開關模式電源

開關模式電源（Switch Mode Power Supply，SMPS），又稱交換式電源、開關變換器或開關電路，是一種高頻化電能轉換裝置，是電源供應器的一種。其功能是將一個位準的電壓，透過不同形式的架構轉換為使用者端所需求的電壓或電流。開關電源的輸入多半是交流電源（例如市電）或是直流電源，而輸出多半是需要直流電源的設備，例如個人電腦，而開關電源就進行兩者之間電壓及電流的轉換。

開關電源不同於線性電源，開關電源利用的功率半導體元件多半是在全開模式（飽和區）及全閉模式（截止區）之間切換，這兩個模式都有低耗散的特點，切換之間的轉換會有較高的耗散，但時間很短，因此比較節省能源，產生廢熱較少。理想上，開關電源本身是不會消耗電能的。電壓穩壓是透過調整電晶體導通及斷路的時間來達到。相反的，線性電源在產生輸出電壓的過程中，功率晶體工作在放大區，本身也會消耗電能。開關電源的高轉換效率是其一大優點，而且因為開關電源工作頻率高，可以使用小尺寸、輕重量的變壓器，因此開關電源也會比線性電源的尺寸要小，重量也會比較輕。

若電源的高效率、體積及重量是考慮重點時，開關電源比線性電源要好。不過開關電源比較複雜，內部電晶體會頻繁切換，若切換電流未加以處理，可能會產生雜訊及電磁干擾影響其他設備，而且若開關電源沒有特別設計，其電源功率因數可能不高。

## 穩壓電源的基本原理

可以把穩壓電源想像成為如下的一種情形：當試圖從一個直徑較大的自來水管中取出連續不斷的且較小的水流時，可以採用兩種策略：一種是使用一個轉接閥門，並將閥門開啟在較小位置，這就是線性電源的工作原理（可以將閥門看作電晶體）。線性電源的電壓調整電晶體上承受著很大的「壓力」（具體的表現是轉換為熱能的形式散耗）；或者，可以改進一下，讓大水管的水流到一個比較大的「水桶」裡，小水管連接到這個水桶上取水，接著，需要做的就是斷續的打開/關閉大水管上的閥門，保證水桶內的水既不會完全沒有，也不會因為太多而溢出——開關電源的基本原理就是如此。

## 與線性電源的比較

與傳統的線性電源相比，開關電源的優勢在於效率高（此處的效率可以簡單的看作輸入功率與輸出功率之比），加之開關電晶體工作於開關狀態，損耗較小，發熱較低，不需要體積/重量非常大的散熱器，因此體積較小、重量較輕。但開關電源工作時，由於頻率較高，會對電網及周圍設備造成干擾，因此，必須妥善的處理此問題。

線性電源的優勢在於結構相對簡單，可靠性相對較高，電流紋波率可以很容易的做到比較低，維修也較為方便。

實際上，現代的電路中，開關電源電路和線性電源電路在大多數情況下，是組合使用的——使用開關電源進行初步的變換，給紋波、精度要求不高的電路使用；同時，使用低壓差穩壓器（LDO）獲取精密的、低紋波（噪聲）的電壓供諸如運算放大器（OP-AMP），模數轉換器（A/D Converter）使用。

## 類型及拓撲

開關電源的拓撲指開關電源電路的構成形式。一般是根據輸出地線與輸入地線有無電氣隔離，分為隔離及非隔離變換器。非隔離即輸入端與輸出端相通，沒有隔離措施，常見的DC/DC變換器大多是這種類型。所謂隔離是指輸入端與輸出端在電路上不是直接聯通的，使用隔離變壓器通過電磁變換方式進行能量傳遞，輸入端和輸出端之間是完全電氣隔離的。通常來說，為了保護使用者的人身安全，使用市電或輸入電壓高於安全電壓（目前公認是36伏特）的開關電源必須是隔離式。

