【導讀】電源是將來自能量源（如供電網）的電流轉換為負載（如電機或電子設備）用電所需電壓值的電氣設備。電源主要有兩種設計：線性電源和開關電源。 

電源是什麼？

電源是將來自能量源（如供電網）的電流轉換為負載（如電機或電子設備）用電所需電壓值的電氣設備。

電源主要有兩種設計：線性電源和開關電源。 

●    線性電源：線(xian)性(xing)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)利(li)用(yong)變(bian)壓(ya)器(qi)來(lai)降(jiang)低(di)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)，然(ran)後(hou)對(dui)電(dian)壓(ya)整(zheng)流(liu)並(bing)轉(zhuan)換(huan)為(wei)直(zhi)流(liu)電(dian)壓(ya)，再(zai)進(jin)行(xing)濾(lv)波(bo)以(yi)改(gai)善(shan)波(bo)形(xing)質(zhi)量(liang)。線(xian)性(xing)電(dian)源(yuan)使(shi)用(yong)線(xian)性(xing)穩(wen)壓(ya)器(qi)來(lai)保(bao)持(chi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)恒(heng)定(ding)。線(xian)性(xing)穩(wen)壓(ya)器(qi)以(yi)熱(re)量(liang)的(de)形(xing)式(shi)耗(hao)散(san)任(ren)何(he)多(duo)餘(yu)的(de)能(neng)量(liang)。

●    開關電源:開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)是(shi)一(yi)種(zhong)較(jiao)新(xin)的(de)方(fang)法(fa)，它(ta)可(ke)以(yi)解(jie)決(jue)線(xian)性(xing)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)中(zhong)存(cun)在(zai)的(de)許(xu)多(duo)問(wen)題(ti)，包(bao)括(kuo)變(bian)壓(ya)器(qi)尺(chi)寸(cun)和(he)電(dian)壓(ya)調(tiao)節(jie)問(wen)題(ti)。在(zai)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)中(zhong)，輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)不(bu)再(zai)被(bei)降(jiang)低(di)，而(er)是(shi)在(zai)輸(shu)入(ru)端(duan)進(jin)行(xing)整(zheng)流(liu)和(he)濾(lv)波(bo)；然後通過斬波器將其轉換為高頻脈衝序列；在電壓到達輸出端之前
，再次進行濾波和整流。

開關電源的工作原理

長久以來，線性AC / DC電(dian)源(yuan)一(yi)直(zhi)被(bei)用(yong)於(yu)將(jiang)公(gong)用(yong)電(dian)網(wang)的(de)交(jiao)流(liu)電(dian)轉(zhuan)換(huan)為(wei)直(zhi)流(liu)電(dian)，用(yong)於(yu)家(jia)用(yong)電(dian)器(qi)或(huo)照(zhao)明(ming)用(yong)電(dian)。但(dan)大(da)功(gong)率(lv)應(ying)用(yong)越(yue)來(lai)越(yue)需(xu)要(yao)更(geng)小(xiao)的(de)電(dian)源(yuan)。線(xian)性(xing)電(dian)源(yuan)被(bei)降(jiang)級(ji)到(dao)特(te)定(ding)的(de)工(gong)業(ye)和(he)醫(yi)療(liao)用(yong)途(tu)中(zhong)，因(yin)其(qi)低(di)噪(zao)聲(sheng)讓(rang)它(ta)在(zai)這(zhe)類(lei)應(ying)用(yong)中(zhong)仍(reng)有(you)用(yong)武(wu)之(zhi)地(di)
；而開關電源因為體積小、效率高並且能夠處理大功率，已經很大程度上替代了線性電源。圖1闡明了在開關電源中
，交流電（AC）到直流電（DC）的一般轉換過程。

圖1: 隔離式AC/DC開關電源

輸入整流

整流是將交流電壓轉換為直流電壓的過程。輸入信號的整流是開關模式AC / DC電源的第一步。

直流電壓通常被認為是恒定的直線電壓，就像電池提供的電壓那樣。 但實際上，直流電（DC）被定義為單向電荷流。這意味著直流電壓沿同一方向流動，但不一定是恒定的。

正弦波交流電（AC）正(zheng)弦(xian)波(bo)是(shi)最(zui)典(dian)型(xing)的(de)電(dian)壓(ya)波(bo)形(xing)，其(qi)前(qian)半(ban)周(zhou)期(qi)為(wei)正(zheng)，後(hou)半(ban)周(zhou)期(qi)為(wei)負(fu)。如(ru)果(guo)負(fu)半(ban)周(zhou)期(qi)反(fan)相(xiang)或(huo)消(xiao)除(chu)

