开关电源的工作原理与选择指南

从开关电源的基础知识到其工作原理、选型要点、24V・12V的应用实例及噪音对策等进行全面讲解。内容涵盖了初学者到中级工程师所需了解的信息。请同时查看本公司Unifive的产品介绍及支持体系。

什么是开关电源？基础原理与应用要点通俗解说

对于电气、电子设备的设计技术人员及工程师而言，开关电源是在实现高效率、小型化、低成本方面不可或缺的存在。本文将全面解说开关电源的基本原理、工作机制、按应用场景选择的方法，以及噪声对策与安全标准等关键点。文章旨在让初学者至中级工程师，甚至首次接触电源设计的人员也能轻松理解，请务必阅读至最后。

开关电源的历史

开关电源的历史可追溯至19世纪。 

据说世界上最早由IBM于1958年开发了开关电源。IBM当时设计的开关电源似乎是基于真空管技术。与此同时，通用汽车公司也就类似技术提出了一项基于晶体管振荡的专利。据称这一技术革新极大丰富了设备设计者的选择范围。20世纪60年代是航天、通信、电子和计算机等领域极为活跃的时期。

开关电源的结构与工作原理

＊开关电源基本框图示例

开关电源是将输入端的交流(AC)整流后转换为直流(DC)，再通过高速开关的高频开关元件（如MOSFET）控制电压的电力转换器。与线性电源相比，其主要特点如下：

• 效率高：通过开关动作只提供必要电力，降低纹波及发热，运行更高效。
• 体积小：因高频切换，可小型化变压器与滤波器元件，实现电路板节省空间。
• 输入电压范围广：根据控制电路可适应100V~200V等各种电网电压。

其基本工作流程为：AC输入→整流电路→高频开关回路（如PWM控制）→隔离变压器（必要时）→整流与滤波→输出。控制电路采用PWM（脉冲宽度调变）保电压电流恒定，并普遍具备过压/过流保护等保护功能。

线性电源的区别与选型要点

常与开关电源相比的是线性电源（串联式稳压器）。线性电源通过晶体管或IC线性降压，虽高频噪声较少，设计简单，但仍存在如下缺点：

• 效率低：多余能量以热量形式损耗，需散热片等冷却设计。
• 体积大、重量重：因需大型变压器与散热器。

＊开关电源与线性电源比较表

相对而言，开关电源虽然需注意噪声对策，但兼具小型轻量与高效率的优势，选型时建议重点关注以下几点：

1. 输出电压/输出电流范围
2. 输入电压（AC/DC）范围
3. 效率、发热量、冷却方式
4. 噪声特性
5. 保护功能（过压、过流保护等）
6. 尺寸、重量、价格

开关电源高效率的原因

开关电源效率高，是因为开关元件只在“开”或“关”状态工作，中间状态持续时间极短。不像线性电源那样持续损耗，因此发热少，对节能有很大贡献。

此外，可按负载变化调节开关频率与脉冲宽度，因此在待机或轻负载时仍可高效运作。

开关电源的电路方式类型

升降压型（Buck-Boost）电路

升降压型的绝缘形式为非隔离型，适用于输入电压与输出电压极性相反的场合。当开关开启时，电感充电，关闭时通过电感和二极管释放能量。与降压型相比，电容器上电流更大。

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