大多數(shù)電子系統(tǒng)都需要在供能電壓和需要供電的電路電壓之間進行某種轉換。當電池失去電荷時，電壓會下降。某些DC-DC轉換可確保電池中更多儲存的能源用于為電路供電。此外，如果我們使用110 V交流線路，則無法直接為微控制器等半導體供電。由于每個電子系統(tǒng)幾乎都使用電壓轉換器（也稱為電源），因此多年來，它們針對不同的用途進行了優(yōu)化。當然，優(yōu)化目標通常是解決方案尺寸、轉換效率、EMI和成本。

簡單的電源：LDO其中一種簡單的電源形式是低壓差(LDO)穩(wěn)壓器。LDO是與開關穩(wěn)壓器相對的線性穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器在輸入電壓和輸出電壓之間放置一個可調電阻，這意味著不管輸入電壓如何變化，哪個負載電流正在通過設備，輸出電壓都是固定的。圖1顯示了該簡單電壓轉換器的基本原理。

圖1. 線性穩(wěn)壓器將一種電壓轉換為另一種電壓。

多年來，典型電源轉換器都是由一個50 Hz或60 Hz的變壓器組成，連接到電網，以一定的繞線比產生不穩(wěn)定的輸出電壓，比系統(tǒng)中需要的電源電壓高幾伏。然后使用線性穩(wěn)壓器將此電壓轉換為電子產品所需的穩(wěn)定調節(jié)的電壓。圖2顯示了此概念的方框圖。

圖2. 線路變壓器后跟線性穩(wěn)壓器。

圖2中基本設置的問題在于50 Hz/60 Hz變壓器體積相對較大且價格昂貴。此外，線性穩(wěn)壓器還散發(fā)大量的熱量，因此系統(tǒng)總效率低，并且由于系統(tǒng)功率高，很難消除產生的熱量。

開關模式電源助一臂之力為了避免圖2所示的電源的缺點，發(fā)明了開關模式電源。它們不依賴于50 Hz或60 Hz交流電壓，而是采用直流電壓，有時采用整流交流電壓，產生更高頻率的交流電壓以使用更小的變壓器，或在非隔離系統(tǒng)中，使用LC濾波器整流電壓，以產生直流輸出電壓。優(yōu)點是解決方案尺寸小，成本相對較低。產生的交流電壓不需要是正弦電壓波形。簡單的PWM信號波形就能很好地工作，并且可使用PWM發(fā)生器和開關輕松生成。

直到2000年，雙極性晶體管都是常用的開關。它們性能不錯，但是開關轉換速度相對較低。功效也不高，開關頻率限制為50 kHz或100 kHz。如今，我們使用開關MOSFET代替雙極性晶體管，開關轉換速度要快得多。反過來，開關損耗也更低，開關頻率高達5 MHz。這樣高的開關頻率支持功率級使用非常小的電感和電容。

開關穩(wěn)壓器帶來了很多優(yōu)勢。它們通常提供高功效電壓轉換，允許升壓和降壓，并提供相對緊湊且低成本的設計。缺點是設計和優(yōu)化過程復雜，開關轉換和開關頻率還會產生EMI。開關模式電源穩(wěn)壓器以及 LTpowerCAD和 LTspice等電源設計工具的面市極大地簡化了這個困難的設計過程。利用這些工具，開關模式電源的電路設計過程可實現(xiàn)半自動化。

電源中的隔離在設計電源時，要回答的個問題是是否需要電氣隔離。使用電氣隔離有多個原因。它可以提高電路的安全性，允許浮動系統(tǒng)操作，防止嘈雜的接地電流在一個電路中通過不同的電子設備傳播。常見的兩種隔離拓撲是反激轉換器和正激轉換器。但是，對于較高的功率，使用推挽、半橋和全橋等其他隔離拓撲。

如果不需要電氣隔離，則大多數(shù)情況下使用非隔離拓撲。隔離拓撲總是需要變壓器，而這種設備往往昂貴而笨重，并且滿足定制電源所需的確切需求的現(xiàn)成設備通常很難得到。

不需要隔離時的大多數(shù)常見拓撲常見的非隔離開關模式電源拓撲是降壓轉換器。也稱為降壓型轉換器。它接受正輸入電壓，并生成低于該輸入電壓的輸出電壓。它是三個基本開關模式電源拓撲中的一個，只需要兩個開關、一個電感和兩個電容。圖3顯示了此拓撲的基本原理。高端開關從輸入端發(fā)出脈沖電流，生成一個開關模式電壓，在輸入電壓和地電壓之間交替。LC濾波器在開關節(jié)點上獲取該脈沖電壓，生成一個直流輸出電壓。根據控制高端開關的PWM信號的占空比，生成不同電平的直流輸出電壓。這種DC-DC降壓轉換器具有很高的功效，相對容易構建，并且需要的組件很少。

圖3. 簡單降壓轉換器的概念。

降壓轉換器在輸入端發(fā)出脈沖電流，而輸出端有來自電感的連續(xù)電流。這就是為什么降壓轉換器在輸入端噪聲很大，而在輸出端噪聲不那么大的原因。需要設計低噪聲系統(tǒng)時，了解這一點很重要。