，則(ze)電(dian)流(liu)將(jiang)停(ting)止(zhi)交(jiao)替(ti)，變(bian)為(wei)直(zhi)流(liu)電(dian)。這(zhe)個(ge)轉(zhuan)換(huan)過(guo)程(cheng)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)整(zheng)流(liu)來(lai)實(shi)現(xian)。

利用無源半橋整流器中的二極管，可以消除正弦波的負半部分，從而實現整流（參見圖2）。二極管允許電流在波的正半周期通過，並在電流沿相反方向流過時截止電流。

圖2: 半橋整流器

正(zheng)弦(xian)波(bo)經(jing)過(guo)整(zheng)流(liu)後(hou)將(jiang)具(ju)有(you)較(jiao)低(di)的(de)平(ping)均(jun)功(gong)率(lv)，無(wu)法(fa)有(you)效(xiao)為(wei)設(she)備(bei)供(gong)電(dian)。另(ling)一(yi)種(zhong)更(geng)有(you)效(xiao)的(de)方(fang)法(fa)是(shi)改(gai)變(bian)負(fu)半(ban)波(bo)的(de)極(ji)性(xing)
，將(jiang)其(qi)變(bian)為(wei)正(zheng)波(bo)。這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)稱(cheng)為(wei)全(quan)波(bo)整(zheng)流(liu)，它(ta)隻(zhi)需(xu)要(yao)四(si)個(ge)二(er)極(ji)管(guan)做(zuo)全(quan)橋(qiao)配(pei)置(zhi)即(ji)可(ke)（見圖3）。不管輸入電壓的極性如何，這種配置都可以確保穩定的電流方向。

圖3: 全橋整流器

相(xiang)比(bi)半(ban)橋(qiao)整(zheng)流(liu)

，經(jing)過(guo)全(quan)波(bo)整(zheng)流(liu)的(de)波(bo)形(xing)平(ping)均(jun)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)更(geng)高(gao)
，但(dan)仍(reng)與(yu)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)供(gong)電(dian)所(suo)需(xu)的(de)恒(heng)定(ding)直(zhi)流(liu)波(bo)形(xing)相(xiang)差(cha)甚(shen)遠(yuan)。盡(jin)管(guan)它(ta)已(yi)經(jing)是(shi)一(yi)個(ge)直(zhi)流(liu)波(bo)形(xing)
，但(dan)從(cong)電(dian)壓(ya)波(bo)的(de)形(xing)狀(zhuang)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，電(dian)壓(ya)變(bian)化(hua)非(fei)常(chang)快(kuai)而(er)且(qie)頻(pin)繁(fan)，用(yong)這(zhe)樣(yang)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)為(wei)設(she)備(bei)供(gong)電(dian)效(xiao)率(lv)會(hui)很(hen)低(di)。直(zhi)流(liu)電(dian)壓(ya)的(de)這(zhe)種(zhong)周(zhou)期(qi)性(xing)變(bian)化(hua)稱(cheng)為(wei)紋(wen)波(bo)，減(jian)少(shao)或(huo)消(xiao)除(chu)紋(wen)波(bo)對(dui)於(yu)實(shi)現(xian)高(gao)效(xiao)電(dian)源(yuan)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。

減少紋波最簡單、最常用的方法是在整流器輸出端添加一個大電容
，稱為儲能電容器或平滑濾波器（見圖4）。

gaidianrongqizaibofengqijiancunchudianya，ranhouweifuzaitigongdianliu，zhidaoqidianyaxiaoyuzhengzaishangshengdezhengliudianyaboweizhi。qichanshengdeboxingjianggengjiejinsuoxudexingzhuang，yekeyirenweishimeiyoujiaoliufenliangdezhiliudianya。zhegezuizhongdedianyaboxingjiukeyiweizhiliushebeigongdianle。

圖4: 帶平滑濾波器的全橋整流器

無源整流器采用半導體二極管作為非受控開關
，這是最簡單的交流波整流方法
，但並不是最有效的方法。

二極管是相對高效的開關。它們能夠以最小功耗快速導通和關斷。但它唯一的問題是存在0.5V至1V的正向偏置壓降，這會降低效率。

有源整流器采用可控開關代替了二極管，例如MOSFET或BJT晶體管（見圖5）。它有兩個優勢：首先，晶體管整流器沒有半導體二極管固有的0.5V至1V壓降，因為其電阻可以任意小
，因此壓降也很小；其次
，晶體管是受控開關
，這意味著開關頻率可以調節，並進而優化。

