开关电源的用途、优点和工作原理

　　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）。