除了降壓拓撲，第二個基本拓撲是升壓拓撲。升壓拓撲使用與降壓拓撲相同的五個基本功率元件，但經過了重新排列，將電感放在輸入端，高端開關放在輸出端。升壓拓撲用于將一個輸入電壓升高到高于該輸入電壓的輸出電壓。

圖4. 簡單升壓轉換器的概念。

選擇升壓轉換器時，務必注意，升壓轉換器在數(shù)據手冊中始終指定額定開關電流，而非輸出電流。在降壓轉換器中，開關電流直接與可實現(xiàn)輸出電流相關，與輸入電壓和輸出電壓之間的電壓比無關。在升壓穩(wěn)壓器中，電壓比直接影響基于固定開關電流的可能輸出電流。選擇合適的升壓穩(wěn)壓器IC時，不僅要知道所需的輸出電流，而且要知道開發(fā)中設計的輸入和輸出電壓。

升壓轉換器在輸入端的噪聲很低，因為與輸入連接一致的電感可防止電流快速變化。但是，在輸出端，這種拓撲的噪聲就很大。我們只看到脈沖電流流過外部開關，因此相比降壓拓撲，更關注輸出紋波。

第三個基本拓撲是反相降壓-升壓轉換器，僅由五個基本元件組成。該轉換器獲取正輸入電壓，并將其轉換為負輸出電壓，名稱由此而來。除此之外，輸入電壓還可能高于或低于反相輸出電壓的。例如，–12 V輸出電壓可能從輸入端的5 V或24 V中產生。不進行任何特殊電路修改也可能會發(fā)生這種情況。圖5顯示了反相降壓-升壓轉換器的電路概念。

圖5. 簡單反相降壓-升壓轉換器的概念。

在反相降壓-升壓拓撲中，電感從開關節(jié)點接地。轉換器的輸入端和輸出端都有脈沖電流，因此這種拓撲的輸入端和輸出端的噪聲均較大。在低噪聲應用中，這種特性通過添加額外的輸入和輸出濾波來補償。

反相降壓-升壓拓撲的一個有利方面是任何降壓開關穩(wěn)壓器IC都可用于這種轉換器。只要將降壓電路的輸出電壓連接到系統(tǒng)接地即可。降壓IC電路接地將成為經過調整的負電壓。這一特性使得市場上的開關穩(wěn)壓器IC的選擇范圍很大。

專門的拓撲除了前面討論的三種基本非隔離開關模式電源拓撲外，還有很多拓撲可用。但是，它們都需要額外的電源組件。這通常會增加成本，并降低電源轉換效率。雖然存在某些例外情況，但在電源路徑中添加額外的組件通常會增加損耗。一些常用拓撲包括SEPIC、Zeta、?uk和4開關降壓-升壓。它們都有三種基本拓撲所不具備的功能。下面是每種拓撲的重要功能列表：

SEPIC：SEPIC可從高于或低于輸出電壓的正輸入電壓產生正輸出電壓。升壓穩(wěn)壓器IC可用于設計SEPIC電源。此拓撲的缺點是需要第二個電感或一個耦合電感以及一個SEPIC電容。

Zeta：這Zeta轉換器類似于SEPIC，但能夠產生正或負輸出電壓。而且，它沒有右半平面零點(RHPZ)，由此簡化了調節(jié)環(huán)路。降壓轉換器IC可用于此類拓撲。

?uk：?uk轉換器可將正輸入電壓轉換為負輸出電壓。它使用兩個電感，一個在輸入端，一個在輸出端，因此輸入和輸出端的噪聲都很低。缺點是沒有很多開關模式電源轉換IC支持這種拓撲，因為調節(jié)環(huán)路需要負電壓反饋引腳。

4開關降壓-升壓：這種轉換器類型近年來變得非常流行。它從正輸入電壓提供正輸出電壓。輸入電壓可能高于或低于經過調節(jié)的輸出電壓。這種轉換器的功率轉換效率更高，并且只需要一個電感，因此取代了很多SEPIC設計。

常用隔離拓撲除了非隔離拓撲外，一些應用需要電氣隔離電源轉換器。原因可能是出于安全考慮，在不同電路相互連接的大型系統(tǒng)中需要有浮動接地，或者在噪聲敏感應用中需要防止接地電流環(huán)路。常見的隔離轉換器拓撲是反激轉換器和正激轉換器。

反激轉換器通常用于高達60 W的功率電平。電路的工作方式是，在導通時間內，電能存儲在變壓器中。在斷開時，該電能釋放到轉換器的副邊，為輸出供電。這種轉換器容易構建，但需要相對較大的變壓器來存儲正常操作所需的所有電能。這一方面使得該拓撲僅限于較低的功率電平。圖6的頂部顯示了反激轉換器，底部顯示了正激轉換器。

圖6. 反激轉換器（頂部）和正激轉換器（底部）。

除了反激轉換器，正激轉換器也很流行。它使用變壓器的方式與反激轉換器不同。在導通時間內，雖然有電流流過繞組，但也有電流流過二次繞組。電能不應存儲在變壓器線圈中。在每個開關周期后，我們都必須確保線圈的所有磁化釋放到零，使得變壓器在若干開關周期后不會飽和。利用幾項不同的技術就可以從線圈中釋放電能。一種常用方式是使用帶有小型額外開關和電容的有源鉗位。