在上一篇文章（鏈接： ）中我講解了交流變直流電路以及線性穩壓器的原理及優缺點，現在我來回顧一下：

常見的220V50Hz交流市電經過變壓、整流、濾波電路之後，可以輸出紋波較大的直流電壓：

然而這種方式並不能適應變化的負載，接上不同的負載後輸出電壓會變化，不能很好的提供穩定的直流電壓。

所以我介紹了一種線性穩壓器，它可以輸出平穩的直流電以及適應變化的負載：

但是它的缺點就是過大的調整管損耗，因此線性穩壓器並不太適合大電流，大功率的輸出。那麼這篇文章我將會講解一個更為高效的，損耗更小的電源--開關電源

PWM（pulse-width modulation）

在解釋什麼是開關穩壓電源之前，我先要解釋一些什麼是PWM。PWM稱為脈衝寬度調製，是一種常用的控制方法。通過週期性改變方波的佔空比以及頻率，可以等效的獲得各種我們需要的波形。下面通過一個簡單的例子來說明PWM的作用。

假如我有一個直流供電的檯燈（輸入電壓和亮度成正比線性關係），我現在想控制他的亮度，請問我該怎麼辦？如果你有著基礎的電子知識，你肯定知道滑動變阻器，這是一種可以連續改變其自身電阻值的東西。那麼很簡單的，將滑動變阻器串聯到整個電路中，通過調節滑動變阻器的阻值，就可以調節亮度了。

那麼現在有個問題，如果我想設置燈的亮度為最大亮度的一半，那麼假設輸入給燈的電壓與亮度成正比線性關係，那麼我需要給電源電壓一半的電壓給燈。同樣的，這時候滑動變阻器上承受的電壓也為電源電壓的一半。那麼我們可以得知，此時在電源輸出的總功率中，有一半的功率全部會損耗在滑動變阻器上：

那麼這個電路的效率就很低了，一半的功率全部用在了滑動變阻器發熱上，並不經濟，這也就是為什麼我們要使用PWM的原因。

要想提高這個電路的效率，也就是要減少無用功率的損耗，儘量讓全部的功率全部用於發光上。這時候我在原來的電路上去掉滑動變阻器，而是用一個開關代替：

當我閉合開關的時候，電燈就會亮，斷開的時候，電燈就會滅。我以正常的速度不斷的開關這個開關，電燈會不斷的亮滅亮滅。。。

如果我可以高速的控制這個開關不斷的在閉合斷開之間切換，這個電燈就不再會是不斷的亮滅亮滅了，他會一直亮著。這是因為人眼存在視覺暫留現象，對於每秒幀數高於24的視頻來說，我們不會察覺出來其實它是由一幅幅圖片連起來構成的。而如果我將開關的速度提高到千赫茲級，那麼此時燈會高速的亮滅交替，而我看起來感覺燈一直亮著。

如果開關打開的時間和開關閉合的時間相同的話，我就會察覺到燈的亮度下降了一半，因為在單位時間內，有一半的時間燈是熄滅的。而如果我提高開關閉合的時間，減少開關斷開的時間，保持頻率仍然不變的話，我就會察覺到燈泡的亮度變亮了。

可以看到，此時燈泡的亮度是由開關閉合和斷開的時間決定的。而在這個電路中，只有燈泡一個用電器，所以如果假設這個開關是理想開關，以及忽略所有導線電阻以及電池內阻等等，那麼這個電路的效率將會是100%。不過在現實中會因為導線有電阻以及開關損耗等等，會降低一些效率，但是相比最開始我使用的滑動變阻器來調節亮度，可以說是效率高了很多。

那麼這裡我使用的高速開關控制的方法就是屬於PWM控制的範疇，通過改變開關閉合以及斷開時間之比可以改變亮度。所以這裡我要引出一個概念：佔空比

佔空比描述的是開關信號開啟的時間佔整個週期的比值，那麼可以想象，當佔空比越大的時候，代表開關信號開啟時間越長，對應到剛才檯燈的例子就是檯燈越亮了：

那麼有了PWM以及佔空比的概念，去讀懂開關電源的電路就十分簡單了。

降壓型轉換器（buck converter）

降壓型轉換器是開關電源電路的一種，它常用在直流降壓電路中，這個電源內部有一個開關。可能你要問：電源裡面有開關有什麼稀奇的，用來控制電源是否工作嘛~~這裡的開關可不是用來控制電源是否工作的，這裡的開關說的是電子開關，他的用處是用來改變輸出電壓。

關於這個電子開關，我們一般使用場效應管（MOSFET）來代替，由於場效應管有著導通電阻低，速度快的優勢，所以常常被用於開關電源中。下面我給上轉換器的電路圖：

好的現在可以看到大致結構了，我們以下分為兩種情況討論它的原理：

當開關閉合時：

此時電流從整流橋通過電感到負載電阻上，那麼此時電感上的電壓就是左側為正，右側為負。二極管處於反向截止狀態，在這個過程中，電感逐漸被充能。

當開關斷開時：

由於電感上的電流不能突變，因此當開關斷開的一瞬間，電感上電流不會立刻突變，它會繼續維持當前電流方向以及大小。此時電感可以被看作電源，對外輸出能量，因此電感上的電壓左負右正，二極管正向導通，形成迴路，繼續給負載輸出能量。

