開關模式電源或 SMPS 正在變得越來越普遍，并且在大多數情況下已經取代了傳統的線性交流到直流電源，作為降低功耗、減少散熱以及尺寸和重量的一種方式。
開關模式電源現在可以在大多數 PC、功率放大器、電視、直流電機驅動器等中找到，幾乎任何需要高效電源的東西都可以找到，因為開關模式電源越來越成為一種成熟得多的技術。
根據定義，開關模式電源 (SMPS) 是一種使用半導體開關技術而非標準線性方法來提供所需輸出電壓的電源。 基本開關轉換器由功率開關級和控制電路組成。
電源開關級執行從電路輸入電壓 VIN 到其輸出電壓 VOUT 的電源轉換，其中包括輸出濾波。
與標準線性穩壓器相比，開關模式電源的主要優點是效率更高，這是通過在內部切換晶體管（或功率 MOSFET）在其“ON”狀態（飽和）和“OFF”狀態之間實現的（ 截止），兩者都產生較低的功耗。
這意味著當開關晶體管完全“導通”并傳導電流時，其兩端的電壓降處于其最小值，而當晶體管完全“關斷”時，沒有電流流過它。 所以晶體管就像一個理想的開/關開關。
與僅提供降壓電壓調節的線性穩壓器不同，開關模式電源可以使用三種基本開關模式電路拓撲中的一種或多種來提供輸入電壓的降壓、升壓和負電壓：降壓、升壓和降壓 -促進。 這些名稱指的是晶體管開關、電感器和平滑電容器如何在基本 SMPS 電路中連接在一起。
降壓開關模式電源
降壓開關穩壓器是一種開關模式電源電路，旨在有效地將直流電壓從較高電壓降低到較低電壓，即減去或“降壓”電源電壓，從而降低輸出端可用的電壓 終端不改變極性。 換句話說，降壓開關穩壓器是一個降壓穩壓器電路，例如降壓轉換器可以將 +12 伏特轉換為 +5 伏特。
降壓開關穩壓器是一種 DC-DC 轉換器，是最簡單和最流行的開關穩壓器類型之一。 當在開關模式電源配置中使用時，降壓開關穩壓器使用串聯晶體管或功率 MOSFET（理想情況下是絕緣柵雙極晶體管或 IGBT）作為其主要開關器件，如下所示。
我們可以看到，降壓轉換器的基本電路配置是串聯晶體管開關、TR1 和相關驅動電路（使輸出電壓盡可能接近所需水平）、二極管 D1、電感器 L1 和平滑電路 電容器，C1。 降壓轉換器有兩種工作模式，具體取決于開關晶體管 TR1 是“ON”還是“OFF”。
當晶體管偏置為“ON”（開關閉合）時，二極管 D1 變為反向偏置，輸入電壓 VIN 導致電流通過電感器流向輸出端連接的負載，從而為電容器 C1 充電。
當變化的電流流過電感器線圈時，它會根據法拉第定律產生一個與電流相反的反電動勢，直到它達到穩定狀態，從而在電感器 L1 周圍產生磁場。 只要 TR1 關閉，這種情況就會無限期地持續下去。
當晶體管 TR1 被控制電路“關閉”（開關打開）時，輸入電壓立即與發射極電路斷開，導致電感器周圍的磁場崩潰，從而在電感器上產生反向電壓。
該反向電壓導致二極管正向偏置，因此電感器磁場中存儲的能量迫使電流繼續沿相同方向流過負載，并通過二極管返回。
然后，電感器 L1 將其存儲的能量返回到負載，就像電源一樣提供電流，直到電感器的所有能量返回到電路或直到晶體管開關再次閉合，以先到者為準。 同時電容器也放電，為負載提供電流。 電感器和電容器的組合形成了一個 LC 濾波器，可以消除晶體管開關動作產生的任何紋波。
因此，當晶體管固態開關閉合時，電流由電源提供，而當晶體管開關打開時，電流由電感器提供。 請注意，流過電感器的電流始終沿相同方向，要么直接來自電源，要么通過二極管，但顯然在開關周期內的不同時間。
由于晶體管開關不斷閉合和打開，因此平均輸出電壓值將與占空比 D 相關，占空比 D 定義為晶體管開關在一個完整開關周期內的導通時間。
如果 VIN 是電源電壓，晶體管開關的“ON”和“OFF”時間定義為：tON 和 tOFF，則輸出電壓 VOUT 為：
