电源是什么？

电源是将来自能量源（如供电网）的电流转换为负载（如电机或电子设备）用电所需电压值的电气设备。

电源主要有两种设计：线性电源和开关电源。

• 线性电源：线性电源设计利用变压器来降低输入电压，然后对电压整流并转换为直流电压，再进行滤波以改善波形质量。线性电源使用线性稳压器来保持输出电压的恒定。线性稳压器以热量的形式耗散任何多余的能量。

• 开关电源:开关电源设计是一种较新的方法，它可以解决线性电源设计中存在的许多问题，包括变压器尺寸和电压调节问题。在开关电源设计中，输入电压不再被降低，而是在输入端进行整流和滤波；然后通过斩波器将其转换为高频脉冲序列；在电压到达输出端之前，再次进行滤波和整流。

开关电源的工作原理

长久以来，线性AC / DC电源一直被用于将公用电网的交流电转换为直流电，用于家用电器或照明用电。但大功率应用越来越需要更小的电源。线性电源被降级到特定的工业和医疗用途中，因其低噪声让它在这类应用中仍有用武之地；而开关电源因为体积小、效率高并且能够处理大功率，已经很大程度上替代了线性电源。图1阐明了在开关电源中，交流电（AC）到直流电（DC）的一般转换过程。

输入整流

整流是将交流电压转换为直流电压的过程。输入信号的整流是开关模式AC / DC电源的第一步。

直流电压通常被认为是恒定的直线电压，就像电池提供的电压那样。 但实际上，直流电（DC）被定义为单向电荷流。这意味着直流电压沿同一方向流动，但不一定是恒定的。

正弦波交流电（AC）正弦波是最典型的电压波形，其前半周期为正，后半周期为负。如果负半周期反相或消除，则电流将停止交替，变为直流电。这个转换过程可以通过整流来实现。

利用无源半桥整流器中的二极管，可以消除正弦波的负半部分，从而实现整流（参见图2）。二极管允许电流在波的正半周期通过，并在电流沿相反方向流过时截止电流。

正弦波经过整流后将具有较低的平均功率，无法有效为设备供电。另一种更有效的方法是改变负半波的极性，将其变为正波。这种方法称为全波整流，它只需要四个二极管做全桥配置即可（见图3）。不管输入电压的极性如何，这种配置都可以确保稳定的电流方向。

相比半桥整流，经过全波整流的波形平均输出电压更高，但仍与电子设备供电所需的恒定直流波形相差甚远。尽管它已经是一个直流波形，但从电压波的形状可以看出，电压变化非常快而且频繁，用这样的直流电为设备供电效率会很低。直流电压的这种周期性变化称为纹波，减少或消除纹波对于实现高效电源至关重要。

减少纹波最简单、最常用的方法是在整流器输出端添加一个大电容，称为储能电容器或平滑滤波器（见图4）。

该电容器在波峰期间存储电压，然后为负载提供电流，直到其电压小于正在上升的整流电压波为止。其产生的波形将更接近所需的形状，也可以认为是没有交流分量的直流电压。这个最终的电压波形就可以为直流设备供电了。

无源整流器采用半导体二极管作为非受控开关，这是最简单的交流波整流方法，但并不是最有效的方法。

二极管是相对高效的开关。它们能够以最小功耗快速导通和关断。但它唯一的问题是存在0.5V至1V的正向偏置压降，这会降低效率。

有源整流器采用可控开关代替了二极管，例如MOSFET或BJT晶体管（见图5）。它有两个优势：首先，晶体管整流器没有半导体二极管固有的0.5V至1V压降，因为其电阻可以任意小，因此压降也很小；其次，晶体管是受控开关，这意味着开关频率可以调节，并进而优化。

其缺点是，有源整流器需要更复杂的控制电路才能实现其目标，这需要额外的组件，因此成本更高。

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