基础篇
1 开关电源的特点与分类
1.1 线性、开关电源的特点
线性电源（Switching Mode Power Supply）首先通过工频变压器降压，再用整流桥整流，之后利用功率半导体器件工作在线性放大状态，通过调节调整管的线性阻抗来达到调节输出电压的目的。其优点是稳定度高、可靠性好、无电磁干扰、纹波系数小、设计简单、维修方便、抗雷击性能好、成本低；其缺点是调整管损耗大、工频变压器体积大、笨重、输入范围窄、效率低。
开关电源是利用功率半导体器件的饱和区，通过调整其开通时间或频率来达到调节输出电压的目的。其优点是功率电子器件损耗小、高频变压器体积小、重量轻、效率高、输入范围宽；其缺点是电磁干扰大、纹波系数大、设计复杂、维修不方便、抗雷击和浪涌能力较差、成本高。
目前，在小功率的电源中还存在一些线性电源，但在中、大功率的电源中，线性电源已经被开关电源所取代。随着控制芯片频率的提高和功能的增多，高速和低功耗功率开关管的研制成功，开关电源是未来电源主要的发展方向。
1.2 开关电源的电路类型
开关电源主要由三部分组成：PWM控制模块、开关管（BJT、MOSFET、IGBT等）和滤波器（电感、电容）。隔离开关电源还包括隔离变压器。当然还要考虑EMI（Electro Magnetic Interference，即电磁干扰）、PFC（Power Factor Correction，即功率因数校正）的设计。
（1） 按隔离、非隔离分类
开关电源可以分为非隔离型和隔离型。非隔离型开关电源也就是无变压器的开关电源，主要分为降压电路（BUCK）型、升压电路（BOOST）型、升降压电路（BUCK-BOOST）型、CUK电路型、SPEIC电路型、ZETA电路型；隔离型开关电源也就是有高频变压器的开关电源，主要分为单管（双管）正激（FORWARD）电路型、反激（FLYBACK）电路型、半桥（HALF-BRIDGE）电路型、全桥（FULL-BRIDGE）电路型、推挽（PUSH-PULL）电路型。
（2）按输入和输出分类
可以分为以下几类。
① AC-DC，即交流-直流：把交流输入变换成直流输出，如一次电源；
② DC-DC，即直流-直流：把直流输入变换成另一种电压（电流）输出的直流输出或为隔离目的而进行的设计，如二次电源；
③ DC-AC，即直流-交流：把直流输入变换成交流输出，如逆变器电源；
④ AC-AC，即交流-交流：把交流输入变换成交流输出，如UPS电源。
（3）按电路的组成分类
可分为有谐振型和非谐振型。带软开关控制电路的为（准）谐振型，如LLC型开关电源就是准谐振型；其他为非谐振型，如BUCK、BOOST开关电源等。
（4）按控制方式分类
① 脉冲宽度调制（PWM）式，是指控制开关管的导通周期是固定不变的，通过改变脉冲的宽度来调节占空比，使输出电压（或电流）改变。
PWM型开关电源具有下列优势。
a.体积小、重量轻：这是因为高频变压器相对工频变压器来说更加轻巧，所以体积变小、重量也大大减轻了。
b.效率高：由于开关管处于开关状态，而其导通电阻极小，消耗在开关管上的功率很小，所以其效率较高。
c.适应性强：由于开关管只工作于导通和断开两种状态，而脉冲宽度的调节范围，理论上可达0～100%之间，由此可见其适应输入电压的范围宽、输出电压的范围大。
d.可防止过高电压的损害：当由于电压过高而使开关管被击穿烧坏时，主回路就停止工作，也就不会有电压输出；当控制电路发生故障而引起输出电压上升时，过电压保护电路将在电压上升到高电压阈值电平时使主回路停止工作，同样不会有电压输出。
e.当输入电压突然断电时，输出电压会继续保持一段时间。由于输入电压比较高，电容储存了很大的电能，再加上它的输出电压必须保持在额定值，保持时间一般可达20ms以上，这就便于实现信息的保护。
f.输出电压越低，那么输出电流就会越大：设计开关电源时，其功率是有一定要求的，由于电流与电压的乘积保持不变，所以输出低电压，就会输出大电流，这为恒流源的设计带来了思路。
② 脉冲频率调制（PFM）式，是指通过改变开关管的导通周期，而脉冲的宽度是固定的，即占空比是不变的，从而使输出电压（或电流）改变。
它不仅具有PWM的优点，而且因为开关时间可以在很宽的范围里发生改变，理论上可在0～∞之间变化，因此其输出电压的可调范围很大，但其滤波电路要适应较宽的频段。
