當電源包含開關穩壓器以將電能從一種形式轉換為另一種形式并具有必要特性時，稱為開關模式電源（SMPS）。該電源用于從DC i/p電壓或未調節的AC獲得調節的DC o/p電壓。

開關模式電源與其它電源一樣是一個復雜的電路，它從電源向負載供電。開關模式電源對于消耗功率的不同電氣和電子設備以及設計電子項目至關重要。

開關模式電源可根據其電路拓撲結構分為兩種類型：非隔離式轉換器和隔離式轉換器。

非隔離式轉換器

非隔離轉換器是一種SMPS拓撲類型，其中開關電路和輸出未隔離，即它們具有公共端子。非隔離SMPS中的三種基本且重要的類型是：

降壓轉換器

升壓轉換器

降壓 - 升壓轉換器

還有其它非隔離式SMPS設計，如開關電容器、Cuk轉換器和SEPIC轉換器，但上面列出的三種類型更加重要。它們是最簡單的SMPS設計，使用單個電感器作為能量存儲元件和兩個開關，其中一個是有源開關（晶體管 - 功率MOSFET），另一個可以是二極管。

輸出電壓可以更高（升壓）或更低（降壓），并且可以通過高頻方波（應用于開關）的占空比來控制。非隔離拓撲的一個主要缺點是開關的效率會隨著占空比的降低而下降。隔離拓撲更適合較大的電壓變化。

隔離式轉換器

SMPS中的隔離拓撲使用變壓器作為開關元件和輸出之間的隔離器。根據變壓器的匝數比，輸出電壓可以高于或低于輸入電壓。基于變壓器的SMPS拓撲可以設計為通過在變壓器上使用多個繞組來生成多個輸出電壓。

其中，儲能元件可以是變壓器次級繞組或單獨的電感器。兩個重要的基于隔離拓撲的SMPS轉換器是：

反激式轉換器

正向轉換器

其它一些常用的隔離式SMPS拓撲結構是半橋、全橋、推挽、半正向、隔離Cuk 等。

降壓轉換器

降壓轉換器是一種SMPS電路和DC-DC轉換器，其中輸出電壓小于輸入電壓。

降壓轉換器是最簡單的SMPS電源轉換器技術之一，常用于RAM、CPU、USB等。降壓轉換器中的輸入直流電可以是整流后的交流電或電池。下圖顯示了一個使用兩個開關（一個晶體管和一個二極管）和一個儲能元件（電感器）的簡單降壓轉換器。

在上圖中是一個簡單的降壓轉換器裝置，它由開關晶體管、二極管、電感器和電容器組成。電感器、二極管和電容器的組合稱為慣性同步電路。

另外，降壓轉換器的操作是根據方波脈沖來進行的。下圖顯示了輸入脈沖為高電平時降壓轉換器的操作，即開關晶體管導通。

當輸入到MOSFET柵極端子的脈沖為高電平時，晶體管導通。結果，晶體管將為負載提供電流。在此期間，二極管D處于反向偏置狀態，在此期間不會成為電路的一部分。

最初，電感器抵抗電流的變化，因此，負載電流將隨著磁場的擴大而逐漸增加。此外，電容器上的電荷逐漸增加到電源電壓。下圖是脈沖變低的情況，即晶體管關閉。

當脈沖變為低電平時，開關晶體管關閉。在晶體管導通狀態期間建立的磁場現在開始崩潰并將能量釋放回電路。電感兩端電壓的極性，即它的反電動勢現在反轉了。來自電感器的能量開始崩潰并保持電流在電路中流過負載和二極管，因為二極管D正向偏置。

一旦來自電感器的能量被完全利用，電容器開始放電并充當主要電源，直到晶體管導通。當晶體管導通時，它將再次向電感、電容和負載提供電流，并且該過程繼續進行。

輸出電壓取決于開和關時間，即方波脈沖的占空比，輸出電壓的公式為：

VOUT=D x VIN，其中D=TON/(TON+TOFF)

借助降壓轉換器，可以實現超過90%的效率，因此，它們經常用于計算機系統，將12V電源轉換為典型的1.8V（用于RAM、CPU和USB）。

升壓轉換器

顧名思義，升壓轉換器是一種開關模式電源，可相對于輸入電壓提升或增加輸出電壓，去輸出電壓高于輸入電壓。

升壓轉換器最著名的應用之一是電動汽車。電動汽車電池的供電不足以使其工作，因為它們需要比電池提供的電壓高得多的電壓（通常在500V左右）。升壓轉換器的另一個重要應用是汽車中的筆記本電腦充電器。典型的汽車電池提供12V，筆記本電腦需要18至22V之間的任何電壓。