其缺點是，有源整流器需要更複雜的控製電路才能實現其目標，這需要額外的組件，因此成本更高。

圖5: 全橋有源整流器

功率因數校正（PFC）

開關電源設計的第二步是功率因數校正（PFC）。

PFC電路對交流電到直流電的實際轉換貢獻不大
，但它卻是大多數商用電源的重要組成部分。 

圖6: 整流器輸出端的電壓和電流波形

觀察整流器儲能電容器的電流波形（請參見圖6），會發現充電電流在很短的時間跨度內流經電容器；具ju體ti而er言yan
，是shi從cong電dian容rong器qi輸shu入ru端duan電dian壓ya大da於yu電dian容rong器qi電dian荷he的de那na一yi點dian
，到dao整zheng流liu信xin號hao峰feng值zhi之zhi間jian。這zhe會hui導dao致zhi電dian容rong器qi中zhong產chan生sheng一yi係xi列lie短duan電dian流liu尖jian峰feng，不bu僅jin會hui對dui電dian源yuan造zao成cheng嚴yan重zhong問wen題ti
，還hai會hui影ying響xiang整zheng個ge電dian網wang。因yin為wei這zhe些xie電dian流liu尖jian峰feng會hui注zhu入ru電dian網wang並bing產chan生sheng大da量liang諧xie波bo。而er諧xie波bo會hui產chan生sheng失shi真zhen，可ke能neng會hui影ying響xiang連lian接jie到dao電dian網wang的de其qi他ta電dian源yuan和he設she備bei。

在開關電源設計中
，功率因數校正電路的目的就是濾除這些諧波，使之最小化。功率因數校正電路有兩種類型：有源和無源。

●    無源PFC電路由無源低通濾波器組成
，這些濾波器會嚐試消除高頻諧波。但是
，僅使用無源PFC，還無法使電源（尤其是在大功率應用中）符合國際諧波噪聲規範。必須采用有源功率因數校正。

●    有源PFC可(ke)以(yi)改(gai)變(bian)電(dian)流(liu)波(bo)形(xing)的(de)形(xing)狀(zhuang)，使(shi)其(qi)跟(gen)隨(sui)電(dian)壓(ya)波(bo)形(xing)。諧(xie)波(bo)被(bei)轉(zhuan)移(yi)到(dao)更(geng)高(gao)的(de)頻(pin)率(lv)上(shang)，因(yin)此(ci)更(geng)容(rong)易(yi)被(bei)濾(lv)除(chu)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，最(zui)常(chang)應(ying)用(yong)的(de)電(dian)路(lu)是(shi)升(sheng)壓(ya)（boost，或step-up）變換器。

隔離：隔離式與非隔離式開關電源

無論是否存在PFC電路，電源變換的最後一步都是將整流後的直流電壓降低到適合預期應用的適當幅度。

由於輸入的交流波形在輸入端進行整流
，因此直流電壓輸出很高：沒有PFC時，整流器的輸出直流電壓將約為320V；存在有源PFC電路時，升壓變換器的輸出將為400V或更高的穩定直流電壓。

對大多數隻需要很低電壓的應用而言
，這兩種情況下的高電壓都極其危險
，而且沒必要。表1列出了選擇正確的隔離拓撲時應考慮的幾個方麵，包括變換器和應用。

表1: 隔離式和非隔離式AC/DC電源

降壓方式的選擇主要關乎安全性。

電(dian)源(yuan)的(de)輸(shu)入(ru)端(duan)連(lian)接(jie)到(dao)交(jiao)流(liu)電(dian)力(li)幹(gan)線(xian)，這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)如(ru)果(guo)輸(shu)出(chu)端(duan)漏(lou)電(dian)，這(zhe)種(zhong)程(cheng)度(du)的(de)電(dian)擊(ji)會(hui)導(dao)致(zhi)人(ren)員(yuan)嚴(yan)重(zhong)傷(shang)害(hai)甚(shen)至(zhi)死(si)亡(wang)
，而(er)且(qie)會(hui)損(sun)壞(huai)連(lian)接(jie)到(dao)輸(shu)出(chu)端(duan)的(de)任(ren)何(he)設(she)備(bei)。

將連接電力幹線的AC / DC電源輸入和輸出電路磁隔離可以確保安全。隔離式AC / DC電源中應用最廣泛的電路是反激變換器和諧振LLC變換器，因為它們均具有電隔離或磁隔離（請參見圖7）。

