電源，是一種能夠提供電能的設備。 開關電源是采用開關管開關技術的電源。 自第二次工業革命以來，伴隨著半導體晶體管的發展，開關電源技術也如火如荼地發展起來，并深入到我們生活中的方方面面。 大到國家電網供電系統，光伏發電，小到家庭照明，個人消費電子，都應用到了開關電源技術。

產品的定位和應用場景不同，導致開關電源的選型和設計方式不盡相同。 比如通信電源，在給通信設備提供電能的同時，我們不希望電源對于設備有不必要的電磁干擾，因此通信電源對于EMI的要求較高。 再比如消費類電源，由于消費產品更追求的是用戶體驗、安全以及價格，所以消費電源傾向于設計高性價比，安全可靠的產品。

什么是開關電源

1. 感性地理解開關電源

開關電源的本質，是能量的傳輸與調理。 生活中各式各樣的設備，都有不同的用電需求，有的需要交流電，有的需要直流電; 有的需要高壓電，有的則需要低壓電。 因此利用開關電源將某一種形態的電能“調理”成另外一種形態的電能，是必要的需求。

關于開關電源的主要“工作”，這里冒昧地用一下開關電源大佬Sanjaya Maniktala提到的一個形象的比喻。 回想一下我們都經歷過的上下班高峰期或春運高峰期，我們有一群人在同一地點，希望到達同一目的地。 顯然這么多人不可能同時乘坐一趟交通工具達到目的地，而是需要把這些人“打包”，一趟一趟地輸送過去。

在送達時間一定的條件下，有兩種輸送方式。 一種方式是將人群“打成大包”，采用大型的交通工具(如地鐵或高鐵)，每隔10分鐘輸送一趟; 另一種是將人群“打成小包”，采用小型的交通工具，每隔1分鐘輸送一趟。

開關電源就是這樣大型或小型的交通工具，而它要“打包”的，不是“人數”，而是“能量”。 開關電源利用開關的特性，鍘刀式地切割能量的大小和份數，然后一份份地從出發地(輸入)送到目的地(輸出，也就是用電設備)。

開關電源的開關頻率影響其存儲和傳輸能量的元器件(電容，電感，變壓器)的體積。 頻率越高，切割的能量顆粒度越小，儲能元件的體積越小。 開關電源的“鍘刀”，即功率開關管MOSFET。 近些年半導體行業的熱詞“氮化鎵GaN”，就是基于GaN材料的MOSFET。 采用GaN MOSFET設計的開關電源，比傳統的基于Si MOSFET的開關電源，具有更高的開關頻率，能量切割的更小，因此體積更小。

交通工具通過控制荷載人數，發車頻率，調整運輸到終點站的人數和時間; 開關電源通過控制開關頻率，占空比，反饋環路，可以實現用戶需要的任意輸出，如恒壓輸出，恒流輸出，甚至恒功率輸出。 可以滿足不同的用戶使用場景，因此靈活性非常高。

2. 從原理上理解開關電源

開關電源全稱為Switching Mode Power Supply(SMPS)，即電源是工作開關模式的。 另外一種電源與之對應，稱為線性電源。 線性電源優點是輸出紋波小，設計簡單，不存在EMI的問題。 缺點就是損耗較大，效率差，只能應用在低功率的場景。 如三端穩壓器，或線性穩壓器(LDO)，都是線性電源。

最基本的線性電源為串聯型穩壓電路。 這種電路適用于輸出電壓不可調，且功率較小的場景，比如產品中IC的供電電路。 線性電源采用的關鍵器件是雙極型晶體管(Bipolar Junctiontransistor, BJT)，BJT在電路中工作在放大狀態，在這種狀態下，晶體管發射極E和基極B之間的電流具有固定的比例放大關系。 通過控制發射極電流(即輸出電流)，實現穩定輸出的目的。

圖3 基本串聯型穩壓電路(左)和具有放大環節的串聯型穩壓電路(右)

另外一種輸出電壓可調的線性電源為具有放大環節的串聯型穩壓電路。 這種線性電源通過引入深度負反饋的放大器和可調采樣電阻，精確穩定輸出電壓。

線性電源采用的BJT晶體管工作在放大狀態，晶體管損耗較大，因此效率較差，整體效率在30%~40%左右，因此并不適用于大功率的應用場景。

開關電源常用的關鍵器件為場效應管，全稱為金屬氧化物半導體場效應管(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor)，簡稱MOS管或開關管。 開關管主要工作在截止區和飽和區，即開關狀態，電路效率可以達到70%~95%。

圖4 MOSFET及其開通和關斷狀態

開關電源有多種固定的電路形態，稱之為拓撲，這些拓撲是歷史上聰明的頭腦們發明并優化出的電路結構。 每種拓撲都有自身的優點和特點，因此不同的使用場景，不同的用戶需求，工程師會采用不同的拓撲進行設計。

常見的開關電源拓撲

1. Buck電路

Buck電路即降壓電路，輸出電壓低于輸入電壓。 Buck電路利用開關管將輸入功率“打包”成一段一段的電壓(方波電壓)，然后經過LC濾波電路輸出給負載。

圖5 Buck電路原理圖

系統通過控制開關管的導通和關斷，實現輸入能量的“打包”。 這種控制方式稱為脈沖寬度調制(PulseWidth Modulation，PWM)，顧名思義，就是利用方波脈沖控制開關管的導通和關斷，通過調整方波高電平的脈沖寬度，實現輸出電壓的控制。

