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电源是现代电子设计的重要部分，并且市面上有许多可用的组件能够帮助工程师设计出节能、紧凑的电源产品。这些组件范围从简单的二极管等分立元件到采用高级半导体架构的复杂电源管理IC。
设计高能效电源是一项极具挑战的任务，电源工程师需要这些电源产品提供尽可能多的功率（通常需要比上一代产品提供更高的功率），同时又需要使其体积尽可能小。但是，在较高的功率水平级别，会产生很多需要消散的热量，不断积累的热量会对电源产品的长期可靠性带来负面影响。
电源系统的类型
1、按输出特性分类：
一般来说，电器系统中的电源，其任务就是为电器系统中的各种电路提供电能。由 于电路的类型各易、功能有别，因此对电源供给也有不同的要求。这就给电源输出提出 了各种各样的要求：
①恒压电源：又叫稳压电源，要求输出电压值固定，不随负载、输入电压等外部工 作条件而变化。同时对电源的最大输出电流、最大输出功率、工作效率、输出电压稳定 度（漂移）、纹波系数、电磁兼容 EMC 特性、温度效应、噪声、阻抗特性等都有特定的 要求。 此类电源的应用最广，绝大多数的电子电路都需要电压稳定的电能供给，以至于很 多人认为电源就是指稳压电源。
②恒流电源：要求能够在一定的负载变化范围内，提供稳定的电流输出。同时对最 高输出电压、最大输出功率、工作效率、输出电压稳定度（漂移）、纹波系数、电磁兼 容 EMC 特性、温度效应、噪声、阻抗特性等都有特定的要求。 此类电源一般只应用在一些特殊的场合，比如：电池充电电路。恒流电源还有一个 比较特殊的用处，由于恒流电源具有极高的交流阻抗（理论值为∞）特性，因此在信号 放大系统中也常常用它来作为交流负载，即可以获得足够大的交流增益，还可以靠它为 放大电路提供电能。
③综合电源：一些特殊的应用，要求电源在不同的时候呈现恒压或恒流的特性。比 如一些比较高级的电池充电器电源，在刚开始的时候采用恒流方式给电池充电，当充电 接近完成时，自动转换成为恒压方式充电。
2、按输入输出电量类型分类：
我们最容易获得的，而且是最廉价的电能是 220V 工频的交流电，因此多数的电器 都被设计成为能够使用这种交流电；一些便携式电器设备，如移动电话，笔记本电脑等， 为了移动方便，使用了电池供电，电池的输出是低压直流电。但是，电器中几乎全部的 电子电路，都只能在特定电压的直流供电状态下工作。因此，这就带来了交流电（AC） 与直流电（DC）之间的转化问题，以及交流电压、直流电压的高低变换问题，于是我们 按照电源的输入输出电量类型关系，可以把电源分为以下类型：
①普通电源（AC/DC）：输入非稳定的 220V 工频交流电，输出为较低电压的稳定直 流电。
②直流变换器（DC/DC）：输入非稳定的直流电，输出为稳定的更高电压，或者更 低电压的直流电。
③交流逆变器（DC/AC）：输入非稳定的直流电，输出稳定的 220V 工频交流电。此 类电源常用在交通工具上，用来使蓄电池对常规电器设备（电视、录象机等）供电。
④交流稳压器（AC/AC）：输入非稳定的 220V 工频交流电，输出稳定 220V 工频交 流电。 ⑤组合电源：以上类型电源的组合。比如应急电源 UPS 就是 AC/DC 电源与 DC/AC 电 源的组合。
3、按电源主回路的联接方式分类：
无论是什么类型的电源，都是通过某种方式对输出端的电压或者电流进行特定的操 作。比如 DC/DC 是对输出电压的幅度进行调整，其实稳压的过程实质也是调整输出电压 值，通过电压反馈的方式调整输出电压，使其稳定在某一个数值上。而“调整”最终都 需要由调整器件来完成。 电源主回路的联接关系，实际上就是：输入端、调整器件、负载（输出端）三者的 联接关系。
① 串联式电源：主要特征是调整器件与负载为串联联接，如下图所示。其中，三 极管 VT 为调整器件，RL 为负载。
②并联式电源：主要特征是调整器件与负载为并联联接，如下图所示。其中，三极 管 VT 为调整器件，RL 为负载，R 为限流电阻。
4、按调整器件的工作方式分类：
调整器件是通过改变电荷的通过数量，来达到调整或者稳定负载（输出）端电压或 者电流的目的，而调整的方法有两种，一种是限制电流大小的方式，另一种是限制导通 时间的方式：
①模拟方式：通过改变调整器件的阻抗，限制电流大小，从而达到调整目的，由于 调整器件处于连续导电状态，工作于线性模式，因此称为“模拟方式”，也叫模拟电源。
②高速开关方式：通过改变调整器件的导通时间，限制平均电流的大小，从而达到 调整目的，由于调整器件处于高速通断的开关导电状态，工作于开关模式，因此称为“开 关方式”，也叫开关电源。 下图是串联型和并联型开关电源主回路的原理示意，并联型结构，能够得到 Uo＞ Ui 的升压型 DC/DC 变换；串联型结构，能够得到 Uo＜Ui 的降压型 DC/DC 变换。以后我 们将更详细地分析电路的工作原理。
