開關電源(Switched mode power supplies, SMPS）由于在體積、重量和效率等多方面的優勢，已經被越來越廣泛地應用于計算機、通信和家用電器等領域。電視、機頂盒和錄像機等家電設備大都在使用這種電源，用于手機、PDA甚至電動牙刷的許多電池充電器也在使用開關電源，因為它們具備傳統線性電源所沒有的優勢。通常，如果需要一個DC輸出，最簡單的解決方式是使用一個線性電源，即包括一個變壓器、一個整流器和平滑濾波電容器。有時需要一個線性調節器來調節輸出，但對于簡單的電池充電等應用，是不需要的。線性電源的優勢在于簡單、成本低，而SMPS比較復雜，成本高。一直到最近幾年，線性電源曾被普遍采用，不可否認，線性電源比起SMPS仍具有一些技術優勢，但是差距在逐步縮小。

盡管SMPS布局多種多樣，但最常見的是回掃變換器，其原理圖如圖1所示。輸入電壓首先被整流、平滑，然后經過變壓器和初級開關，初級控制器根據來自次級的反饋信號改變占空因數。圖1中所示是一個未隔離的變壓器，有時也可用一電感器。隔離設計在離線應用中比較常見，變壓器需要提供隔離并有一個合適的占空因數。回掃SMPS有兩種工作方式：連續性和非連續性傳導，圖2所示的是一非連續性傳導模式，其中Ilm和Vlm分別為變壓器磁電感的電流和電壓。在開關接通時，電壓被加到變壓器的初級，此時，次級二極管是斷開的，變壓器相當于一個電感器，電流只流經初級線圈，并將能量以磁通量的形式儲存于線圈內；在開關斷開后，次級二極管接通，電流通過次級線圈，能量被轉換到次級大容量電容器，磁感應電流逐漸減小到零，因此是一非連續傳導模式。如果磁感應電流沒有減小到零，如圖3所示，即為連續傳導模式。

上述兩種模式各具特點，可供設計者選擇使用?？梢允挂粋€設計以大負載工作在連續模式或以小負載工作在非連續模式。同樣有兩種控制模式：電壓和電流型。在電壓模式，次級電壓被反饋回來直接控制占空因數；而在電流模式，次級電壓被反饋回來控制最大開關電流。換句話說，控制IC的脈沖寬度調制（PWM）部分接通電路，在電流達到由反饋信號設定的限定值后，斷開電路。

過去，多數SMPS系統使用非連續控制器IC和開關（通常是場效應管FET）。現在，通過使用Fairchild公司的Power Switch系列集成控制器，可得到非常明顯的優勢。為適合各種不同功率檔次和應用的設計，器件通常可分為兩類：雙片和單片。雙片型包括一個控制器電路芯片和一個金屬氧化物場效應管（MOSFET）芯片，而單片型只包括一塊電路，用BCDMOS工藝制造。在BCDMOS工藝下生產的高壓（HV）功率MOSFET比起優化MOSFET生產工藝受到更多條件的限制。一般來說，在BCDMOS工藝下單位面積硅的Rdson值要大很多。但是，單片解決方案成本較低，在低功率應用中具有優勢。因此，最好是在高功率時選擇雙片，而在低功率時選擇單片，功率界限在15～20W，此范圍內Fairchild兩種類型的方案都可選用。

圖4所示為一個以FairchildK A5M0365R為基礎設計的，大約20W的通用SMPS實際電路圖，所用的為一雙片器件，具體參數為：

輸入電壓：85～265VAC；開關頻率：66KHz；

輸出：3.3V,1.2A；5V,1.5A； 9V,0.5A； 33V,0.1A；

內置MOSFET工作在3A，650V，實際上并不是一個簡單的MOSFET，而是一個Sense MOSFET，大約1%的源區被隔離出來用做次級感測源。1%的漏電流來自感測源，流經一個集成電阻，這樣就可以精確測量電流，同時避免了在外部感測電阻的損耗。圖4中，從輸入開始，首先是一個用于抑制EMI的濾波器，然后是一個橋式整流器，NTC電阻和平滑電容。NTC電阻用來避免電路接通時的浪涌電流。在開始加電時，器件處于待機狀態，只有很小的電流，Vcc上的電容器被充電，一旦達到欠壓鎖定上限值15V，開始接通電路，電流增加，Vcc下降。但是只要Vcc上的電容足夠大，電壓值Vcc會一直保持在欠壓鎖定值下限之上。正常運行時的功率由第三級繞組提供。

