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为负载（如电机或电子设备）供电所需的电压值。
电源主要有两种设计：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。然后对电压进行整流，变成直流电压，再经过滤波，提高波形质量。线性电源使用线性稳压器在输出端保持恒定电压。这些线性稳压器以热量的形式消散任何额外的能量。
- 开关：开关电源设计是一种较新的方法，旨在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；相反，它在输入端被校正和过滤。然后电压通过斩波器，将其转换为高频脉冲序列。在电压到达输出之前，它会再次被过滤和整流。
开关电源如何工作？
多年来，线性 AC/DC 电源一直在将来自公用电网的交流电转换为直流电压，用于运行家用电器或照明。大功率应用需要更小的电源意味着线性电源已被降级为特定的工业和医疗用途，由于它们的低噪声，在这些用途中仍然需要它们。但是开关电源已经占据了主导地位，因为它们更小、更高效并且能够处理高功率。图 1说明了开关电源中从交流电 (AC、 到直流电 (DC、 的一般转换。
图 1：隔离式开关模式 AC/DC 电源
输入整流
整流是将交流电压转换为直流电压的过程。输入信号整流是开关模式 AC/DC 电源的第一步。
人们普遍认为，直流电压是一条笔直的、坚定不移的恒定电压线，就像来自电池的那种。然而，定义直流电 (DC、 的是电荷的单向流动。这意味着电压以相同的方向流动，但不一定是恒定的。
正弦波是交流电 (AC、 最典型的波形，在前半个周期为正，在其余周期为负。如果负半周期反转或消除，则电流停止交流，变成直流电。这可以通过称为校正的过程来实现。
整流可以通过使用无源半桥整流器来实现，使用二极管消除正弦波的负半部分（参见图 2）。二极管允许电流在波的正半部分流过它，但当电流沿相反方向流动时会阻止电流。
图 2：半桥整流器
整流后，产生的正弦波将具有较低的平均功率，无法有效地为设备供电。一种更有效的方法是改变负半波的极性并使其变为正。这种方法被称为全波整流，它只需要桥式配置中的四个二极管（见图 3）。无论输入电压极性如何，这种布置都能保持稳定的电流方向。
图 3：全桥整流器
完全整流的波具有比半桥整流器产生的更高的平均输出电压，但距离为电子设备供电所需的恒定直流波形仍有很大距离。虽然这是一种直流电波，但由于电压波的形状，用它来为设备供电会效率低下，它会非常快速且经常地改变值。这种直流电压的周期性变化称为纹波——减少或消除纹波对于高效电源至关重要。
降低纹波最简单和最常用的方法是在整流器输出端使用一个大电容器，称为储能电容器或平滑滤波器（参见图 4）。
电容器在波峰期间存储电压，然后为负载提供电流，直到其电压小于现在上升的整流电压波。生成的波形更接近所需的形状，可以认为是没有交流分量的直流电压。该最终电压波形现在可用于为直流设备供电。
图 4：带平滑滤波器的全桥整流器
无源整流使用半导体二极管作为不受控制的开关，是对交流波进行整流的最简单方法，但不是最有效的。
二极管是相对高效的开关；它们可以以最小的功率损耗快速打开和关闭。半导体二极管的唯一问题是它们的正向偏置电压降为 0.5V 至 1V，这会降低效率。
有源整流用受控开关代替二极管，例如 MOSFET 或 BJT 晶体管（见图 5）。这样做的好处有两个：首先，基于晶体管的整流器消除了与半导体二极管相关的 0.5V 至 1V 的固定电压降，因为它们的电阻可以任意小，因此电压降很小。其次，晶体管是受控开关，这意味着可以控制并优化开关频率。
缺点是有源整流器需要更复杂的控制电路来实现其目的，这需要额外的组件，因此使它们更加昂贵。
图 5：全桥有源整流器
功率因数校正 (PFC、
开关电源设计的第二阶段是功率因数校正 (PFC、。
PFC 电路与交流电源到直流电源的实际转换关系不大，但却是大多数商用电源的关键组件。
图 6：整流器输出端的电压和电流波形
