第2篇 什么是开关电源？它的结构和电源革命的历史

线性AC适配器笨重的原因

AC适配器可将商用交流转换为直流，很适合用来讲解电源的基本技术。在以前，AC适配器大部分都很笨重，但现在它们已被替换为手机充电器那样小巧轻便的款式了。这是因为自2000年以来，它们从传统的线性式逐渐地换成了如今主流的开关式。

线性式和开关式的差别我们之后再详述，现在首先来介绍一下传统的简易AC适配器（省去稳定电路的简易线性电源）。这类AC适配器的特点是电路简单廉价，用于无线电话、台式电脑扬声器、电动工具等设备。虽然从外观上难以看出，但其重量和体积的大部分是线圈缠绕铁芯的电源变压器。这种电源变压器能将商用交流电压转换为低压，并利用了正向通行电流、逆向阻断电流的二极管性质，对交流电进行整流。

不过，就算经过了整流，电流也仍然是远不到直流程度的脉流，因此需要用包含电容器的平滑电路进行平整。储存电荷是电容器的基本性质之一。如图所示的整流电路使用了桥型二极管（全波整流式），即使交流电的方向改变，电容器中也始终通行同方向电流，从而储存电荷。因为周期性的电流增减，脉流的电压变化大，所以需要电容器释放储存起来的电荷，抑制电压变化。这便是平衡电路的作用，由于平滑电容器需要大容量，因此一般采用铝电解电容器。在平衡电路中，扼流线圈有时也会和电容器一起串联使用。这是利用了线圈妨碍电流变化的性质，以实现进一步的平滑。

数字化电子设备所必需的“直流稳定电源”

将商用交流转换为直流，这是以AC适配器为代表的AC-DC电源的基本功能。不过虽然统称为直流，但其质量却千差万别。在上述的AC适配器简易电路中，即使脉流经过平滑，也会留下水纹一样的残留波。而且商用交流的电压变化也会导致输出端直流电压的变化。这类变化对电池充电等功能还没多大影响，但却是低压驱动的集成电路故障的原因，因此就需要更加平坦而稳定的直流电。所以，具有稳定电路（regulator）的电源也称为稳定电源。

根据原理区别，稳定电源可大致分为线性电源和开关电源。线性电源是从真空管时代沿用过来的方式。其原理非常简单，就是在电路中插入可变电阻，由此来调整输出电压。而用来调整电源的是名为齐纳二极管和三端口集成电路（三端口稳压器）的元件。

齐纳二极管也称为稳压二极管。二极管一般用作整流元件，让一定方向的电流通行，并阻断反方向的电流。不过，逐渐增加二极管的反方向电压的话，它也会逐渐难以耐受，最后突然开始通行电流。齐纳二极管就是利用了这个现象，以某个电压值为界限允许电流流动，发挥稳压二极管的功能，这样就能稳定输出电压。

三端口集成电路可检测齐纳二极管的稳定电压（标准电压）和输出电压间的误差，并用晶体管增幅、修正它，从而使电压稳定。它将整个电路制作为片状，含有IN、OUT、GND（Ground）三个端口，所以叫做三端口集成电路。三端口集成电路体积小、使用方便，因此常用语电子设备中。不过它的热损耗较大，所以需要散热板来排热。因此，它不适用于大功率电源，但因为具有电路简单、噪声少的优点，可用于计量设备、医疗设备、高级音频设备等。

推动电源小型、轻量、高效化的开关电源

接下来，终于要介绍开关电源了。我们最常见的开关电源就是手机的充电器。其电路比上述的简易AC适配器复杂得多，但因为稳定电路的集成化，它如今已变得非常小巧。另外，它并不像简易AC适配器那样装有笨重的电源变压器，因此实现了大幅的小型、轻量化。

开关电源中凝结了过往的电力电子学技术的结晶。1960年代的真空管如今已换为半导体元件（二极管和晶体管等），但电源的小型化和高效化却并未有太大进展。这是线性电源的宿命。这是因为晶体管发热，就需要散热板排热，而电源变压器也依然笨重。

开关电源则通过与线性电源完全不同的方式，解决了这个问题（NASA的阿波罗计划推动了它的开发）。两种方式的第一点区别在于，线性电源是靠变压器将商用交流电转换电压后再整流，而开关电源是先将商用交流电整流为直流后，再转换电压。不过，整流后就没法靠变压器来转换电压了。于是，开关电源会通过半导体元件（晶体管或MOSFET）的高速开关切换，将整流后的电流转换为脉冲交流，再送往高频变压器。当然，这么做会让电路变复杂，元件数量也会增多。那么为什么这种麻烦的做法会是开关电源的重点所在呢？

开关电源的控制方式有多种，最有代表性的就是PWM（脉冲幅度调制）式。它会调整脉冲波的幅度（开关ON/OFF周期中的ON时间），让各脉冲的面积相同，从而使电压稳定。在效率方面，线性电源会将部分电力会不断转换为热能舍去，从而保证电力稳定，因此效率怎样都没法提高，而开关电源类似于将电力剪切拼贴，没有无效输出，因此效率极高。

此外，变压器的大小与频率成反比。线性电源的变压器交流频率为50Hz/60Hz的低频，因此非常笨重，而开关电源的脉冲频率为数十-数百kHz的高频，因此变压器也小型而轻量。不过，在高频环境下，变压器磁芯的铁芯损耗会变大，变得无法使用。因此，铁氧体磁芯就变得不可或缺了。只要将电源效率提高1%，整个社会就能实现巨大的节能效果。在电力电子学的世界，TDK的铁氧体技术正是因此才受到了人们的深切期待。话虽如此，开关电源也是有弱点的。那就是高速开关切换产生的噪声。电源是对抗发热的战场，而开关电源的出现让它又成为了对抗噪声的战场。而在这方面，TDK的技术也能够大展身手。