變壓器初級連接有緩沖器電路，確保變壓器漏電感所產生的尖峰電壓不至于引起開關漏電壓超過其擊穿電壓。如果它被擊穿，器件雪崩，這樣會消耗更多的功率，從而不再需要昂貴的齊納二極管型緩沖電路。

Sense離線電源必須滿足特定的安全標準，圖4所示的設計，由于控制器的獨有特性而得到有效的保護：過載保護(自動重起)；過壓保護(自動重起)；過流保護(被鎖定）；低壓保護(自動重起)；高溫保護(自動重起)。

如果電源過載，但沒有短路，輸出會減弱，此時反饋電壓升高，從而增大占空因數進行補償。由于初級電流是有限的，所能變換的最大功率也是有限的，反饋電壓會繼續升高，到達閾值時，器件斷開。過載保護是時間延遲型以避免負載上的暫態引起的誤觸發。如果在反饋回路中出現開路錯誤，反饋腳電壓會升高，引起占空因數增大，輸出電壓會因此升高，Vcc腳電壓也會增大，Vcc在達到保護閾值時，器件關斷，避免對次級造成損壞。如果在反饋回路中出現短路錯誤，反饋腳被拉到地，器件也會關斷。如果次級整流器短路，或負載短路，在開關接通后馬上會有大電流通過，這樣可造成電路損壞。因此，器件在開關接通后極短的時間內即測得電流值，如果大于閾值，器件關斷。如果器件進行自動重起，這種保護可被鎖定避免重復電應力。

低功率電源在使用如FSDH0165和FSDH565等單片時很有益處，這些單片包括單一硅片上制造的控制器和SenseFET。圖5為一實際應用電路圖，這里沒有啟動電阻，由于器件是采用BCDMOS技術生產，因此可以將高壓(HV)整流線直接連接到器件本身。啟動和雙片很類似，不同點在于在給Vcc上的電容充電時采用內置電流源。一旦Vcc腳電壓達到欠壓閾值，器件啟動，電流源被斷開，因此在正常、高效工作時不會從線路吸取能量。

圖6所示的為一較高功率的電源，它和前一個系統很相似，但是工作在準共振模式下。圖中的Lm不是斷開的，而是變壓器的一部分。在這種模式下，開關頻率依賴于輸入電壓和負載的大小，在低輸入電壓和高負載時，頻率較低，反之在高輸入電壓和小負載時，頻率較高，限制因素是最大開關頻率150KHz。在輸入電壓最大時，由于頻率不能超過此值，因此對負載有一定的限制。準共振模式的優勢在于其低EMI和較高的效率。

該圖中，沒有前面所用的傳統RCD緩沖電路，取而代之的是將一小電容并聯在開關上，Power Switch有額外的接線腳，即Sync腳，用來導通Sense FET。在次級二極管斷開之前，系統的工作過程大致和非連續電流回掃型相同。在此之后，開關的漏極開始以串聯電容和初級電感決定的頻率振蕩。Sync腳電壓開始衰減，當Sync 腳電壓低于一閾值時，開關重新接通。Sync 腳電壓分量是經過選擇的，在其值達到電壓閾值時，漏極電壓在最低點。該系統是軟開關，因此有最低的EMI，而且由于漏極電壓最小，開關損耗也最小。

迄今為止一個未被討論的重要因素是功率因數校正(PFC），這在一些地區非常重要，因為當地的法律規定，功率超過75W的所有設備都要進行功率因數校正。從比較簡單的無源解決方案到比較復雜但相對較好的有源解決方案，有幾種方案可以使用。將來的技術改進也許會集中于此。將PFC和PWM SMPS控制器集成到單一器件的解決方案已經具備了技術和成本方面的優勢。Fairchild的ML4803即是這樣一個小的8引腳封裝器件，在此之前，許多人都認為這是不可能的。

其實設計一離線SMPS并不象初看上去那樣可怕，通過使用這些適合不同應用、不同功率范圍的種類繁多的器件，以及相應的技術支持，設計這種離線SMPS已非常容易?！觯ü猓?/font>