### 非隔離型拓撲

非隔離式變換器是最為簡單的交換式電源結構，它們的電源變換方式為「直流-直流」變換。根據電壓變換類型，分為三種基本類型：升壓斬波器（Boost Chopper，又稱Boost變換器，Boost Converter）、降壓斬波器（Buck Chopper，又稱Buck變換器，Buck Converter）以及降壓-升壓斬波器（Buck-Boost Chopper，又稱Buck-Boost變換器，Buck-Boost Converter），它們的結構都非常相似，輸入、輸出和地都會在一點上交匯，都使用電感器作能量存儲之用，它們之間的主要區別在於電感器的連接方式，若電感器放置於電路的輸出端，則為降壓斬波拓撲；電感器放置於電路的輸入端，則是升壓斬波拓撲。當電感器連接到地時，就是降壓-升壓斬波拓撲。由於結構的相似性，因此往往簡單改變這些電路拓撲中一些元器件的連接或是改變輸入極性，可成為另一種變換器拓撲，比如一個12V輸入、5V輸出的降壓斬波器可以將原輸出接地並從接地端引出新的輸出端獲得一個7V輸入、-5V輸出的降壓-升壓斬波器。

由降壓-升壓斬波電路，還衍生出升降壓斬波電路、Cuk、SEPIC以及ZETA等多種非隔離型直流-直流變換電路，SEPIC變換器和ZETA變換器都是Ćuk變換器的小幅重排版。實際使用中根據負載需要，基本升壓斬波電路以及基本降壓斬波電路的組合，可構成複合斬波器。對結構相同的基本斬波電路，可構成多相多重斬波器，以滿足負載對電源更高的穩定性和效能。近年來還出現一種只利用電容器作儲能元件的電荷泵變換器電路。另有中性點拓撲結構用於電源供應器以及有源濾波器上。

在脈衝佔空比極短時，開關器件的效率會下降。如果需要更高數值的電壓變換，那樣就需要用到帶變壓器的隔離型拓撲了。

下表是非隔離型拓撲類型總覽。表中「D」是變換器觸發脈衝的佔空比，數值在0到1之間。輸入電壓（V1）假定遠大於0；如果無輸入電壓，就沒有輸出電壓（V2）。

類型｜典型輸出功率（W）;｜相對成本｜儲能元件｜輸入/輸出電壓關係｜特性

降壓斬波電路（Buck Chopper）｜0–1,000｜1.0｜單電感器｜0 ≤輸出≤輸入, $\scriptstyle V_2 = DV_1$｜電流輸入需是連續的，輸入電壓高於輸出電壓，降壓，輸出電壓極性不變

升壓斬波電路（Boost Chopper）｜0–5,000｜1.0｜單電感器｜輸出≥輸入, $\scriptstyle V_2 = \frac{1}{1 - D}V_1$｜電流輸入需是連續的，輸入電壓低於輸出電壓，升壓，輸出電壓極性不變

升壓-降壓斬波電路（Buck-boost chopper）｜0–150｜1.0｜單電感器｜輸出≤ 0, $\scriptstyle V_2 = -\frac{D}{1 - D}V_1$｜輸入和輸出的電流都是不連續的

降壓-升壓斬波電路（Split-pi或boost-buck）｜0–4,500｜>2.0｜兩個電感器和三個電容器｜輸出大於等於或小於等於輸入，大於0｜輸入或輸出功率控制

Ćuk變換器｜一個電容器和兩個電感器｜任何，輸出輸入極性倒置，$\scriptstyle V_2 = -\frac{D}{1 - D}V_1$｜輸入和輸出電流都是連續的，加州理工學院的Slobodan Ćuk博士發表的降壓-升壓斬波變換器電路的改進形式

SEPIC變換器｜一個電容器和兩個電感器｜任何, $\scriptstyle V_2 = \frac{D}{1 - D}V_1$｜輸入電流是連續的

Zeta變換器｜一個電容器和兩個電感器｜任何, $\scriptstyle V_2 = \frac{D}{1 - D}V_1$｜輸出電流是連續的

電荷泵（Charge pump）或開關電容｜只有電容器｜電路簡單，不需要磁性儲能元件電感器，使用電容來達成變換並輸出，在一些離散的變換比率值上會擁有較高的轉換效率。

### 隔離型拓撲

所有的隔離式拓撲都包含一個變壓器，通過調整變壓器的匝數比可獲得更高或更低或是負電位的輸出電壓。在一些拓撲結構裏，可在變壓器上繞上多重繞組以便輸出多種電壓值。一些變換器還會利用變壓器充當儲能器件，而其它的變換器仍需要獨立的電感器。它們的電源變換方式均為「直流-交流-直流」變換。