开关电源最大的优点是效率极高，由于调整器件无论处于通电状态（端电压等于 零），还是处于关断状态（电流等于零），都不消耗能量，因此，理论上可以做到 100%的工作效率，实际也可以达到 80%以上。而模拟电源是绝对达不到如此高的工作效率。 因此开关电源成为现代电子电源的主流发展方向。
5、按调整器件的类型分类：
电源中的调整器件是组成电源系统的关键。半导体双极型功率三极管（普通功率三 极管）、功率场效应管、可控硅器件、电子真空管、半导体稳压二极管、饱和电感器辉 光放电管等都可以作为电源系统的调整器件，因此可以有以下一些电源的种类：
①双极型半导体电源；
②场效应管电源；
③真空管电源；
④其他类型电源。
关键的电源组件有哪些？
电源中使用的组件会对整体效率产生重大影响。下面将简要分析各种主要组件类别。
二极管
如果使用管道作为类比，可以将二极管视为一种单向阀，它允许电流沿单向（从阳极到阴极）通过，但会阻止任何反向电流流动。二极管通常用于将交流电（AC）转换为直流电（DC）的整流过程，其中四个二极管背靠背排列，这种电路称为全波“桥”形整流。在整流应用中，需要考虑的主要参数是正向电流额定值（安培）和可以承受的反向电压。二极管在开关应用中也很有效。
市场上有几种可供选择的二极管类型，在电流导通时，由于每种特定类型相关的正向电压不同，这些二极管的区别变得尤其明显。常规二极管的压降最大，这会导致更多的损耗，以及二极管中的散热。而肖特基二极管的正向压降更低，这使其损耗较小，但需要权衡的因素是其反向击穿电压较低。
二极管在电流导通和阻止交流电流之间的转换速度也很重要。采用常规材料制成的二极管速度有快有慢，而肖特基二极管（Schottky diodes）的速度几乎都很快。
碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等全新宽带隙（wide-bandgap）半导体材料现在已经被用于二极管组件，这些新材料可以改善所有主要性能参数（如温度额定值、正向电压、反向击穿电压和速度等）。毫不奇怪，这些新型组件目前价格也比较昂贵，但其单价会随着产量的增大而降低。
齐纳二极管（Zener diode）是一种特殊类型二极管，用于钳位瞬态电压或创建相当精确的电压基准。这种独特的二极管可阻止反向电流直至某个特定电压，然后允许电流流过。通常选择齐纳二极管时需要考虑反向击穿电压。
功率晶体管
晶体管是一种能够由电压控制的固态开关。电流能够在“集电极”和“发射极”之间通过，这取决于基极上的电压。通过以高电压或低电压驱动基极，晶体管可以用作硬开关，这意味着电流或为满量程，或为零。在基极上具有中间电压的情况下，晶体管在其线性区域操作，并且电流由基极电压控制。
双极结型晶体管（BJT）是最简单的晶体管类型，通常仅用于低功率设计。BJT具有几个不同的参数，但主要参数包括额定电流，在基极关断时承受集电极和发射极之间电压的能力、工作速度和电流增益（基极电流与集电极-发射极电流之比）。根据控制电压和开关电压的极性，BJT可分为NPN或PNP型，并使用略有不同的符号。
另一种类型晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。与BJT相似，它们也是三极器件，但是各个极获重新指定。在MOSFET中，控制引脚称为“栅极（gate）”，受控电流在“漏极（drain）”和“源极（source）”之间通过。MOSFET的主要参数类似于BJT，包括额定电流、关断时可承受的漏-源极电压以及能够提供的功率。
对于功率应用中的MOSFET，最重要的参数是导通时在漏极和源极之间测得的电阻，这称为“导通电阻”，其符号为RDS（ON）。导通电阻会造成MOSFET固有的功率损耗，并且对电源设计的整体功率损耗影响很大。另一个重要参数是驱动栅极所需的电荷量，称为栅极电荷，用符号QG表示。这些电荷需要在每个开关周期提供，因此对高频电源的损耗影响更大。
由于MOSFET的功率损耗通常低于BJT，因此MOSFET可用于更高功率应用，尤其是现代高速设计，因为它们能够以比BJT更高的频率工作。MOSFET主要有四种类型，N沟道和P沟道两种类型如图4所示，另外还有增强模式和耗尽模式器件。这些名称也确定了器件的极性，以及栅极是在常关（normally-off）模式还是在常开（normally-on）模式下工作。所有MOSFET均可在漏极和源极之间双向传导。
BJT和MOSFET技术可以组合使用，以创建另一种晶体管，称为绝缘栅双极晶体管（IGBT）。这种器件也具有一个门极（gate）以及一个集电极和一个发射极，但是由于它们速度相对较慢，并且是较旧的产品，因此一般仅在开关模式下使用。尽管IGBT通常频率限制在50kHz左右，但它们可以应对更高的功率水平（典型值高达5kV/400A）。因此，它们通常部署在电机控制、动力电源和大型逆变器等高功率应用中。
