开关电源如何工作？革命性电源技术的历史概述

　　配备 IC 和微型计算机的电子设备需要电压波动很小的稳定直流电流。有两种类型的稳压电源：线性和开关。开关电源突破了传统线性电源的局限，实现了突破性的小型化、轻量化和高效率。开关电源体现了电源解决方案的关键技术。

　　为什么基于线性方法的交流适配器又重又笨重

　　将商用交流电转换为直流电的交流适配器是学习电源背后基本技术的一个很好的例子。过去，AC 适配器通常是笨重的大件物品，但如今它们更轻、更小，例如手机充电器。这是因为自 2000 年代初以来，切换方法已成为主流，取代了传统的线性方法。

　　下面讨论线性方法和开关方法之间的区别，但首先，让我们看一个简单的传统交流适配器——一种没有稳压电路的简单线性电源。这种AC适配器电路简单，成本低，用于座机无绳电话、台式电脑扬声器、电动工具等。虽然从外观上很难分辨，但它的重量和体积大部分归因于内部的电源变压器，由绕在实心铁芯上的线圈组成。电源变压器将 100V 交流电压转换为较低的交流电压。随后，使用二极管对交流电流进行整流——这些元件使电流在一个方向上通过，但在相反方向上阻止它。

　　即使经过整流，电流仍然是脉动的，远非干净的直流电流，因此它被基于电容器的平滑电路进一步拉平。电容器存储电荷，这是电容器的基本特性。下图所示的整流电路是使用二极管桥式配置（全波整流方式）的示例。即使交流电流反转其方向，流向电容器的电流始终是相同方向的，从而为电容器充电。在脉动电流中，电流和电压都以周期性的方式大幅波动，电容器相应地释放其储存的能量以抑制这些波动。平滑电路需要大容量电容器；因此，通常使用铝电解电容器。此外，

　　稳定的直流电源对数字电子设备至关重要

　　AC-DC 电源（如 AC 适配器）的功能是从商用 AC 电源获取 DC。但是，DC的质量差别很大。在一个简单的交流适配器中，即使在脉动电流被平滑之后，波形中仍然存在纹波。商用交流输入的电压波动也会使直流输出的电压不稳定。这些缺陷对于电池充电等任务来说可能不是问题，但可能导致低压 IC 出现故障，从而需要更均匀和稳定的直流电流。为此目的配备稳压电路（稳压器）的电源称为稳压电源。

　　稳压电源根据使用的方法大致分为线性电源和开关电源。自真空管时代以来，线性电源就一直在使用。原理很简单：通过在电路中加入一个可变电阻来调整输出电压。齐纳二极管和三端 IC（也称为三端稳压器）是用作可变电阻器的组件的示例。

　　齐纳二极管也称为恒压二极管。常规二极管通过允许电流沿一个方向而不是相反方向流动而用作整流元件。但是，如果反向施加电压并不断增加，最终将达到阈值，二极管突然开始通过电流。齐纳二极管利用这种现象允许电流仅在一定电压以上流动。因此，它可用于保持恒定的输出电压。

　　三端IC是检测由齐纳二极管设定的电压（称为基准电压）与实际输出电压之间的差异，并通过晶体管放大和校正来稳定电压的组件。它被称为“三端 IC”，因为整个电路构建在一个芯片上，具有三个端子：IN、OUT 和 GND（接地）。由于其体积小且易于使用，它们已被广泛用于电子设备中。它们确实会产生大量热量，需要使用散热器进行散热，因此不适合功率要求较大的电源。然而，由于电路简单、噪声低，它们经常用于测量仪器、医疗设备和高端音频设备。

　　开关电源推动了小型化、轻量化和高效率

　　我们终于得到了开关电源的解释。我们身边最常见的一种开关电源就是手机的AC适配器。虽然它的电路比前面提到的初级交流适配器复杂得多，但由于稳定电路中使用了 IC，它非常紧凑。它没有一个又大又重的电源变压器这一事实解释了它的小尺寸和重量。

　　开关电源体现了许多技术，这些技术在历史上一直是电力电子的核心。从 1960 年左右开始，半导体（二极管、晶体管等）开始取代真空管，但尺寸和效率的改进进展缓慢。这是线性电源固有的，因为散热片是为晶体管散热所必需的，而且变压器又重又笨重。

　　开关电源采用了完全不同的方法来克服线性电源的缺点。（他们的发展受到美国宇航局的阿波罗计划的推动。）这两种方法的主要区别在于线性电源使用变压器转换商用交流电的电压并随后对其进行整流。开关电源先将交流电整流为直流电，然后再转换电压。一旦电流被整流，电压就不能再用变压器进行转换。相反，半导体（晶体管和 MOS FET）驱动高速开关动作，将整流后的电流转换为脉冲波，然后将其馈送到转换电压的高频变压器。这使电路复杂化并且需要更多的元件，但这正是开关电源的精髓所在。

　　开关电源有几种控制方法，但最常见的是 PWM（脉冲宽度调制）方法。调整脉冲的宽度（电流打开和关闭的时间），以使每个脉冲的“面积”（如图所示）归一化，以稳定电压。在效率方面，这种方式远优于线性电源，线性电源在稳压过程中不断将部分功率作为热量丢弃。开关电源非常高效，因为它形成的输出功率就像是在剪切和粘贴波形一样，浪费的电能非常少。

　　变压器的大小与其设计处理的频率成反比。商用交流电的频率低50或60Hz，所以线性电源中的变压器必然又大又重。另一方面，开关电源的脉冲波频率非常高——几十到几百千赫——一个更小更轻的变压器就足够了。然而，在高频下，由于功率损耗过大，带有铁芯的变压器变得不切实际。这就是铁氧体磁芯变得不可或缺的地方。例如，电源效率仅提高 1%，就可以对整个社会产生巨大的节能效果。这就是为什么在电力电子领域对 TDK 的铁氧体技术寄予厚望的原因。也就是说，开关电源也有其弱点：主要是由于高速开关产生的噪声。传统上，电源长期以来一直代表着与热量的斗争，而噪音是一个额外的挑战。这是 TDK 技术发挥作用的另一个领域。