那麼電感將不斷在充能以及輸出能量之間轉換，開關開啟的時候電感被充能，開關關閉的時候電感對外釋放能量：

那麼如果我們讓每個週期內開關開啟時間更長，並且保持週期不變的情況下，輸入的電壓將會被更多的加載到負載上，也就導致了輸出電壓的升高。

所以通過控制開關開啟和斷開的時間，輸出電壓就可以被調節了。這裡這個電路只是簡單的原理示範，並不能實際應用中。下面我給出降壓轉換器的拓撲圖。

那麼可以看到，電池輸入的電壓進入到轉換器中，然後輸出到負載中，然後通過採集負載端的電壓，將其輸入到PWM控制電路中來調整PWM的佔空比，從而穩定輸出電壓。

降壓型轉換器實際應用（Application of buck converter）

那麼對於一個降壓型轉換器電路，搭建它需要用到很多元件以及需要一個PWM發生器，實際製作起來複雜並且費時間。於是人們吧這些電路全部集成到一個小小的IC芯片中。下面是一款BUCK 轉換器的內部結構圖

其最小外圍電路如下：

在實際使用中，由於使用的開關管工作在飽和區以及截止區，或者使用功率MOS管工作在開關狀態，所以這些器件的功率損耗非常小，在調節輸出電壓上損耗大大降低。而其他器件例如電感以及電容，它們屬於儲能器件，並不會消耗有功功率，因此輸入的全部功率基本上都可以被加載到負載上，大大提升了工作效率。常見的降壓轉換器IC，例如我上圖展示的這款，效率在74%左右，還有效率更加高的降壓轉換器IC，效率甚至可以達到90%以上。

交流開關穩壓電源的應用

降壓轉換器是使用佔空比來調節輸出電壓值，並且常用於直流降壓。那麼在實際使用中，我們需要的是將交流電轉換成直流電，這裡我就來說說交流開關穩壓電源的基本電路吧。其實現在開關電源是生活中比較常見的電源電路了，許多設備都會使用到，例如我們每天都要使用的手機充電器，筆記本電源適配器，ipad適配器等等。。。這些電源設備中用到的全都是開關電源電路，為了更好的理解其工作原理，我給出一張開關電源的結構圖

從左往右依次看這個圖，電源輸入是正弦交流電。首先輸入的交流電經過整流濾波電路後，得到了紋波較小，但是有著高電壓的直流電，然後接下來就是高頻調製電路了。將高電壓的直流電通過一個高頻率的開關後，我們就得到了一個高頻率的交流電信號了，然後通過一個變壓器來改變電壓值，這樣原來電壓很高的高頻交流電幅值被大大減少，最後我們再次使用整流濾波電路去平滑輸出，得到較為穩定的直流電。當輸出電壓變化的時候，輸出的電壓又會被採樣電路送回到PWM控制器，用來控制PWM的佔空比來改變高頻開關的開啟以及關閉時間，從而穩定輸出電壓。整個電路的核心實際上就在開關電路上，通過改變開關的佔空比，從而即可改變輸出電壓的大小。

如果實際的搭建這個電路的話，下面這幅圖可能展示的比較清楚

這裡我還想提及一下為什麼我們需要一個高頻PWM信號去控制高頻開關，出於兩方面的考慮：第一是輸出紋波：假設佔空比不變情況下，每個週期內低頻開關關閉的時間將會較高頻開關更長，那麼勢必要增加電感，電容的大小去存儲更多的能量以便在更長的時間內去維持輸出電壓的穩定，這樣不僅帶來成本的上升，也帶來了體積的增加。

第二是使用高頻可以最大限度減少變壓器的大小。回顧一下使用線性穩壓的電路中，變壓器的位置：

可以看到在線性穩壓電路中，變壓器先被用於變壓，而在此時變壓器的工作頻率將會和輸入交流電壓相同，也就是50HZ。而此時使用在開關電源中的變壓器工作在高頻下。

所以我們根據法拉第電磁感應定律推導得來的公式E=4.4NΦF

那麼我們是否可以無限的提高頻率呢？答案是否定的，因為即使高頻開關管的導通損耗很低，但是其導通以及關斷過程不是瞬間完成的，所以開關管本身的特性會抑制頻率的提高。

交流開關穩壓電源和線性穩壓電源的比較

接下來我再提及一下兩種電源技術的區別。線性穩壓電源需要將交流電先經過變壓整流電路後，再送入到線性穩壓電路中，通過工作在線性區的調整管來動態的控制輸出的電壓。而開關電源是通過高頻的開關的佔空比來調整輸出電壓。兩種電源原理不同，各有千秋。

下面我先來說說線性穩壓器。這種技術實際上是一種比較傳統的穩壓技術，可以提供非常優秀的，純淨的電源輸出，適合對電源有著高要求的設備，例如微型處理器，數模轉換器，射頻電路等等，並且體積較為小巧，電路較為簡單，並且得益與低壓差線性穩壓器（LDO）的發展，線性穩壓在電路中也得到了廣泛使用。但是缺點是效率不高，輸出功率較低。而且如果使用在線性穩壓電源中會用到體積較大的變壓器，顯得比較笨重。

交流開關穩壓電源和線性電源相比呢，會有著更高的輸出功率以及更高的效率。並且由於工作頻率高，變壓器的體積有所減少，可以使用在對體積有著更嚴格要求的項目中。但是有利必有弊，那就是輸出紋波，輸出直流由高頻交流信號整流濾波而來，因此輸出電壓的的紋波比線性電源的大。

所以最後我總結一下兩種電源的使用建議，如果你需要得到非常穩定，乾淨的直流電輸出，那麼選擇線性穩壓電源。如果你的空間非常侷促並且要用在大功率輸出場合，就考慮交流開關穩壓電源吧。

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