圖7: 反激變換器（左）和LLC諧振變換器（右）

采cai用yong變bian壓ya器qi意yi味wei著zhe信xin號hao不bu能neng是shi平ping坦tan的de直zhi流liu電dian壓ya。相xiang反fan，電dian壓ya必bi須xu變bian化hua
，因yin此ci電dian流liu也ye必bi須xu變bian化hua
，這zhe樣yang才cai能neng通tong過guo感gan應ying耦ou合he將jiang能neng量liang從cong變bian壓ya器qi的de一yi側ce傳chuan遞di到dao另ling一yi側ce。因yin此ci
，反fan激ji變bian換huan器qi和heLLC變換器都將輸入直流電壓“斬波”為方波，然後再通過變壓器降壓。最後，在輸出之前，再次對波形進行整流。

反激變換器主要用於低功率應用，它也是一種隔離式降壓-升壓變換器，其輸出電壓可以高於或低於輸入電壓，具體取決於變壓器的初級繞組與次級繞組之間的匝數比。

反激變換器的操作與升壓變換器非常相似。

當開關閉合時

，初級線圈通過輸入進行充電並形成磁場
；當開關打開時，初級電感器中的電荷轉移到次級繞組
，次級繞組向電路中注入電流，從而為負載供電。

fanjibianhuanqixiangduieryanjiaoyisheji，xiangbiqitabianhuanqixuyaodezujiangengshao，dantaxiaolvbugao，yinweitaqiangzhijingtiguanrenyidaotongheguanduan，zhezhongyingqiehuanhuizaochengjudadesunhao（參見圖8）。特別是在大功率應用中，這會縮短晶體管壽命，並產生巨大的功耗。因此，反激變換器更適合功率通常最高100W的低功率應用。

諧振LLC變換器則普遍應用於大功率應用。其電路也通過變壓器進行磁隔離。LLC變換器基於諧振現象
，即當工作頻率與濾波器固有頻率匹配時，該頻率將被放大。在這種情況下，LLC變換器的諧振頻率由串聯的電感與電容（LC濾波器）定義，同時還受變壓器初級電感（L）的附加作用影響，因此被命名為LLC變換器。

LLC諧振變換器是大功率應用的首選，因為它們可以產生零電流開關
，也稱為軟開關（見圖8）。當電路中的電流接近零時，它可以導通和關斷開關，將晶體管的開關損耗降至最低，從而降低EMI並提高效率。不過，這種性能的提升需要付出一定的代價：設計能夠在各種負載條件下實現軟開關的LLC諧振變換器非常困難。為此，MPS開發了一種特殊的LLC設計工具

，它可以確保變換器在正確的諧振狀態下工作，從而實現最佳開關效率。

圖8: 硬開關（左）和軟開關（右）損耗

前文提到過，AC / DC電源的局限性之一是輸入變壓器的尺寸和重量。這是因為輸入變壓器的低工作頻率（50Hz）需要較大的電感器和磁芯，才能避免飽和。

在開關電源中，電壓的振蕩頻率明顯更高（至少高於20kHz）。這zhe意yi味wei著zhe降jiang壓ya變bian壓ya器qi可ke以yi更geng小xiao，因yin為wei高gao頻pin信xin號hao在zai線xian性xing變bian壓ya器qi中zhong產chan生sheng的de磁ci損sun耗hao較jiao小xiao。輸shu入ru變bian壓ya器qi的de尺chi寸cun變bian小xiao了le，係xi統tong就jiu可ke以yi小xiao型xing化hua，才cai有you可ke能neng實shi現xian將jiang整zheng個ge電dian源yuan都dou裝zhuang進jin手shou機ji充chong電dian器qi中zhong

，就jiu像xiang我wo們men現xian在zai所suo使shi用yong的de。

有些直流設備並不需要變壓器提供隔離。這在不需要用戶直接觸摸的設備（例如燈
、傳感器、IoT等）中很常見，因為對設備參數的任何處理都是在單獨的設備（例如手機
、平板電腦或計算機）上完成的。

這對設備的重量
、尺chi寸cun和he性xing能neng都dou有you很hen大da益yi處chu。這zhe些xie變bian換huan器qi利li用yong高gao電dian壓ya降jiang壓ya變bian換huan器qi降jiang低di了le輸shu出chu電dian壓ya水shui平ping。其qi電dian路lu可ke以yi認ren為wei是shi之zhi前qian提ti到dao的de升sheng壓ya變bian換huan器qi的de反fan相xiang電dian路lu。在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia，當dang晶jing體ti管guan開kai關guan閉bi合he時shi，流liu經jing電dian感gan的de電dian流liu會hui在zai電dian感gan兩liang端duan產chan生sheng一yi個ge電dian壓ya，它ta會hui抵di消xiao來lai自zi電dian源yuan的de電dian壓ya，從cong而er降jiang低di輸shu出chu端duan的de電dian壓ya。當dang開kai關guan打da開kai時shi
，電dian感gan釋shi放fang電dian流liu供gong給gei負fu載zai，在zai電dian路lu與yu電dian源yuan斷duan開kai時shi保bao持chi負fu載zai上shang的de電dian壓ya值zhi。