類型｜輸出功率（W）｜相對成本｜輸入電壓範圍（V）｜儲能元器件｜特性

返馳式變換器（Flyback converter）｜0–250｜1.0｜5–600｜互感器｜降壓斬波器的隔離式形態

振鈴扼流器（Ringing choke converter，RCC）｜0–150｜1.0｜5–600｜變壓器｜低成本、自振式的返馳式變換器的變體。

半順向式變換器（Half-forward）｜0–250｜1.2｜5–500｜電感器

順向式變換器（Forward converter）｜100-200｜60–200｜電感器｜降壓斬波器的隔離式形態

諧振順向式變換器（Resonant forward）｜0–60｜1.0｜60–400｜電感器和電容器｜單電源軌輸入，無穩壓輸出，高效率，低電磁干擾（EMI）

推挽式變換器（Push-pull converter）｜100–1,000｜1.75｜50–1,000｜電感器

半橋式變換器（Half-bridge）｜0–2,000｜1.9｜50–1,000｜電感器

全橋式變換器（Full-bridge）｜400–5,000｜>2.0｜50–1,000｜電感器｜對變壓器的利用效率最高，在這幾種變換器中輸出功率最高。

諧振零電位式變換器（Resonant, zero voltage switched）｜>1,000｜>2.0｜電感器和電容器

隔離式Ćuk變換器（Isolated Ćuk）｜兩個電感器和兩個電容器

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- 1返馳式變換器的對數控制回環的性能狀態可能會比其它類型變換器的更難控制。
- 2順向式變換器也可細分，主要區別在於變壓器如何在每個電壓變換週期內重設至零磁通點。

### 準諧振零電流/零電壓切換

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在準諧振零電流/零電壓切換（quasi-resonant zero-current/zero-voltage switch，ZCS/ZVS）將電能拆分為一定大小的「封包」形式輸出，開關的開通和關斷發生在零電流點和零電壓點，而形成一個無損耗開關。準諧振開關（Quasi-resonant switching），也稱作波谷開關（valley switching），可從以下兩方面降低電磁干擾：

- 當電壓值降到最低值（於波谷時）使雙極型開關器件開關動作，將硬開關效應產生的電磁干擾降到最低。
- 當檢測到谷值時，使開關動作，不是通過固定的週期/頻率觸發開關器件，引入了將射頻發射頻譜分離的自然頻率抖動來降低整體的電磁輻射。

## 效率、電磁干擾

更高的輸入電壓以及同步整流模式使得交換式電源的電能轉換過程的效率更高，即使電源控制器的電能消耗也被計入。更高的開關頻率使得一些電源組件的體積得以減小，如變壓器，但是高頻率的開關動作會產生大量的電磁干擾。諧振式順向變換器產生的電磁干擾是所有類型的交換式電源中最小的，這是因為它使用了軟切換開關技術。傳統的硬切換開關會產生很大的電壓、電流突波。相對硬切換開關而言，軟切換開關可將電壓、電流的突波降到最低。

## 控制模式

控制模式是指穩定電壓輸出的方法。從採樣量上可分為電流模式和電壓模式。

- 電壓模式：採樣輸出電壓而進行負反饋的控制模式。
- 電流模式：採樣輸入電流和輸出電壓而進行負反饋的控制模式。
- 雙電壓模式：採樣輸出電壓和輸入電壓進行負反饋的控制模式。

從轉移函數上，可分為PID和Bang-Bang控制

- PID控制：採用鋸齒波產生器和補償網路構建的一階或二階PID控制系統。
- Bang-Bang控制：只採用比較器構建的遲滯控制系統。又稱為遲滯模式。

## 混沌行為

開關模式電源中有許多不同種類的混沌特性，例如系統參數連續改變造成特性大幅改變的分岔（bifurcation）、奇異吸引子突然出現或是消失的危機（crisis）及陣發混沌（intermittency）。

## 外部連結

- 開關電源
- 開關電源拓撲結構概述
- What is power boost? - 台達開關電源