開關(guān)電源(SMPS) 因其效率高、結(jié)構(gòu)緊湊和用途廣泛而廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電子設(shè)備。從為計算機(jī)供電到照明和醫(yī)療設(shè)備，SMPS 已成為將交流或直流電源的電力轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓直流輸出的一部分。

在本文中，我們將探討什么是SMPS、它如何工作、所涉及的組件以及為您的應(yīng)用程序構(gòu)建或購買 SMPS 時需要考慮的因素。

什么是 SMPS？

開關(guān)電源(SMPS) 是一種使用開關(guān)調(diào)節(jié)器高效轉(zhuǎn)換電能的電子電源。它接收輸入電能（交流或直流），并將其轉(zhuǎn)換為適合為設(shè)備供電的穩(wěn)定直流電壓。與使用重型變壓器和模擬調(diào)節(jié)電路的線性電源不同，SMPS 通過快速打開和關(guān)閉輸入電壓并使用晶體管、電感器和電容器等組件控制輸出來運(yùn)行。這可以提高效率、減小尺寸并降低發(fā)熱量。

SMPS 可在高壓交流輸入和低壓直流輸出之間提供隔離，有助于保護(hù)敏感設(shè)備免受電涌和短路的影響。輸出電壓經(jīng)過調(diào)節(jié)，即使在變化的負(fù)載條件下也能確保一致的性能。

SMPS 如何工作？

SMPS 的運(yùn)行涉及多個階段，每個階段都會影響其效率和功能。下面簡要介紹 SMPS 的工作原理：

交流到直流轉(zhuǎn)換：如果輸入是交流電，它首先經(jīng)過整流器將其轉(zhuǎn)換為脈動直流電。濾波電容器可平滑此直流輸出。

開關(guān)電路：功率半導(dǎo)體（通常是晶體管，如 MOSFET）以高頻（通常在 25kHz 至 500kHz 之間）快速打開和關(guān)閉直流電壓。此開關(guān)動作控制傳輸?shù)截?fù)載的能量。

變換：開關(guān)動作在變壓器中感應(yīng)出高頻交流電，根據(jù)設(shè)計（降壓、升壓或升降壓）升高或降低電壓。

整流和濾波：經(jīng)過變換后，輸出經(jīng)過整流和濾波，產(chǎn)生平滑的直流輸出。濾波有助于減少開關(guān)動作引起的任何紋波。

反饋調(diào)節(jié)：反饋回路不斷監(jiān)控輸出電壓并調(diào)整開關(guān)占空比以維持穩(wěn)定的電壓。

SMPS 中的三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是降壓、升壓和降壓-升壓（根據(jù)極性，可以升高或降低電壓）。

SMPS 需要哪些組件？

構(gòu)建開關(guān)電源所需的基本組件  包括：

開關(guān)晶體管：該元件負(fù)責(zé)控制電流，快速開啟和關(guān)閉。常見的選擇包括 MOSFET 和 IGBT。

電感器：電感器在開關(guān)周期的導(dǎo)通階段存儲能量，并在關(guān)斷階段釋放能量，有助于電壓調(diào)節(jié)。

二極管：二極管確保電流流向正確的方向并有助于平滑輸出。

電容器：電容器過濾輸出，平滑電壓紋波并穩(wěn)定系統(tǒng)。

變壓器：在 AC-DC 設(shè)計中，變壓器升高或降低電壓并在輸入和輸出之間提供隔離。

反饋控制電路：監(jiān)控輸出并調(diào)整開關(guān)晶體管的操作以維持恒定的輸出電壓。

除了這些組件之外，您還需要電阻器等無源組件以及保險絲或斷路器等安全元件來防止過載。

您是否應(yīng)該購買或構(gòu)建 SMPS？

在決定是否構(gòu)建或購買 SMPS 時，應(yīng)考慮以下幾個因素：

專業(yè)知識：構(gòu)建 SMPS 需要電力電子方面的專業(yè)知識，尤其是處理高頻開關(guān)和反饋控制電路。對于許多人來說，從信譽(yù)良好的制造商處購買預(yù)先設(shè)計好的現(xiàn)成電源是更高效、更可靠的選擇。

定制：如果您的項目有的電源要求或限制，您可能需要定制 SMPS。然而，這可能既昂貴又耗時。

成本和時間效率：預(yù)制 SMPS 單元通常成本較低，并且可以節(jié)省寶貴的設(shè)計和測試時間，尤其是在采購電感器和變壓器等需要精心設(shè)計的組件時。

創(chuàng)新和尺寸限制：對于需要小型、緊湊和高效電源解決方案的應(yīng)用（例如醫(yī)療設(shè)備或無人機(jī)），您可能會發(fā)現(xiàn)設(shè)計定制 SMPS 大有裨益。碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 半導(dǎo)體等材料的進(jìn)展使得設(shè)計高效、緊湊的電源變得更加容易。

大多數(shù)情況下，除非您有特殊的技術(shù)要求，否則從供應(yīng)商處購買高質(zhì)量的SMPS是成本效益和實用的選擇。

選擇開關(guān)電源

為您的項目選擇開關(guān)電源時，您需要考慮幾個關(guān)鍵因素：

輸入和輸出電壓：確保 SMPS 滿足輸入電源（交流或直流）和輸出設(shè)備的電壓要求。

功率處理：確保 SMPS 可以處理設(shè)備所需的總功率（以瓦特為單位）。

效率：尋找具有高效率的 SMPS 裝置（通常在 80-95% 之間）。效率越高意味著產(chǎn)生的熱量越少，節(jié)能效果越好。

安全性和合規(guī)性：確保 SMPS 符合國際安全標(biāo)準(zhǔn)，包括電氣絕緣、電磁干擾 (EMI) 和效率法規(guī)。常見認(rèn)證包括 IEC 62368-1、DoE VI 級（用于能源效率）以及針對醫(yī)療和消費(fèi)產(chǎn)品的各種當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)。

調(diào)節(jié)：檢查電源的線路調(diào)節(jié)和負(fù)載調(diào)節(jié)。良好的 SMPS 應(yīng)在寬輸入電壓和輸出負(fù)載范圍內(nèi)將輸出電壓保持在標(biāo)稱值的 ±3% 范圍內(nèi)。

附加功能：過壓保護(hù)、短路保護(hù)以及處理峰值負(fù)載（如電機(jī)啟動電流）的能力等功能也是重要的考慮因素。

結(jié)論

開關(guān)電源為各種應(yīng)用提供了緊湊、高效、可靠的解決方案，改變了我們?yōu)殡娮釉O(shè)備供電的方式。無論您是想構(gòu)建定制 SMPS 還是購買預(yù)先設(shè)計的設(shè)備，了解基本組件和原理都可以幫助您做出明智的決定。如果您需要為項目配備高效電源，SMPS 通常是，它不僅提供的性能，還提供設(shè)計靈活性。