降壓轉換器的占空比也可以定義為：
因此占空比越大，開關電源的平均直流輸出電壓就越高。 由此我們還可以看出，輸出電壓將始終低于輸入電壓，因為占空比 D 永遠不會達到 1（單位），從而導致降壓穩壓器。
通過改變占空比和高達 200kHz 的高開關速度獲得電壓調節，可以使用更小的組件，從而大大減小開關模式電源的尺寸和重量。
降壓轉換器的另一個優點是，電感-電容 (LC) 排列可以很好地過濾電感電流。 理想情況下，降壓轉換器應在連續開關模式下運行，以使電感器電流永遠不會降至零。 使用理想組件，即“ON”狀態下的零壓降和開關損耗，理想降壓轉換器的效率可高達 100%。
除了用于開關模式電源基本設計的降壓降壓開關穩壓器外，基本開關穩壓器還有另一種用作升壓穩壓器的操作，稱為升壓轉換器。
升壓開關模式電源
升壓開關穩壓器是另一種開關模式電源電路。 它與之前的降壓轉換器具有相同類型的組件，但這次位于不同的位置。 升壓轉換器旨在將直流電壓從較低電壓增加到較高電壓，也就是說，它也會增加或“提升”電源電壓，從而在不改變極性的情況下增加輸出端子處的可用電壓。 換句話說，升壓開關穩壓器是升壓穩壓器電路，例如升壓轉換器可以將 +5 伏轉換為 +12 伏。
我們之前看到降壓開關穩壓器在其基本設計中使用串聯開關晶體管。 與升壓開關穩壓器設計的不同之處在于，它使用并聯連接的開關晶體管來控制開關模式電源的輸出電壓。
由于晶體管開關與輸出有效并聯，因此當晶體管偏置為“OFF”（開關打開）時，電能僅通過電感器傳遞到負載，如圖所示。
在升壓轉換器電路中，當晶體管開關完全導通時，來自電源 VIN 的電能通過電感器和晶體管開關返回電源。 結果，由于飽和的晶體管開關有效地對輸出造成了短路，所以沒有一個會傳遞到輸出。
這增加了流經電感器的電流，因為它具有更短的返回電源的內部路徑。 同時，二極管 D1 變為反向偏置，因為它的陽極通過晶體管開關接地，隨著電容器開始通過負載放電，輸出端的電壓電平保持相當恒定。
當晶體管完全關閉時，輸入電源現在通過串聯的電感器和二極管連接到輸出。 隨著電感場減小，存儲在電感器中的感應能量被 VIN 通過現在正向偏置的二極管推到輸出端。
所有這一切的結果是電感器 L1 兩端的感應電壓反向并增加到輸入電源的電壓，從而增加了總輸出電壓，因為它現在變成了 VIN + VL。
來自平滑電容器的電流 C1 用于在晶體管開關閉合時為負載供電，現在通過二極管由輸入電源返回到電容器。 那么提供給電容器的電流就是二極管電流，隨著二極管通過晶體管的開關動作不斷地在正向和反向狀態之間切換，二極管電流將始終處于“ON”或“OFF”狀態。 然后平滑電容器必須足夠大以產生平滑穩定的輸出。
由于電感器 L1 兩端的感應電壓為負，它增加了電源電壓，VIN 迫使電感器電流流入負載。 升壓轉換器穩態輸出電壓由下式給出：
與之前的降壓轉換器一樣，升壓轉換器的輸出電壓取決于輸入電壓和占空比。 因此，通過控制占空比，實現了輸出調節。 也不是這個等式獨立于電感值、負載電流和輸出電容器。
上面我們已經看到，非隔離開關模式電源電路的基本操作可以使用降壓轉換器或升壓轉換器配置，具體取決于我們需要降壓（降壓）還是升壓（升壓）輸出電壓。 雖然降壓轉換器可能是更常見的 SMPS 開關配置，但升壓轉換器通常用于電容電路應用，例如電池充電器、閃光燈、閃光燈等，因為電容器在開關閉合時提供所有負載電流。
但我們也可以將這兩種基本開關拓撲組合成一個單一的非隔離開關穩壓器電路，毫不奇怪，稱為降壓-升壓轉換器。
降壓-升壓開關穩壓器
降壓-升壓開關穩壓器是降壓轉換器和升壓轉換器的組合，可產生反相（負）輸出電壓，該輸出電壓可根據占空比大于或小于輸入電壓。 降壓-升壓轉換器是升壓轉換器電路的變體，其中反相轉換器僅將電感器 L1 存儲的能量輸送到負載中。 下面給出了基本的降壓-升壓開關模式電源電路。