③ PWM与PFM混合式。混合调制方式是脉冲宽度和开关频率均变化，两者都可以改变的方式，它是PWM和PFM两种方式相结合。开关管的导通时间和开关的周期都相对地发生改变，在频率变化很小的情况下，利用占空比的变化就可以输出电压的变化范围很大。
1.3 开关电源的工作模式
开关电源的工作模式主要有三种：连续工作模式、断续工作模式和临界工作模式。
连续工作模式即电路中的电流连续不断（Continuous Current Mode，简写为CCM），例如BUCK电路，其电感电流永远大于零；断续工作模式即电路中的电流有时没有（Discontinuous Current Mode，简写为DCM），例如对于BUCK电路，其电感电流会在一段时间内为零；临界工作模式即电路中的电流减小到零后，电流就开始增加（Critical Current Mode，简写为CRCM），例如对于BUCK电路，其电感电流在放电为零的瞬间便进入充电状态。
三种方式各有优缺点。例如CCM的纹波小，但效率低；而DCM的纹波大，但效率高；CRCM的纹波和效率介于CCM和DCM之间。在设计电源时，需要根据设计要求、成本、外围电路以及安装空间等，进行综合考虑。
1.4 零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）方式
PWM功率变换技术淘汰了庞大笨重的工频变压器，减小了变压器的体积和重量，提高了电源的功率密度和整体效率，减小了电源的体积和重量。但是，随着设备功能的增加，供电电源功率和输出路数也将增加，势必要求开关电源的功率密度更大、效率更高，且体积更小、重量更轻、可靠性和稳定性更高，这便迫使在变换器的工作频率不断提高的同时，拓扑结构和开关思想方面要有所突破。因此，仍使用硬开关技术一定会碰到以下几个难题：
① 开关损耗大：当开关管导通的瞬间，开关管两侧存在电压，而导通的瞬间电流很大；当开关管截止的瞬间，开关管两侧还有电流通过，且开关管两侧存在电压。根据功耗的定义，不管开关管导通还是截止的瞬间，均有一定的开关损耗，且随着开关频率的增加而增加。
② 开关管所受应力大：开关管截止瞬间，电路中的感性元件上仍有电流，因而会产生一个反电动势，这是一个幅值比较大的尖峰电压；同理，当开关管导通的瞬间，电路中的容性元件上仍有电压，因而会出现充电电流，这是一个幅值比较高的尖峰电流。尖峰电压与尖峰电流都会对开关管造成不小的危害，而且频率越高，尖峰电流与尖峰电压越大，这会使开关管受很大的反向应力而损坏。
③ EMI大：随着工作频率的增加，电磁干扰（EMI）会变得更加严重，这会对开关电源自身以及周围的电子设备造成严重的影响。
因此，若能在开关管导通的瞬间使电压为零，在关断的瞬间使电流为零，即可实现开关管的零损耗。那么就可以设想下面的两个开关过程。
（1）零电流开关（Zero Current Switching，简称ZCS）
开关管理想的关断过程是先使电流降为零，再使开关管截止，之后电压再缓慢地上升到瞬态值，关断损耗近似为零。因为开关管截止之前，电流已经下降到零，这便解决了感性元件关断时的尖峰电压问题。
（2）零电压开关（Zero Voltage Switching，简称ZVS）
开关管理想的导通过程是先使电压降到零，再使开关管导通，之后电流再缓慢上升到瞬态值，导通损耗近似为零。开关管导通的瞬间，其结电容上的电压为零，从而解决了容性元件导通时的尖峰电流问题。
这种开关技术，相对于硬开关技术，称作软开关技术。软开关技术的使用，从理论上来讲可使开关的损耗接近于零，进而使开关频率进一步提高，从而使变换器的工作效率得到提高，其功率密度更大、体积更小、重量也进一步减轻，在一定程度上提高了可靠性和稳定性，并且可以有效地减少电磁污染。
虽然软开关技术相对于硬开关技术有更大的优越性，但其控制电路和控制算法更加复杂，需要采用谐振技术或准谐振技术才能实现ZVS和ZCS。采用谐振极型零电压零电流软开关技术旨在消除功率器件的开关损耗，但实际上在软开关谐振换流过程中会引入多次额外的二极管反向恢复过程，产生额外的损耗。由于软开关换流过程中的特殊性，采用一般的方法难以对反向恢复过程中的损耗进行评估和计算，给ZVZCT软开关设计带来了一定的困难。