線性電壓IC穩壓器多年來一直是電源設計的基礎，因為它們非常擅長提供連續的固定電壓輸出。

線性穩壓器通常更有效率比由齊納C和電阻器，晶體管甚至運算放大器等分立元件制成的等效穩壓器電路更易于使用。

目前最流行的線性和固定輸出電壓調節器類型是78 ...正輸出電壓系列，以及79 ...負輸出電壓系列。這兩種類型的互補電壓調節器可產生精確和穩定的電壓輸出，范圍從約5伏到約24伏，適用于許多電子電路。

這些三端固定電壓范圍很廣每個穩壓器都有自己的內置電壓調節和限流電路。這使我們能夠創建一整套不同的電源軌和輸出，單電源或雙電源，適用于大多數電子電路和應用。甚至還有可變電壓線性穩壓器，它提供的輸出電壓可以從零到零電壓輸出的低于零電壓連續變化。

大多數直流調節器。電源包括一個大而重的降壓電源變壓器，電阻整流，全波或半波，一個濾波電路，用于去除整流后的直流電壓。產生適當光滑的d.c.電壓，以及某種形式的電壓調節器或穩壓器電路，線性或開關，以確保在變化的負載條件下正確調節電源輸出電壓。然后一個典型的直接電源看起來像這樣：

典型的直流電源

這些典型的電源設計包含一個大型電源變壓器（也提供輸入和輸出之間的隔離）和一個耗散型串聯穩壓器電路。穩壓器電路可以由單個齊納二極管或三端線性串聯穩壓器組成，以產生所需的輸出電壓。線性穩壓器的優點是電源電路只需要一個輸入電容，輸出電容和一些反饋電阻來設置輸出電壓。

線性穩壓器通過連續導通產生穩壓直流輸出在輸入和輸出之間串聯的晶體管在其電流 - 電壓（iv）特性的線性區域（因此名稱）中操作它。因此，晶體管更像是一個可變電阻，它可以不斷調整自身，以保持正確的輸出電壓所需的任何值。考慮下面這個簡單的串聯傳輸晶體管穩壓器電路：

串聯晶體管穩壓器電路

這里這個簡單的射極跟隨器穩壓器電路由單個NPN晶體管和直流偏置電壓組成，用于設置所需的輸出電壓。由于射極跟隨器電路具有單位電壓增益，向晶體管基極施加合適的偏置電壓，從發射極端獲得穩定的輸出。

由于晶體管提供電流增益，輸出負載電流將為如果使用達林頓晶體管排列，則遠高于基極電流和更高的電壓。

此外，假設輸入電壓足夠高以獲得所需的輸出電壓，輸出電壓由晶體管控制在該示例中，基極電壓為5.7伏特，以產生向負載的5伏輸出，因為在基極和發射極端子之間的晶體管上下降大約0.7伏特。然后，根據基極電壓的值，可以獲得任何發射極輸出電壓值。

雖然這個簡單的串聯穩壓器電路可以工作，但其缺點是串聯晶體管在其中不斷偏置。由于所有負載電流必須通過串聯晶體管，因此線性區域由于其V * I產品而以熱量形式耗散功率，導致效率低下，功率浪費和連續發熱。

此外，串聯電壓調節器的一個缺點是，它們的最大連續輸出電流額定值僅限于幾安培左右，因此通常用于需要低功率輸出的應用中。當需要更高輸出電壓或電流電源時，通常的做法是使用通常稱為開關模式電源的開關穩壓器將電源電壓轉換為所需的更高功率輸出。 / p>

開關電源或SMPS正在變得普遍，并且在大多數情況下已將傳統的線性交流 - 直流電源替換為減少功耗，減少散熱，以及尺寸和重量的方法。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電源都可以用作開關模式電源，這種電源正日益成為一種更為成熟的技術。

根據定義，開關模式電源（SMPS）是一種使用半導體開關技術的電源，而不是標準的線性方法來提供所需的輸出電壓。基本開關轉換器包括功率開關級和控制電路。功率開關級執行從電路輸入電壓 V IN 到其輸出電壓 V OUT 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勢在于其更高的效率，這是通過在其“之間”內部切換晶體管（或功率MOSFET）來實現的。 ON“狀態（飽和）及其”關閉“狀態（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，其上的電壓降處于其最小值，并且當晶體管完全“關斷”時，沒有電流流過它。因此，晶體管就像一個理想的開關。

因此，與僅提供降壓穩壓的線性穩壓器不同，開關模式電源可以提供降壓，升壓和否定使用三種基本開關模式電路拓撲中的一種或多種的輸入電壓：降壓，升壓和降壓 - 升壓。這是指晶體管開關，電感和平滑電容如何在基本電路中連接。

