開關(guān)模式電源與線性穩(wěn)壓電源的區(qū)別

眾所周知，電源單元是電路的重要組成部分，因?yàn)樗鼮殡娐诽峁┱＿\(yùn)行所需的電源。幾乎所有的電子設(shè)備都需要一個(gè)沒有任何波動(dòng)的恒定電壓。電源會(huì)將未穩(wěn)壓的電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的穩(wěn)壓電源?；旧嫌袃深愲娫矗壕€性穩(wěn)壓電源和開關(guān)模式電源。

什么是開關(guān)模式電源?

開關(guān)模式電源，英文名Switch Mode Power Supply，簡(jiǎn)稱SMPS，它是一種電源單元 (PSU)，使用某種開關(guān)設(shè)備將電能從電源傳輸?shù)截?fù)載。通常情況下可以是交流或直流，但負(fù)載是直流。

開關(guān)模式電源最常見的應(yīng)用是計(jì)算機(jī)的電源單元，并且以其高效率、低成本和高功率密度等優(yōu)點(diǎn)成為電子設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)電源供應(yīng)器類型。

結(jié)構(gòu)單元

開關(guān)模式電源是一種穩(wěn)壓電源，它使用高頻開關(guān)穩(wěn)壓器對(duì)電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并以高效的方式調(diào)節(jié)輸出。

開關(guān)穩(wěn)壓器又是一個(gè)晶體管(如功率MOSFET)，就像線性穩(wěn)壓器一樣，但不同之處在于，SMPS中的傳輸晶體管不會(huì)持續(xù)保持飽和或完全導(dǎo)通狀態(tài)，而是在完全導(dǎo)通和完全關(guān)閉狀態(tài)之間切換一個(gè)非常高的頻率，因此得名開關(guān)模式電源。

由于開關(guān)元件(即晶體管)處于活動(dòng)狀態(tài)的平均時(shí)間較少，因此與線性穩(wěn)壓電源相比，浪費(fèi)或作為熱量耗散的功率量非常少。這反過來(lái)導(dǎo)致SMPS的高效率運(yùn)行，因?yàn)閭鬏斁w管(或開關(guān)元件)上的壓降非常小。

晶體管的開關(guān)動(dòng)作使用稱為脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 的技術(shù)進(jìn)行控制，輸出電壓可以通過PWM的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。SMPS單元的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：

在上述電路圖中，未穩(wěn)壓的直流電源提供給開關(guān)模式DC-DC斬波電路，輸出是穩(wěn)壓直流電源。

通常情況下，高頻變壓器將成為此DC-DC轉(zhuǎn)換器的一部分，用于縮放和隔離的目的。

與線性穩(wěn)壓電源的區(qū)別

線性穩(wěn)壓電源是一種借助串聯(lián)傳輸控制元件來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓的電源，串聯(lián)調(diào)整元件的基本示例是電阻器。但經(jīng)常使用的串聯(lián)傳輸元件是有源或線性模式下的BJT或MOSFET器件，并與負(fù)載串聯(lián)。

根據(jù)輸入或負(fù)載的變化，通過晶體管的電流會(huì)發(fā)生變化，以保持輸出恒定。輸入和輸出(負(fù)載)電壓之間的差異在晶體管兩端下降，并且這種多余的功率(即輸入和輸出(負(fù)載)功率之間的差異)通過晶體管以熱量的形式耗散。

下圖顯示了線性穩(wěn)壓電源的基本結(jié)構(gòu)：

從上述電路中，輸入交流電源被提供給整流器和濾波器以將其轉(zhuǎn)換為直流電，但是這種直流電源是不受調(diào)節(jié)的，因?yàn)樗苋菀纂S著輸入的變化而變化。而該未調(diào)節(jié)直流電源作為線性調(diào)節(jié)器的輸入。

通過對(duì)比開關(guān)模式電源基本結(jié)構(gòu)圖可以發(fā)現(xiàn)，線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)模式電源結(jié)構(gòu)之間的主要區(qū)別在于，在線性穩(wěn)壓電源的情況下，輸入交流電被降壓、整流和濾波以獲得未穩(wěn)壓的直流電，而在開關(guān)模式電源的情況下，輸入交流電直接整流和濾波，未經(jīng)穩(wěn)壓的高壓直流提供給高頻DC-DC轉(zhuǎn)換器。

下面簡(jiǎn)單整理線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)模式電源二者之間的主要區(qū)別，僅供參考：

盡管開關(guān)模式電源 (SMPS) 的設(shè)計(jì)比線性穩(wěn)壓電源更復(fù)雜，但其高效率、高功率能力和穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)是用戶選擇SMPS作為敏感電子設(shè)備的電源單元的主要因素。

主要優(yōu)勢(shì)

大多數(shù)電子直流負(fù)載，如微處理器、微控制器、LED、晶體管、芯片、電機(jī)等，均由電池等標(biāo)準(zhǔn)電源供電。不幸的是，電池的主要問題是電壓太高或太低。因此，SMPS將提供穩(wěn)定的直流輸出。

SMPS是一種多功能電源，可以根據(jù)應(yīng)用類型選擇不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如升壓、降壓、輸入和輸出隔離的電源。

