開關電源 （SMPS），有時也稱為開關電源，已成為高效電源轉換的主力軍，將電源電壓交流輸入轉換為低壓直流輸出。AC-DC開關模式轉換器無處不在;筆記本電腦的外部臺式機電源、機頂盒內部以及智能手機的壁式充電器。
過去，電源轉換的線性方法執行轉換任務。線性電源通常需要帶有模擬“線性”調節電路的笨重變壓器。由于平均轉換效率低于 65%，變壓器會產生相對大量的廢熱，這需要耗散。
相比之下，開關電源結構緊湊、省電，通常優于 85%，而且重量輕。從設計角度來看，開關電源也非常靈活，使設計人員能夠找到滿足其最終產品可能具有的任何電源要求的最佳解決方案。
在新產品開發周期的某個階段，工程團隊面臨著電源設計任務。考慮到他們可能正在從頭開始設計產品，可能會有一種誘惑，即在電源上繼續采用這種方法。然而，與電子工程的許多其他方面一樣，電源設計是一項專業技能。
開關模式原理
開關模式轉換的原理適用于 AC-DC 和 DC-DC 電源。對于AC-DC電源，在DC-DC轉換階段之前，有幾個階段，包括對單相230Vac或三相400Vac 50Hz電源電壓進行整流。
在這兩種情況下，在DC-DC轉換級中，功率半導體的初級電路（電源開關電路）向變壓器產生高頻交流電壓。這會導致初級繞組中的電流在次級繞組中感應出交流電，從而產生次級電壓。變壓器的繞組比指定升壓或降壓。次級電路對高頻電壓進行整流，并可產生反饋信號到初級電子設備進行調節。
開關電源的架構
輸入濾波器
輸入濾波器用于消除電源輸入上的任何破壞性電壓瞬變和浪涌，防止其進入電源并造成電源損壞。該濾波器還有助于消除開關電路內產生的任何電磁干擾 （EMI），使其無法傳導到交流電源。
開關電路通常工作在25kHz至500kHz的頻率范圍，是EMI的源。從電源輸入的噪聲有兩個分量：共模和差模。共模與在帶電或中性線與大地之間測量的噪聲有關。差分噪聲介于實時噪聲和中性噪聲之間。
電感器/扼流圈和電容器的組合形成濾波器布置，以衰減這兩種類型的噪聲。
整流
濾波后的交流輸入電壓通過橋式整流器布置，產生脈動直流電壓。平滑“大容量”電容器可消除整流電壓中的線路紋波，并提供電壓保持功能。
功率因數校正
這是任何大于 75 W 的電源設計（以及大于 20 W 的 LED PSU）的一個重要方面，它與使用的實際功率與實際消耗的視在電流之間的差異有關，以比率表示;這是功率因數。
在理想情況下，這個比率應該是統一的（1）。然而，整流級中使用的“大容量”電容器的充電電流行為會扭曲正弦交流電源波形。
無源功率因數校正技術通常在帶電輸入中使用電感器來降低正弦波的峰值，從而減少潛在的諧波失真并提高功率因數。但是，這會降低效率。
如今，大多數AC-DC開關電源都采用有源功率因數校正技術。升壓轉換器電路通常用于控制波形的形狀（提高功率因數）并限制諧波失真。
切換功能
它們由開關功率半導體、變壓器和驅動器IC組成，共同為變壓器產生高交流電壓。變壓器的匝數比允許電壓的升壓或降壓，并提供隔離柵。
開關頻率可在 25kHz 至 500kHz 或更高之間變化。PWM信號的頻率和/或占空比可能因施加在輸出端的負載而異。
在開關功能設計過程中，遵守 EMI 最佳實踐對于最大限度地減少傳導和輻射 EMI 以滿足監管標準至關重要。
直流輸出和線路電壓調節
變壓器的次級輸出通過整流器傳遞到負載。平滑電容器和濾波元件也是此功能的一部分。輸出電壓還饋送一個比較器放大器，該放大器將輸出與基準電壓進行比較，以提供嚴格的電壓調節。
光隔離器為向主PWM驅動電路提供反饋，提供電流安全屏障，相應地調整驅動器以糾正任何輸出電壓偏差。
目前市面上大多數開關電源都非常高效，從85%到95%是常態。電源內部損耗產生的大多數廢熱通過傳導消散。然而，根據所使用的技術，特別是對于提供超過 150 瓦的高輸出電源，可能需要強制風冷。
通過增加變速風扇和相關控制電路，可以滿足這一要求。然而，功率高達1500 W的較新技術都具有很高的效率，表明可以將產生的熱量轉移到散熱器或傳導冷卻的“冷板”區域，從而避免了對嘈雜和對老化敏感的風扇的需求。更高功率的型號使用液體冷卻，將產生的熱量轉移到另一個區域。
選擇 AC-DC 開關電源
在選擇AC/DC開關電源時，除了所需的電氣規格（如輸入和輸出電壓、功率處理和運行效率）外，產品數據表上還有其他幾個因素需要研究。
什么是線路調整率？大多數開關模式電源將其輸出電壓調節到標稱輸出的 +/- 3% 以內。這對您的最終產品來說足夠了嗎？此外，這是否在所有負載條件下都保持不變，例如從 10% 負載到 100% 負載？
它是否具有峰值輸出或升壓能力？例如，這個有用的功能允許在短時間內繪制 150% 的滿載。電機啟動可以從中受益，允許選擇額定值更低、更便宜的電源，而不是必須使用更昂貴的電源來適應整個峰值負載。
不要忘記確保電源符合所有相關的國際和國家/地區特定能源效率、安全和電磁干擾法規。標準規定了滿載和 10% 負載時的最低能效水平，以及空載條件下的最大能耗。在美國，相關標準是 DoE VI 級，在歐洲，相關標準是 EcoDesign 2019/1782。
通用安全法規包括針對 IT 和 AV 設備的 IEC 62368-1，如果您有醫療產品，還包括 IEC 60601-1。對于家用電器產品，有 IEC 60335-1 指令。
其他指令包括對 LED 照明、HVAC 和其他應用的特殊要求。EMI標準CISPR32和FCC20870規定了電磁干擾和敏感性的要求。
指定開關模式AC-DC電源并非易事，因為必須考慮所有安全法規。開關模式電源是一種節能且緊湊的方法，可為任何離線終端產品供電。它們涵蓋 90 Vac 至 264 Vac 的通用交流輸入電壓范圍，并具有來自信譽良好的供應商的各種流行的標稱直流輸出電壓。如果您需要有關電源選擇的建議，請與我們聯系，討論您的要求。