如果您观察整流器储能电容器的电流波形（参见图 6），您会看到充电电流在很短的时间跨度内流过电容器，特别是从电容器输入电压为大于电容器对整流信号峰值的电荷。这会在电容器中产生一系列短电流尖峰，从而不仅对电源，而且对整个电网都造成严重问题，因为这些电流尖峰会注入电网中的大量谐波。 谐波会产生失真，可能会影响连接到电网的其他电源和设备。
在开关电源设计中，功率因数校正电路的目标是通过滤除这些谐波来最小化它们。为此，有两种选择：有源和无源功率因数校正。
- 无源 PFC 电路由无源低通滤波器组成，试图消除高频谐波。然而，电源，特别是在大功率应用中，仅使用无源 PFC 无法符合有关谐波噪声的国际法规。相反，他们必须应用有功功率校正。
- 主动式 PFC 改变电流波形的形状，使其跟随电压。谐波被移到更高的频率，使它们更容易被滤除。对于这些情况，最广泛使用的电路是升压转换器，也称为升压转换器。
隔离：隔离与非隔离开关电源
无论是否存在 PFC 电路，电源转换的最后一步是将整流后的 DC 电压逐步降低到适合预期应用的幅度。
由于输入的交流波形在输入端经过整流，直流电压输出会偏高：如果没有PFC，整流器输出的直流电压约为320V。如果有一个有源 PFC 电路，升压转换器的输出将为 400V 或更高的稳定直流电压。
对于通常需要显着较低电压的大多数应用来说，这两种情况都非常危险且无用。表 1 显示了在选择正确的隔离拓扑时应考虑的几个转换器和应用方面。
| 隔离式 AC/DC 电源 | 非隔离 AC/DC 电源 | |
|---|---|---|
| 拓扑 | 反激式转换器 | 降压转换器 |
| 安全 | 电流隔离提供更高的用户安全性 | 潜在的电流泄漏可能会对用户或负载造成重大伤害 |
| 尺寸和效率 | 变压器增加了尺寸和重量 | 只需一个电感器，电路小得多 |
| 效率 | 变压器铁损和铜损影响效率 | 单个电感器比整个变压器效率高得多 |
| 复杂 | 两者都需要控制电路 |
表 1：隔离式与非隔离式 AC/DC 电源
选择使用哪种降压方法时，主要考虑的是安全性。
电源在输入端连接到交流电源，这意味着如果输出端漏电，这种比例的电击可能会严重伤害或导致死亡，并损坏连接到输出端的任何设备。
安全性可以通过磁隔离主电源连接的 AC/DC 电源的输入和输出电路来实现。隔离式 AC/DC 电源中使用最广泛的电路是反激式转换器和谐振 LLC 转换器，因为它们包括电流或磁隔离（参见图 7）。
图 7：反激式转换器（左）和 LLC 谐振转换器（右）
使用变压器意味着信号不能是平坦的直流电压。相反，为了通过电感耦合将能量从变压器的一侧转移到另一侧，必须有电压变化，因此电流也必须变化。因此，反激式和 LLC 转换器都将输入直流电压“斩波”为方波，该方波可以通过变压器降压。然后在输出之前必须再次对输出波进行整流。
反激式转换器主要用于低功率应用。反激转换器是一种隔离的降压-升压转换器，这意味着输出电压可以高于或低于输入电压，具体取决于变压器初级和次级绕组之间的匝数比。
反激式转换器的操作与升压转换器的操作非常相似。
当开关闭合时，初级线圈由输入充电，产生磁场。当开关打开时，初级电感中的电荷转移到次级绕组，次级绕组向电路中注入电流，为负载供电。
反激式转换器相对容易设计，并且比其他转换器需要更少的组件，但效率不高，因为强制晶体管任意开启和关闭的硬开关会导致显着损耗（参见图 8）。尤其是在高功率应用中，这对晶体管的生命周期非常不利，并且会产生显着的功率损耗，这就是为什么反激式转换器更适合通常高达 100W 的低功率应用的原因。
谐振 LLC 转换器更常用于高功率应用。这些电路也通过变压器进行磁隔离。LLC 转换器基于谐振现象，即当某个频率与滤波器的固有频率匹配时，它会放大某个频率。在这种情况下，LLC 转换器的谐振频率由串联的电感器和电容器（LC 滤波器）定义，并加上变压器初级电感器 (L、 的影响，因此称为 LLC 转换器。
LLC 谐振转换器是大功率应用的首选，因为它们可以产生零电流开关，也称为软开关（参见图 8）。当电路中的电流接近零时，这种开关方法会打开和关闭开关，从而最大限度地减少晶体管的开关损耗，从而降低 EMI 并提高效率。不幸的是，这种改进的性能是有代价的：很难设计出一种可以为各种负载实现软开关的 LLC 谐振转换器。为此，MPS 开发了一种特定的LLC 设计工具，以帮助确保转换器在完全正确的谐振状态下工作，以实现最佳开关效率。