當晶體管開關 TR1 完全導通（閉合）時，電感兩端的電壓等于電源電壓，因此電感存儲來自輸入電源的能量。 由于二極管 D1 反向偏置，因此沒有電流傳送到輸出端連接的負載。 當晶體管開關完全關閉（打開）時，二極管變為正向偏置，之前存儲在電感器中的能量被轉移到負載。
換句話說，當開關處于“ON”狀態時，直流電源（通過開關）將能量傳遞到電感器中，而沒有輸出，而當開關處于“OFF”狀態時，電感器兩端的電壓反向為 電感器現在成為能量源，因此先前存儲在電感器中的能量被切換到輸出（通過二極管），并且沒有直接來自輸入直流電源。 因此，當開關晶體管“關斷”時負載兩端的壓降等于電感電壓。
結果是反相輸出電壓的幅度可以大于或小于（或等于）基于占空比的輸入電壓的幅度。 例如，正負降壓-升壓轉換器可以將 5 伏特轉換為 12 伏特（升壓）或將 12 伏特轉換為 5 伏特（降壓）。
降壓-升壓開關穩壓器穩態輸出電壓 VOUT 為：
然后，降壓-升壓穩壓器因產生幅度高于（如升壓功率級）或低于（如降壓功率級）輸入電壓的輸出電壓而得名。 然而，輸出電壓與輸入電壓的極性相反。
開關模式電源摘要現代開關模式電源或 SMPS 使用固態開關將未穩壓的直流輸入電壓轉換為不同電壓電平的穩壓和平滑直流輸出電壓。 輸入電源可以是來自電池或太陽能電池板的真實直流電壓，也可以是來自使用二極管電橋和一些額外電容濾波的交流電源的整流直流電壓。
在許多功率控制應用中，功率晶體管、MOSFET 或 IGFET 在其開關模式下運行，如果它被高速反復“導通”和“關斷”。 這樣做的主要優點是穩壓器的功率效率可以非常高，因為晶體管要么完全導通并導通（飽和），要么完全截止（截止）。
有多種類型的 DC-DC 轉換器（與作為逆變器的 DC-AC 轉換器相對）配置可用，這里介紹的三種基本開關電源拓撲是 Buck、Boost 和 Buck -升壓開關穩壓器。 所有這三種拓撲結構都是非隔離的，即它們的輸入和輸出電壓共享一條公共接地線。
在穩態占空比、輸入和輸出電流之間的關系以及固態開關動作產生的輸出電壓紋波方面，每種開關穩壓器設計都有其獨特的特性。 這些開關模式電源拓撲的另一個重要特性是開關動作對輸出電壓的頻率響應。
輸出電壓的調節是通過控制開關晶體管處于“ON”狀態的時間與總 ON/OFF 時間的百分比控制來實現的。 該比率稱為占空比，通過改變占空比，(D 可以控制輸出電壓 VOUT 的大小。
在開關模式電源設計中使用單個電感器和二極管以及能夠以千赫茲范圍內的開關頻率工作的快速開關固態開關，可以大大減小電源的尺寸和重量 .
這是因為在他們的設計中不會有大而重的降壓（或升壓）電源變壓器。 但是，如果輸入和輸出端子之間需要電氣隔離，則必須在轉換器之前包括一個變壓器。
兩種最流行的非隔離開關配置是降壓（減法）和升壓（加法）轉換器。
降壓轉換器是一種開關模式電源，旨在將電能從一個電壓轉換為較低電壓。 降壓轉換器與串聯連接的開關晶體管一起工作。 由于占空比 D < 1，降壓器的輸出電壓始終小于輸入電壓 VIN。
升壓轉換器是一種開關模式電源，旨在將電能從一個電壓轉換為更高的電壓。 升壓轉換器與并聯連接的開關晶體管一起工作，該晶體管通過電感器 L1 和二極管 D1 在 VIN 和 VOUT 之間形成直流路徑。 這意味著沒有針對輸出短路的保護。
通過改變升壓轉換器的占空比 (D)，可以控制輸出電壓，并且當 D < 1 時，升壓轉換器的直流輸出由于電感自感應電壓而大于輸入電壓 VIN。
此外，假定開關模式電源中的輸出平滑電容器非常大，這會導致晶體管開關動作期間開關模式電源的輸出電壓恒定。