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電子電路 - 開關電源
到目前為止討論的主題代表了電源單元的不同部分。所有這些部分共同構成了線性電源。這是從輸入交流電源獲得直流輸出的傳統方法。
線性電源
線性電源（LPS）是一種穩壓電源，它在串聯電阻中耗散大量熱量以調節輸出電壓，該電壓具有低紋波和低噪聲。這種LPS有很多應用。
線性電源需要更大的半導體器件來調節輸出電壓，併產生更多熱量，導致能量效率降低。線性電源的瞬態響應時間比其他電源快100倍，這在某些專業領域非常重要。
LPS的優點
- 電源是連續的。
- 電路簡單。
- 這些是可靠的系統。
- 該系統動態響應負載變化。
- 改變電路電阻以調節輸出電壓。
- 由於元件線上性區域工作，因此噪聲很低。
- 輸出電壓中的紋波非常低。
LPS的缺點
- 使用的變壓器更重且更大。
- 散熱更多。
- 線性電源的效率為40%到50%。
- 功率在LPS電路中以熱量的形式浪費。
- 獲得單一輸出電壓。
我們已經瞭解了線性電源的不同部分。線性電源的框圖如下所示。
儘管存在上述缺點，線性電源仍廣泛用於低噪聲放大器、測試裝置和控制電路中。此外，它們還用於資料採集和訊號處理。
所有需要簡單調節且效率不是問題的情況下，都使用LPS電路。由於電噪聲較低，因此LPS用於為敏感的類比電路供電。但為了克服線性電源系統的缺點，使用了開關電源（SMPS）。
開關電源 (SMPS)
透過實現開關電源克服了LPS的缺點，例如效率低、需要大容量電容來減少紋波以及變壓器笨重且成本高等。
SMPS 的工作原理很簡單，只需瞭解 LPS 中使用的電晶體用於控制壓降，而 SMPS 中的電晶體用作受控開關即可。
工作原理
SMPS 的工作原理可以透過下圖瞭解。
讓我們嘗試瞭解 SMPS 電路的每個階段發生了什麼。
輸入級
將 50Hz 的交流輸入電源訊號直接提供給整流器和濾波器電路組合，無需使用任何變壓器。此輸出將存在許多變化，電容器的電容值應更高，以處理輸入波動。此非穩壓直流電被提供給 SMPS 的中央開關部分。
開關部分
本節採用快速開關器件，例如功率電晶體或 MOSFET，根據變化情況開啟和關閉，並將此輸出提供給本節中存在的變壓器初級繞組。此處使用的變壓器比用於 60Hz 電源的變壓器小得多、輕得多。這些效率更高，因此功率轉換比更高。
輸出級
開關部分的輸出訊號再次進行整流和濾波，以獲得所需的直流電壓。這是一個穩壓輸出電壓，然後提供給控制電路（反饋電路）。在考慮反饋訊號後獲得最終輸出。
控制單元
該單元是反饋電路，它包含許多部分。讓我們從下圖中清楚地瞭解這一點。
上圖解釋了控制單元的內部部分。輸出感測器感測訊號並將其連線到控制單元。訊號與其他部分隔離，以便任何突然的尖峰都不會影響電路。參考電壓與訊號一起作為輸入提供給誤差放大器（比較器），該誤差放大器將訊號與所需的訊號電平進行比較。
透過控制斬波頻率來保持最終電壓電平。這是透過比較提供給誤差放大器的輸入來控制的，其輸出有助於決定是增加還是減少斬波頻率。PWM 震盪器產生標準的 PWM 波固定頻率。
透過檢視下圖，我們可以更好地瞭解 SMPS 的完整功能。
SMPS 主要用於電壓開關根本不是問題並且系統效率確實很重要的場合。關於 SMPS，需要注意以下幾點：
SMPS 電路透過開關操作，因此電壓持續變化。
開關器件在飽和或截止模式下工作。
輸出電壓由反饋電路的開關時間控制。
透過調節佔空比來調節開關時間。
SMPS 的效率很高，因為它不是將多餘的功率作為熱量耗散，而是不斷切換其輸入來控制輸出。
缺點
SMPS 有一些缺點，例如：
- 由於高頻開關，存在噪聲。
- 電路複雜。
- 它會產生電磁干擾。
優點
SMPS 的優點包括：
- 效率高達 80% 到 90%。
- 發熱少；功率浪費少。
- 減少回饋到電源線的諧波。
- 裝置緊湊且體積小。
- 降低製造成本。
- 提供所需數量電壓的規定。
應用
SMPS 有許多應用。它們用於計算機的主機板、手機充電器、HVDC 測量、電池充電器、中央配電、汽車、消費電子產品、筆記型電腦、安全系統、空間站等。
SMPS 的型別
SMPS 是開關電源電路，設計用於從非穩壓直流或交流電壓獲得穩壓直流輸出電壓。SMPS 主要有四種類型，例如：
- DC-DC 轉換器
- AC-DC 轉換器
- 反激式轉換器
- 正激式轉換器
輸入部分的交流-直流轉換部分使交流-直流轉換器和直流-直流轉換器之間有所不同。反激式轉換器用於低功率應用。SMPS 型別中還有降壓轉換器和升壓轉換器，根據要求降低或提高輸出電壓。其他型別的 SMPS 包括自激反激式轉換器、降壓升壓轉換器、Cuk、Sepic 等。