為何使用開關模式電源?

顯然是高效率。在SMPS中,晶體管在開關模式而非線性模式下運行。這意味著,當晶體管導通并傳導電流時,電源路徑上的壓降最小。當晶體管關斷并阻止高電壓時,電源路徑中幾乎沒有電流。因此,半導體晶體管就像一個理想的開關。晶體管中的功率損耗可減至最小。高效率、低功耗和高功率密度(小尺寸)是設計人員使用SMPS而不是線性穩壓器或LDO的主要原因,特別是在高電流應用中。例如,如今12VIN、3．3VOUT開關模式同步降壓電源通常可實現90%以上的效率,而線性穩壓器的效率不到27．5%。這意味著功率損耗或尺寸至少減小了8倍。

最常用的開關電源——降壓轉換器

圖8顯示最簡單、最常用的開關穩壓器——降壓型DC/DC轉換器。它有兩種操作模式,具體取決于晶體管Q1是開啟還是關閉。為了簡化討論,假定所有電源設備都是理想設備。當開關(晶體管)Q1開啟時,開關節點電壓VSW = VIN,電感L電流由(VIN – VO)充電。圖8(a)顯示此電感充電模式下的等效電路。當開關Q1關閉時,電感電流通過續流二極管D1,如圖8(b)所示。開關節點電壓VSW = 0V,電感L電流由VO負載放電。由于理想電感在穩態下不可能有直流電壓,平均輸出電壓VO可通過以下公式算出:

通常,計算開關相關損耗并不簡單。開關相關損耗與開關頻率fS成正比。在12VIN、3．3VO/10AMAX同步降壓轉換器中,200kHz – 500kHz開關頻率下的交流損耗約導致2%至5%的效率損失。因此,滿負載下的總效率約為93%,比LR或LDO電源要好得多。可以減少將近10倍的熱量或尺寸。

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參考資料

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