AC / DC開關電源采用高電壓降壓變換器，因為充當開關的MOSFET晶體管必須能夠承受較大的電壓變化（見圖9）。當開關閉合時
，MOSFET兩端的電壓接近0V；但當它打開時，在單相應用中，該電壓上升至400V
，在三相變換器中，該電壓上升至800V。這些突然的高電壓變化很容易損壞普通晶體管，因此要使用特殊的高電壓MOSFET。 

圖9: 帶有源PFC的非隔離式AC/DC開關電源

降壓變換器比變壓器更易集成，因為它隻需要一個電感。其降壓效率也更高
，正常情況下其效率高達95％。實現這種高效率是因為晶體管和二極管幾乎沒有開關功耗，唯一的損耗來自電感。

MPS MP17xA係列即為一款非隔離式AC / DC電源輸出穩壓器。該係列設備可以控製多種不同的變換器拓撲，例如降壓

、升壓、降壓-升壓或反激。它最高支持700V的de電dian壓ya
，因yin此ci適shi用yong於yu單dan相xiang電dian源yuan。該gai器qi件jian還hai具ju有you綠lv色se模mo式shi選xuan項xiang，在zai該gai模mo式shi下xia，開kai關guan頻pin率lv和he峰feng值zhi電dian流liu與yu負fu載zai成cheng比bi例li下xia降jiang
，這zhe提ti高gao了le電dian源yuan的de整zheng體ti效xiao率lv。圖tu10顯示了MP173A的典型應用電路，它在其中調節由電感（L1）、二極管（D1）和電容（C4）組成的降壓變換器。電阻（R1和R2）構成一個分壓器，用於提供反饋電壓（FB引腳）以閉合控製環路。 

圖10: MP173A典型應用電路

AC/DC開kai關guan電dian源yuan以yi更geng小xiao的de尺chi寸cun提ti供gong了le更geng高gao的de性xing能neng，因yin此ci更geng受shou設she計ji師shi的de歡huan迎ying。其qi缺que點dian是shi電dian路lu要yao複fu雜za很hen多duo，而er且qie需xu要yao更geng精jing確que的de控kong製zhi電dian路lu和he噪zao聲sheng消xiao除chu濾lv波bo器qi。在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia，MPS仍然提供了簡單有效的解決方案，讓您的AC / DC電源開發工作更加輕鬆。

總結

AC / DC開關電源是目前將交流電源轉換為直流電源最有效的方法。其電源轉換分為三個階段：

1. 輸入整流：輸入的市電交流電壓通過二極管電橋被轉換為直流整流波。在電橋的輸出端增加一個電容器可以降低紋波電壓。

2. 功率因數校正（PFC）：由於整流器中存在非線性電流，因此電流的諧波含量非常大。有兩種方法可以解決此問題：一種方法是采用無源PFC，它使用濾波器來抑製諧波影響
，但這種方法效率不高；第二種方法稱為有源PFC，它使用開關升壓變換器，使電流波形跟隨輸入電壓波形。有源PFC是使電源變換器滿足當前尺寸與效率標準的唯一方法。

3. 隔離：開kai關guan電dian源yuan可ke以yi是shi隔ge離li的de，也ye可ke以yi是shi非fei隔ge離li的de。當dang電dian源yuan的de輸shu入ru和he輸shu出chu未wei物wu理li連lian接jie時shi，設she備bei處chu於yu隔ge離li狀zhuang態tai。隔ge離li可ke以yi通tong過guo變bian壓ya器qi實shi現xian，變bian壓ya器qi將jiang電dian路lu的de兩liang半ban部bu分fen電dian氣qi隔ge離li。但dan變bian壓ya器qi隻zhi能neng在zai電dian流liu產chan生sheng變bian化hua時shi傳chuan輸shu電dian力li，因yin此ci整zheng流liu後hou的de直zhi流liu電dian壓ya會hui被bei斬zhan波bo為wei高gao頻pin方fang波bo，然ran後hou再zai傳chuan輸shu到dao次ci級ji電dian路lu中zhong
；隨後再次進行整流，並最終傳遞到輸出。

設計開關電源需要考慮方方麵麵，尤其是安全性、性能
、尺寸和重量等。開關電源的控製電路也比線性電源複雜，很多設計人員發現，在電源中采用集成模塊有很大幫助。

MPS提供了多種可簡化開關電源設計的模塊
，例如電源變換器
、控製器、整流器等。 

來源：MPS

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