最后一种类型晶体管是晶闸管（thyristor），也称为交流三极管（TRIAC）或可控硅整流器（SCR）。区别在于TRIAC可以双向导通，而SCR只可以单向导通，这些器件的符号都代表了相应器件类型，如图5所示。两种类型都是由门极引脚控制的锁存开关（latching switches），它们都非常适合大功率应用。
电源管理IC
电源转换有多种类型：AC-DC、DC-DC和DC-AC，就像电源转换方法种类繁多一样，电源应用中使用的IC也多种多样。对于这些，有许多拓扑架构可适用于特定的应用标准。一些最流行的拓扑架构包括降压、升压、桥式、半桥等。一些制造商提供的IC可以用作电源系统设计的控制器，通常一个完整的设计仅需要外部MOSFET和一些分立元件即可，从而缩短了开发时间。
某些设计可能要求进行线性转换，但这些往往适用于需要超低噪声的医疗和科学仪器等专业应用。一些线性控制器需要外部MOSFET，而另外一些则内置有MOSFET，因而它们通常被称为“三端稳压器（three-terminal regulators）”。线性转换的效率往往较低，在输入和输出电压之间的差异较大时更是如此。
通常，开关模式电源转换更为常见，市场上也拥有更多这种IC。专为低功率应用而设计的器件可能在控制器内集成有MOSFET，而对于高功率应用，它们通常是独立的。有些器件可能很复杂，并且需要设计多相电源解决方案。还有许多IC能够集成到更大、更复杂的系统中，可用于与电源相关的其他功能。
两种提高电源效率的技术
全球对能源成本上涨、环保和能源可持续性的关注正在推动欧盟、美国加州等地的相关机构相继推 出降低电子设备能耗的规范。交流输入电源，不论是独立式的还是集成在电子设备中的，都会造成 一定的能源浪费。首先，电源的效率不可能是 100% 的，部分能量在电源大负载工作时被浪费掉。其次，当负载未被使用时，连接交流线的电源会以待机功耗的形式消耗能量。
近年来，对电源效率等级的要求日趋严格。最近，80% 以上的效率已成为了基本标准。新倡议的能 效标准更是要求效率达到 87%及以上。此外，只在满负载下测量效率的老办法已被淘汰。目前的新 标准涉及了额定负载的 25%、50%、75% 和 100% 这四个点的四点平均水平。同样地，最大允许待 机功耗也越来越受到限制，欧盟提议所有设备的待机功耗均应低于 500mW，对于我们将讨论的电 视机，则小于 200mW。
除专家级的高效率电源设计领域之外，电子设备中所用的功率范围从 1W 到 500W 的交流输入电 源 ，一直以来主要采用两种拓扑：标准 (或硬开关) 反激式 (flyback) 拓扑，和双开关正激拓扑。这 两种拓扑都很易于理解，而它们存在的问题，以及如何予以避免，业界都已有充分的认识。
不过，随着对效率的要求不断提高，这两种拓扑将逐渐为三种新的拓扑所取代：准谐振反激式拓扑、LLC 谐振转换器拓扑和不对称半桥拓扑。准谐振反激式拓扑已被成功用于最低功率级到 200W 以上的范围。在 70W-100W 范围，LLC 谐振转换器比准谐振反激式拓扑更有效。而在这两个功率 级之上，不对称半桥转换器也很有效。
准谐振反激式和 LLC 谐振转换器在嵌入式交流输入电源中的应用越来越广泛。
准谐振转换器的实际工作范围上从超低功率级到 100W 左右。对于集成式解决方案，7W/12V 电源的满负载效率约为 81%；而对采用了带外部 MOSFET 的准谐振转换器的 70W/22V 电源，满负载效率则超过了 88%。前者的待机功耗远低于 150mW，后者的则小于 350mW。采用较低的输出电压，效率必然会迅速降到上述水平之下。一个 5W/5V 的电源将在输出二极管上消耗至少 10% 的额定输出功率。
准谐振拓扑还有一个好处是 EMI 远小于硬开关应用的，其频率将随 400V 输入电容上的纹波而变化，导致自然的频谱扩展。此外，由于开关行为在较低电压时发生，开关噪声减小，故共模 EMI噪声也相应减小。
LLC 谐振转换器的实际工作范围从 70W 左右到 500W 以上，带有一个 PFC 前端的 FSFR2100 已用于实现 200W 到 420W 的电源。对于高达 200W 的应用，一般无需使用 FSFR2100 上的散热器，但通常建议在输出端使用一些肖特基二极管，而这些往往需要散热器。此外，也可以采用同步整流方法，这时因为采用了 MOSFET (虽然 MOSFET 的控制信号不易产生)，因此无需散热器。对于采用了肖特基二极管的应用，典型的峰值效率依照输入电压、输出电压和输出功率情况，大约在 90%到 95%之间。
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