降壓開關電源

降壓開關穩壓器是一種開關模式電源電路，設計用于有效地將DC電壓從較高電壓降低到較低電壓，即減去或“降低”電源電壓，從而降低輸出端子的可用電壓而不改變極性。換句話說，降壓開關穩壓器是降壓穩壓器電路，因此例如降壓轉換器可以轉換為+12伏特至+5伏特。

降壓開關穩壓器是DC-to -DC轉換器和最簡單和最流行的開關穩壓器之一。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（理想情況下為絕緣柵雙極晶體管或IGBT）作為其主開關器件，如下所示。

降壓開關穩壓器

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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， TR 1 ，帶有相關的驅動電路，使輸出電壓盡可能接近所需的電平，二極管， D 1 ，電感， L 1 和平滑電容， C 1 。降壓轉換器有兩種工作模式，具體取決于開關晶體管 TR 1 是“ON”還是“OFF”。

當晶體管被偏置為“ON”（開關閉合），二極管 D 1 變為反向偏置且輸入電壓 V IN 使電流流過電感器到輸出端的連接負載，對電容器充電， C 1 。根據法拉第定律，當變化的電流流過電感線圈時，它會產生反電流的反電動勢，直到達到穩定狀態，在電感周圍產生磁場， L 1 。只要 TR 1 關閉，這種情況就會無限期地持續。

當晶體管 TR 1 “關閉”（開關打開），輸入電壓立即與發射器電路斷開，導致電感器周圍的磁場坍塌，從而在電感器兩端產生反向電壓。這種反向電壓使二極管變為正向偏置，因此電感器磁場中存儲的能量迫使電流繼續以相同的方向流過負載，然后通過二極管返回。

然后電感， L 1 將其存儲的能量返回到作為源的負載并提供電流，直到所有電感的能量返回到電路或直到晶體管開關再次閉合為止，以先到者為準。同時，電容器還向負載提供電流。電感和電容的組合形成一個LC濾波器，可以消除由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，從電源提供電流，并且當晶體管開關斷開時，電感器提供電流。請注意，流過電感的電流始終在同一方向，直接來自電源或通過二極管，但顯然在開關周期內的不同時間。

隨著晶體管開關不斷關閉因此，平均輸出電壓值將與占空比 D 相關，其被定義為在一個完整開關周期期間晶體管開關的導通時間。如果 V IN 是電源電壓，晶體管開關的“ON”和“OFF”時間定義為： t ON 和 t OFF ，然后輸出電壓 V OUT 為：

降壓轉換器占空比

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越高。由此我們還可以看到輸出電壓始終低于輸入電壓，因為占空比 D 永遠不會達到1（單位），從而產生降壓穩壓器。通過改變占空比獲得電壓調節，并且在高達200kHz的高開關速度下，可以使用更小的元件，從而大大降低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）布置提供非常好的電感器電流濾波。理想情況下，降壓轉換器應以連續開關模式工作，以使電感電流不會降至零。理想的元件，即“導通”狀態下的零電壓降和開關損耗，理想的降壓轉換器可以提供高達100％的效率。

以及降壓降壓開關穩壓器開關電源的基本設計，基本開關穩壓器的另一個操作，作為升壓穩壓器，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。它具有與前一個降壓轉換器相同類型的組件，但這次是在不同的位置。升壓轉換器設計用于將DC電壓從較低電壓增加到較高電壓，即增加或“提升”電源電壓，從而增加輸出端子處的可用電壓而不改變極性。換句話說，升壓開關穩壓器是升壓調節器電路，因此例如升壓轉換器可以轉換為+5伏特至+12伏特。

我們之前看到降壓開關穩壓器使用基本設計中的串聯開關晶體管。與升壓開關穩壓器的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。由于晶體管開關有效地與輸出并聯連接，當晶體管被偏置為“關閉”（開關斷開）時，電能僅通過電感器傳遞到負載。

升壓開關穩壓器

在升壓轉換器電路中，當晶體管開關完全導通時，來自電源的電能 V IN 通過電感和晶體管開關并返回電源。結果，由于飽和晶體管開關有效地產生輸出短路，所以它都沒有傳遞到輸出端。這增加了流過電感器的電流，因為它具有較短的內部路徑以返回電源。同時，二極管 D 1 變為反向偏置，因為其陽極通過晶體管開關接地，輸出端的電壓電平在電容器開始放電時保持相當穩定負載。

當晶體管完全關斷時，輸入電源現在通過串聯電感和二極管連接到輸出。隨著電感場減小，存儲在電感中的感應能量被 V IN 通過現在的正向偏置二極管推向輸出。所有這一切的結果是電感器上的感應電壓 L 1 反轉并增加輸入電源的電壓，增加了現在的總輸出電壓，<跨度> V <子> IN + V <子>→ 。