圖6 Buck電路的工作模式

開關管導通時，輸入端給電感充電，同時給輸出供電; 開關管關閉時，輸入被“截斷”，電感通過二極管續流給輸出放電。 在一個開關周期內，開關管導通的比例稱為占空比D(Duty Cycle)，D=1時，輸入輸出直通，輸出電壓等于輸入電壓;D=0時，輸入輸出完全截止，輸出電壓為0;D=50%時，輸出電壓為輸入電壓的一半。 因此可以得出輸入輸出的關系：Vo=Vin*D。 (從另外一個角度看，Buck電路是將一個某占空比的方波，經過LC低通濾波器濾波成直流的一種電路。 )

圖7 占空比D

在許多應用中，為了提高效率，會采用同步整流的方式控制Buck電路。 這種方式會把續流二極管換成另外一只開關管，其導通和關斷的狀態與第一只開關管互補。 利用同步整流的方式，可以彌補二極管損耗較大的缺點，進一步提高電路的整體效率。

圖8 同步整流Buck電路

2. Boost電路

Boost電路為升壓電路，輸出電壓高于輸入電壓。 只需要基于Buck電路，將開關管，二極管以及電感器件逆時針調換位置，就得到了Boost電路。

圖9 Buck電路(左)變換為Boost電路(右)

開關管導通時，電流流過開關管給電感充電，同時通過二極管給負載供電; 開關管關閉時，輸入端和電感共同給負載供電。 輸出與輸入電壓的比例為Vo=Vin/(1-D)。

圖10 Boost電路的工作模式

Boost電路開關管不可以100%導通(D=1)，這種情況下，輸入端被短路。 從輸入輸出公式我們也可以看到，D=1的情況下分母為0，這在數學上不允許出現的。

3. Flyback電路

Flyback又稱反激變換器，是由Boost電路衍生而來的。 由上面兩種電路我們可以看到，Buck/Boost輸入輸出是“共地”的，因此對于一些需要輸入輸出隔離的場景，Buck/Boost拓撲并不合適。 Flyback在輸入端和輸出端采用了隔離變壓器的設計，將“輸入地”和“輸出地”隔離，屬于“離線式(off-line)變換器”。

在了解Boost電路時我們知道，電感在工作中有充電和放電兩種狀態，這兩種狀態是由同一個電感完成的。 我們對這個電感稍作調整，將充電和放電兩種狀態分離開來，即充電由一個電感完成，而這部分電能由另一個電感來釋放。 聽起來不太可能，但是電磁感應的機理使得這種方式成為可能，即耦合電感。

圖11 反激變換器flyback的演變過程

耦合電感形似變壓器，但它實質并不是變壓器，而是兩個電感通過磁芯耦合在一起，分為原邊和副邊。 當開關管導通時，原邊電感充電，并通過電磁感應轉化為磁芯的磁能量; 當開關管關閉時，磁能量再通過電磁感應反向轉化為電感的電能，并通過二極管釋放給輸出。

反激變換器原副邊電感的同名端是反向的(即原副邊繞組朝相反方向繞制)。 為了方便說明，我們分別用Lp和Ls代表原邊和副邊電感。 開關管閉合導通時，輸入電壓通過開關管給Lp充電。 Ls正負與Lp相反，由于二極管的存在，Ls處于截止狀態。

開關管斷開時，Lp的能量通過磁芯耦合輸送到副邊，Ls正負發生反向，并通過二極管輸出給負載。 這時Ls的電壓仍然與Lp存在比例關系，仿佛是副邊電壓“飛到”原邊，因此稱為“Fly-back”。

另外，工程師可以根據需求設計原副邊的匝比，因此flyback可以實現較寬范圍的輸入升降壓功能。

圖12 反激變換器flyback的工作原理

然而實際上，原副邊耦合的程度并非理想中的百分百耦合，而是有一部分并未相互耦合的電感，這個電感稱之為漏感。 在flyback工作時，漏感能量并未通過磁芯耦合到副邊，因此需要有一條路徑消耗掉，否則這些能量會直接消耗在開關管上，損壞開關管。

圖13 未耦合到副邊的漏感

根據消耗路徑的控制方式，flyback又可以分為兩種形態：QR(Quasi-resonance)flyback和ACF(Active Clamp Flyback)。

QR反激是利用開關管工作過程的谷底開通技術，實現電路的準諧振，進而降低開關損耗。 在QR反激中，漏感能量會通過電阻，電容和二極管回路釋放掉，以保護開關管。 這個泄放回路稱為RCD吸收回路。 由于漏感能量完全通過元器件以熱量的形式泄放出來，這種形式拓撲效率略低。

ACF反激以一只開關管代替RCD吸收回路，實現有源鉗位，利用這只開關管與下開關管的互補導通，將漏感能量“回收“回來，進一步提高效率。 由于ACF需要額外增加一顆開關管，因此在成本上略高于QR的方案。

圖14 QR反激和ACF反激

Flyback這種利用電磁耦合實現能量傳輸的方式，雖然結構簡單，易于控制，但是由于漏感的存在，整體效率必然是一個挑戰。 尤其是在大功率的場景，大量的漏感能量被吸收回路泄放掉了，變換器的損耗隨著功率的提升而增加。 因此，因此flyback通常應用在功率在100W以下的場景。