为不受控制的开关，是整流交流电波最简单的方法，但就效率而言，它还不够。

尽管二极管作为相对高效的开关，能够以最小的功耗实现快速的通断转换，但它们会受到0.5V到1V范围内的正向偏置电压降的阻碍，从而导致效率降低。

有源整流采用不同的方法，将二极管替换为受控开关，如MOSFET或BJT晶体管(参见图5)。这种方法提供了双重优势：首先，基于晶体管的整流器消除了半导体二极管固定的0.5V到1V压降特性，因为它们的电阻可以任意小，从而显著降低了压降。

其次，晶体管起到受控开关的作用，可以优化开关频率，提供灵活性。然而，它的代价是有源整流器控制电路的复杂性增加，涉及额外的元件，使它们相对更昂贵。

功率因数校正

开关电源设计的第二阶段是功率因数校正。

观察整流存储电容器的电流波形(参见图6)，可以明显看出充电电流迅速通过电容器，特别是当来自电容器的输入电压超过整流信号的峰值电荷时。这种快速充电过程在电容器中产生了一系列短路电流尖峰，不仅给电源带来了挑战，也给整个电网带来了问题。突如其来的电流尖峰将大量的谐波引入电网，导致失真，这可能会对连接到电网的其他电源和设备产生不利影响。

在开关电源设计领域，功率因数校正电路旨在通过有效地滤除这些谐波来减少它们。实现这一点有两种主要选择：有源功率因数校正和无源功率因数校正。

无源功率因数校正包括设计用于消除高频谐波的无源低通滤波器。然而，完全依赖无源PFC的电源，特别是在大功率应用中，很难符合关于谐波噪声的国际法规。作为另一种选择，有功功率校正变得必要。

有源功率因数校正的工作原理是重塑电流波形，使之与电压波形一致。这一调整将谐波重新定位到更高的频率，便于它们更容易地过滤。在这种情况下，Boost转换器，也被称为Boost转换器，作为有效的有源功率因数校正的广泛使用的电路而出现。

隔离：隔离开关电源与非隔离开关电源

随着输入端输入交流波形的整流，所产生的输出直流电压显著升高。在没有功率因数校正(PFC)的情况下，整流器的输出电压约为320V。然而，引入有源PFC电路，将Boost转换器的输出转换为稳定的直流电压，达到400V或更高。

这两种情况的特点都是过高的直流电压，这两种情况都会带来巨大的风险，事实证明，对于大多数通常要求低得多的电压水平的应用来说，这两种情况都不切实际。表1概述了在选择适当的隔离拓扑时值得考虑的与转换器和应用相关的各个方面。这一全面的概述有助于根据特定要求和安全考虑因素做出明智的决策。

开关电源的优势

任何技术的使用通常都需要仔细权衡几个优点和缺点。这对于开关模式电源来说是正确的，它具有一些明显的优点，但也有其缺点。

SMPS的优势

高效率：开关动作意味着串联调节器元件处于打开或关闭状态。因此，以热量的形式释放的能量非常少，可以实现非常高的效率。

紧凑：由于高效率和低散热水平，开关模式电源可以变得更加紧凑。

成本：使开关电源非常有吸引力的一件事是成本。该设计的更高效率和开关特性意味着比线性电源需要更少的热量，从而导致更低的成本。随着时间的推移，电源的开关特性意味着许多组件的成本更低。

灵活的技术：开关电源技术可用于在升压或“升压”应用或降压“降压”应用中提供高效的电压转换。

总而言之，开关电源是从计算机到充电器，从实验室设备到许多家用电子产品的各种应用的理想选择。成本、规模和效率是确保它们成为许多应用的主要技术的关键因素。

开关电源的应用：

多年来，线性AC/DC电源一直将公用电网中的交流电转换为直流电压，FIT被用于运行家用电器或照明。高功率应用需要更小的电源。

这意味着线性电源已被降级到特定的工业和医疗用途。由于噪音低，在这些用途中仍然需要它们。但开关电源已经占据了主导地位，因为它们更小、更高效，能够处理高功率。

开关电源有许多应用，如最常用的计算机、安全系统、铁路系统、电池充电器和机床工业。

开关电源在下游应用广泛。近年来，开关电源在LED产业、医疗设备、手机充电器、汽车、消费电子等领域发挥着越来越重要的作用。

在全球范围内，开关电源市场主要是由对消费电子产品不断增长的需求推动的，消费电子产品占开关电源下游总消耗量的近52%。

摘要

在设计开关电源时，有许多不同的方面需要考虑，特别是与安全、性能、尺寸、重量等相关的方面。开关电源还有比线性电源更复杂的控制电路，这就是为什么许多设计者发现在他们的电源中实现集成模块很有用。

WeHo提供多种可简化开关电源设计的模块，如NDR EDR双轨电源、LRS超薄型电源、LPV IP67防水LED驱动器、DC-DC转换器等。