另外，一個(gè)好的SMPS設(shè)計(jì)，其效率可以高達(dá)90%甚至更高。相反，線性穩(wěn)壓電源的效率取決于傳輸晶體管的壓降，但不管怎樣，其電源效率都沒有開關(guān)模式電源高。

什么是電源效率?舉個(gè)列子，假設(shè)有一個(gè)3V鋰電池，必須降壓至1.8V負(fù)載，消耗100mA的電流。晶體管中以熱量形式浪費(fèi)的功率為0.12W，因此電源效率為40%。

更重要的是，SMPS IC或多或少具有分立式SMPS設(shè)計(jì)的所有功能，因此它允許工程師對(duì)定制項(xiàng)目的設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

與線性穩(wěn)壓電源相比，開關(guān)電源模式的電路的設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜。但這種設(shè)計(jì)的復(fù)雜性有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼘a(chǎn)生穩(wěn)定且正常的直流電源，能夠針對(duì)給定的物理規(guī)格(尺寸、重量和成本)以高效的方式提供更多功率。

下圖顯示了將交流輸入轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓直流的SMPS的簡(jiǎn)化框圖：

盡管SMPS電源有多種設(shè)計(jì)類型，但所有設(shè)計(jì)都或多或少類似于上圖所示的結(jié)構(gòu)。SMPS中的主要設(shè)計(jì)類型是：

AC-DC，其中AC電源作為輸入，在輸出端獲得經(jīng)過調(diào)節(jié)的DC。

直流到直流升壓轉(zhuǎn)換器，其中輸入直流電壓升壓，即輸出電壓大于輸入。

直流到直流降壓轉(zhuǎn)換器，其中輸入直流電壓被降壓，即輸出電壓小于或等于輸入電壓。

在DC-DC SMPS系統(tǒng)的情況下，輸入DC通常由電池提供，因此，DC-DC轉(zhuǎn)換器電路(升壓和降壓)在電池供電系統(tǒng)中很常見。

再看看上圖中的SMPS設(shè)計(jì)，它代表了一個(gè)典型的交流到直流轉(zhuǎn)換器，不難發(fā)現(xiàn)該SMPS設(shè)計(jì)的基本工作原理，及輸入交流電源提供給整流器和濾波電路。此步驟會(huì)將高壓交流電轉(zhuǎn)換為高壓直流電。

這種高壓直流被提供給高速開關(guān)元件，如功率MOSFET。該開關(guān)的輸出是高頻、高壓脈動(dòng)交流電，提供給高頻降壓變壓器。該變壓器的輸出是低壓交流信號(hào)，該信號(hào)又提供給整流器和濾波電路以獲得低壓直流電。

注意事項(xiàng)

開關(guān)模式電源在當(dāng)前電子電路中應(yīng)用中非常的廣泛，它是作為常用的供應(yīng)電源之一。但是，在使用開關(guān)模式電源時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)內(nèi)容：

任何SMPS設(shè)計(jì)的共同特征是將輸入交流電轉(zhuǎn)換為高壓直流電，并將該高壓直流電轉(zhuǎn)換為高壓高頻方波 (AC)。這種高壓和頻率交流電被轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓直流電。

方波振蕩器和高速電子開關(guān)(如MOSFET)負(fù)責(zé)將直流電轉(zhuǎn)換為高頻交流電。同樣的原理也用在方波逆變器中。

通過將輸入交流或直流(在對(duì)交流進(jìn)行整流和濾波之后)轉(zhuǎn)換為高頻交流，可以減小電感器、變壓器和電容器等組件的尺寸和價(jià)格，即它們可以更小、更便宜。

由于開關(guān)產(chǎn)生的高頻交流信號(hào)是方波，因此可以借助脈寬調(diào)制 (PWM) 調(diào)節(jié)輸出電壓。電壓通過隔離器電路反饋到控制電路(控制PWM)。有了這個(gè)反饋，來(lái)自振蕩器的PWM的占空比可以改變，因此輸出得到完美調(diào)節(jié)而沒有任何過電壓。

來(lái)自高頻AC的采樣電流(開關(guān)后的信號(hào))與參考電流進(jìn)行比較并提供給控制電路，從而提供過流保護(hù)。

輸出DC與輸入電源完全隔離，甚至反饋信號(hào)也在光耦合器的幫助下隔離。

與線性穩(wěn)壓電源中用作串聯(lián)傳輸晶體管的晶體管相比，用方波驅(qū)動(dòng)開關(guān)晶體管 (MOSFET) 可確保功耗非常低。

由于SMPS中存在高頻交流信號(hào)，因此可能會(huì)出現(xiàn)高頻諧波，因此SMPS更容易受到射頻干擾。

總結(jié)

電源電路在每個(gè)電氣和電子電路中扮演著重要的角色，它們?yōu)樨堫^鷹電路或機(jī)器、計(jì)算機(jī)等負(fù)載提供電力。這些不同的負(fù)載需要不同范圍和特性的不同形式的電力。因此，通過使用不同的功率轉(zhuǎn)換器將功率轉(zhuǎn)換成期望的形式。

基本上來(lái)看，不同的負(fù)載使用各種類型的電源，如SMPS(開關(guān)模式電源)、線性穩(wěn)壓電源、AC電源、AC-DC電源、可編程電源、高壓電源和不可中斷電源等。