图 8：硬开关（左）与软开关（右）损耗
在本文前面，我们讨论了为什么 AC/DC 电源的限制之一是输入变压器的尺寸和重量，由于低工作频率 (50Hz、 需要较大的电感器和磁芯以避免饱和。
在开关电源中，电压中的振荡频率要大得多（至少超过 20kHz）。这意味着降压变压器可以更小，因为高频信号在线性变压器中产生的磁损耗更少。输入变压器的尺寸减小使系统能够小型化，以至于整个电源可以装入我们今天使用的手机充电器大小的外壳中。
有些直流设备不需要变压器提供的隔离。这在不需要用户直接触摸的设备中很常见，例如灯光、传感器、物联网等，因为对设备参数的任何操作都是从单独的设备（例如手机）完成的，平板电脑或电脑。
这在重量、尺寸和性能方面提供了巨大的好处。这些转换器使用高压降压转换器（也称为降压转换器）降低输出电压电平。该电路可以描述为之前解释的升压转换器的逆电路。在这种情况下，当晶体管开关闭合时，流过电感的电流会在电感两端产生一个电压，该电压抵消来自电源的电压，从而降低输出端的电压。当开关打开时，电感释放一个流过负载的电流，在电路与电源断开时保持负载上的电压值。
在 AC/DC 开关电源中，使用高压降压转换器是因为充当开关的 MOSFET 晶体管必须能够承受较大的电压变化（参见图 9）。当开关闭合时，MOSFET两端的电压接近0V；但是当它打开时，单相应用的电压会上升到 400V，三相转换器的电压会上升到 800V。这些大而突然的电压变化很容易损坏普通晶体管，这就是使用特殊高压 MOSFET 的原因。
图 9：具有有源 PFC 的非隔离式 AC/DC 开关电源
降压转换器比变压器更容易集成，因为只需要一个电感器。它们在降低电压方面的效率也更高，正常效率高达 95% 以上。这种效率水平是可能的，因为晶体管和二极管几乎没有开关功率损耗，因此唯一的损耗来自电感器。
非隔离式 AC/DC 电源输出稳压器的一个示例是 MPS MP17xA 系列。该系列可以控制许多不同的转换器拓扑，例如降压、升压、降压-升压或反激式。它可用于高达 700V 的电压，这意味着它适用于单相电源。它还具有绿色模式选项，其中开关频率和峰值电流与负载成比例降低，从而提高电源的整体效率。图 10显示了MP173A的典型应用电路，其中它正在调节由电感 (L1、、二极管 (D1、 和电容器 (C4、 组成的降压转换器。电阻器（R1 和 R2）构成一个分压器，提供反馈电压（FB 引脚），从而关闭控制回路。
图 10：MP173A 典型应用电路
开关 AC/DC 电源以很小的尺寸提供更高的性能，这就是它们如此受欢迎的原因。缺点是它们的电路要复杂得多，并且需要更精确的控制电路和噪声消除滤波器。尽管增加了复杂性，但 MPS 提供了简单高效的解决方案，使您的 AC/DC 电源的开发更加容易。
概括
AC/DC 开关电源是目前将交流电源转换为直流电源的最有效方式。功率转换分三个阶段：
- 输入整流：此过程获取交流电源电压并使用二极管电桥将其转换为直流整流波。在电桥的输出端增加了一个电容，以降低纹波电压。
- 功率因数校正（PFC）：由于整流器中的非线性电流，电流的谐波含量相当大。有两种方法可以解决这个问题。第一种是无源 PFC，使用滤波器来抑制谐波的影响，但效率不高。第二种选择称为有源 PFC，它使用开关升压转换器使电流波形遵循输入电压形状。有源 PFC 是设计满足当前尺寸和效率标准的电源转换器的唯一方法。
- 隔离：开关电源可以是隔离的或非隔离的。当电源的输入和输出没有物理连接时，设备被隔离。隔离是通过使用变压器来完成的，该变压器将电路的两半进行电流隔离。但是，变压器只有在电流发生变化的情况下才能传输电能，因此整流后的直流电压被斩波成高频方波，然后传输到次级电路，再次整流，最后传输到输出。
在设计开关电源时需要考虑很多不同的方面，特别是与安全性、性能、尺寸、重量等有关。开关电源的控制电路也比线性电源复杂，这就是为什么许多设计人员发现在其电源中实现集成模块很有用。
MPS 提供多种可简化开关电源设计的模块，例如电源转换器、控制器、整流器等。