平滑電容器的電流 C 1 用于在晶體管開關閉合時為負載供電，現在通過輸入電源通過輸入電源返回到電容器二極管。然后，提供給電容器的電流是二極管電流，當二極管通過晶體管的開關動作在正向和反向狀態之間連續切換時，二極管電流將始終為ON或OFF。然后平滑電容必須足夠大，以產生平滑穩定的輸出。

當感應電阻 L 1 的感應電壓為負時，增加源電壓， V IN 迫使電感電流流入負載。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，輸出電壓升壓轉換器取決于輸入電壓和占空比。因此，通過控制占空比，實現輸出調節。還不是這個等式與電感，負載電流和輸出電容的值無關。

我們已經看到，非隔離開關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取決于我們是否需要降壓（降壓）或升壓（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的開關拓撲結合到一個非隔離的開關穩壓器電路中，不出所料地稱為降壓 - 升壓轉換器。

降壓-Boost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，可以大于或小于比基于占空比的輸入電壓。降壓 - 升壓轉換器是升壓轉換器電路的一種變體，其中反相轉換器僅將電感器存儲的能量 L 1 傳遞到負載中。基本降壓 - 升壓開關模式電源電路如下所示。

降壓 - 升壓開關穩壓器

當晶體管開關 TR 1 完全接通（閉合）時，電感兩端的電壓等于電源電壓，所以電感器存儲來自輸入電源的能量。沒有電流輸出到輸出端的連接負載，因為二極管 D 1 是反向偏置的。當晶體管開關完全關斷（開路）時，二極管變為正向偏置，先前存儲在電感中的能量被傳遞到負載。

換句話說，當開關處于“ON”狀態時，通過直流電源（通過開關）將能量輸送到電感器，并且沒有輸出到輸出，當開關“關閉”時，電感器兩端的電壓反轉，因為電感器現在變成能量源，因此存儲能量以前在電感器中切換到輸出（通過二極管），沒有一個直接來自輸入直流電源。因此，當開關晶體管“關閉”時，負載兩端的電壓下降等于電感電壓。

結果是反相輸出電壓的幅度可以更大或更小（或等于）基于占空比的輸入電壓的大小。例如，正負降壓 - 升壓轉換器可將5伏轉換為12伏（升壓）或12伏轉至5伏（降壓）。

降壓 - 升壓開關穩壓器穩態輸出電壓 V OUT 給出如下：

然后降壓 - 升壓穩壓器的名稱來自產生更高的輸出電壓（如升壓功率級）或者更低（如降壓功率級）的幅度大于輸入電壓。但是，輸出電壓的極性與輸入電壓相反。

開關模式電源摘要

現代開關電源或SMPS使用固態開關進行轉換未調節的直流輸入電壓，在不同的電壓電平下調節和平滑的直流輸出電壓。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，或來自使用二極管電橋的交流電源的整流直流電壓以及一些額外的電容濾波。

在許多電源控制應用中，功率晶體管，MOSFET或IGFET在其開關模式下工作，如果它以高速反復“開”和“關”。這樣做的主要優點是穩壓器的功率效率可能非常高，因為晶體管要么完全導通，要么導通（飽和）或全截止（截止）。

有幾種DC-DC轉換器的類型（與逆變器的DC-AC轉換器相對）配置可用，這里看到的三個基本開關電源拓撲是 Buck ， Boost 和降壓 - 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用一條公共地線。

每個開關穩壓器設計在穩態占空比，關系方面都有其獨特的性質。輸入和輸出電流之間，以及固態開關動作產生的輸出電壓紋波。這些開關模式電源拓撲結構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開關晶體管所處時間的百分比控制來實現的。 “ON”狀態與總ON / OFF時間相比較。該比率稱為占空比，通過改變占空比，可以控制（ D 輸出電壓的大小， V OUT 。

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在千赫茲范圍內的開關頻率下工作的快速開關固態開關，允許尺寸和重量電源大大減少。這是因為在設計中不會有大而重的降壓（或升壓）電壓互感器。但是，如果輸入和輸出端子之間需要隔離，變壓器必須在轉換器之前包含。

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電源，用于將電能從一個電壓轉換為一個電壓。降壓轉換器用于工作串聯開關晶體管。作為占空比， D <1 ，降壓的輸出電壓始終小于輸入電壓， V IN 。

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一個更高的電壓。升壓轉換器使用并聯連接的開關晶體管工作，導致 V IN 和 V OUT 通過電感， L 1 和二極管， D 1 。這意味著輸出端沒有短路保護。

通過改變升壓轉換器的占空比（ D ），可以控制輸出電壓并使用 D <1 ，由于電感自感應電壓，升壓轉換器的直流輸出大于輸入電壓 V IN 。

此外，假設開關模式電源中的輸出平滑電容非常大，這會在晶體管開關動作期間從開關模式電源獲得恒定的輸出電壓。