下面顯示了一個簡單的升壓轉換器，這個簡單的升壓轉換器由一個開關晶體管（可以使用BJT或MOSFET）、一個能量存儲元件（即電感器）、另一個開關（二極管或另一個晶體管）、電容器和一個占空比可控的高頻方波振蕩器組成。

此升壓轉換器的輸入是未調節的直流電，可由整流的交流、電池、太陽能、直流發電機等提供，即可AC轉換DC。

首先，能夠看到晶體管第一次打開的時間段。當脈沖第一次為高電平時，晶體管導通并關閉由電感器、晶體管和輸入電源組成的電路的一部分。電流從輸入端流過電感器和晶體管。

電感器最初會抵抗電流的變化，但磁場會逐漸增加，從而使電感器能夠存儲能量。電路其余部分（即二極管、電容器和負載）的阻抗要高得多，因此，電路的那部分不會有電流流動。

當方波脈沖變為低電平時，晶體管關閉。此操作將導致流經電感器的電流下降，由于磁場崩潰，會在電路中產生反電動勢。此外，電感兩端電壓的極性現在已反轉，將與輸入電壓串聯。

輸入電壓和電感器反電動勢的組合無法通過電感器，因為它已關閉。因此，二極管正向偏置并為電容器充電并為負載提供電流。

需要注意的一點是，在晶體管關斷狀態期間提供給電容器和負載的電壓是輸入電壓和電感器反電動勢的組合，高于輸入電壓。

當晶體管再次導通時，電流再次流過電感和晶體管。由于二極管反向偏置，在此期間，電容器通過充當其源的負載釋放其電位，該電位是輸入電壓和電感器電壓的總和。

其輸出電壓由下式給出：

VOUT= VIN x 1/(1-D) ，其中 D=TON/(TON+TOFF)。

反激式轉換器

反激式轉換器是一種開關模式電源，通常用于低功率應用。反激式轉換器是一種隔離型SMPS，其中輸入和輸出通過變壓器隔離。下面是一個簡單的反激式轉換器的電路。

反激式轉換器的主要組件是開關晶體管、振蕩器電路、變壓器、開關（如二極管）和電容器。這里的變壓器不同于一般的變壓器，而是稱為反激式變壓器（Flyback Transformer）。在此變壓器中，初級和次級不同時導通。

當晶體管導通時，電流流過變壓器的初級，dot為較高電位。結果，次級感應電壓的極性將與初級相反。因此，二極管D反向偏置。如果電容器在前一個周期充電，它將通過負載放電。下圖顯示了反激式轉換器中的此段運行時間：

下圖說明了反激式轉換器在其他時段（即晶體管關斷時段）的操作。當脈沖變低時，晶體管關斷，變壓器的初級不導通。變壓器次級的能量將釋放到電路中，并且次級的極性也會反轉，即變為正極。因此，二極管正向偏置，允許存儲在次級線圈中的能量充當電源，它為電容器充電并為負載提供電流。

正向轉換器

另一個重要的開關模式電源是正向轉換器。它也是另一種隔離型SMPS，可從未調節的直流電源產生受控和調節的直流電。

正向轉換器的效率略高于反激式轉換器，常用于功率要求稍高的應用（一般在200W左右）。正向轉換器的設計比反激式轉換器稍微復雜一些，簡單的結構如下所示：

正向變換器的簡單電路由一個快速開關晶體管、一個控制方波占空比的控制電路、一個普通變壓器、兩個交流整流二極管、一個電感和一個濾波電容組成。

下圖顯示了晶體管導通時正向轉換器的操作。當脈沖為高電平時，晶體管導通，結果變壓器的初級線圈開始導通。結果，在變壓器的次級線圈中感應出電壓。

次級感應電壓的極性與初級相似，因此二極管D1正向偏置。來自次級的電壓將開始流經二極管D1、電感器、電容器，最后流向負載。在此期間，電感器和電容器分別以磁場和電場的形式存儲能量。

當脈沖變為低電平時，晶體管關閉，因此初級線圈停止導通。這將反過來停止在次級感應電流。電流的這種突然變化（或下降）將產生電感器的反電動勢，并且其電壓的極性反轉。

下圖顯示了正向轉換器的這段運行時間。電感器中的能量開始通過負載和二極管D2在電路中崩潰（因為它是正向偏置的）。一旦電感器中的能量耗盡，電容器便開始通過負載放電，并充當負載的臨時電源。這一直持續到晶體管再次導通為止：

正向轉換器的輸出電壓取決于變壓器匝數比以及脈寬調制器的占空比。輸出電壓由下式給出：

VOUT = VIN x D x NS/NP

總結

雖然開關模式電源拓撲結構類型有多種，但比較常見的就是以上介紹的四種，即DC-DC轉換器、AC-DC轉換器、反擊式轉換器和正向轉換器。與此同時，也簡單介紹這四種拓撲結構的工作原理，以便幫助大家更好的理解。