線性電源與開關電源的區別

電源按照轉換原理分類，可分為線性電源和開關電源。我們對電源進行線性電源和開關電源分類的時候，其實要明確是AC/DC還是DC/DC。雖然這個分類是為了區分轉化的原理。但是實現AC/DC功能的線性電源和開關電源，都是完整的交流轉化為直流的過程嗎，其中有些電路的一部分就是由DC/DC組成的。

AC/DC的線性電源與開關電源

有很多的課本、書籍、文章，直接會把線性電源特指“AC/DC的線性電源”， 什么是線性電源？線性電源（Linear power supply）是先將交流電經過變壓器降低電壓幅值，再經過整流電路整流后，得到脈沖直流電，后經濾波得到帶有微小波紋電壓的直流電壓。

AC/DC的線性電源和開關電源的特點區別如下：

AC/DC的線性電源先用工頻變壓器進行交流電降壓，然后對其進行整流。通過變壓器降壓后電壓已經比較低了，可以使用三端穩壓器等電源芯片進行穩壓。線性電源的調整管工作在放大狀態，因而發熱量大，效率低（與壓降多少有關），需要加體積龐大的散熱片。工頻變壓器體積也相對比較大，當要制作多組電壓輸出時，變壓器體積會更大。

AC/DC開關電源的調整管工作在飽和和截止狀態，因而發熱量小，效率高。AC/DC開關電源省掉了大體積的工頻變壓器。但AC/DC開關電源輸出的直流上面會疊加較大的紋波，在輸出端并接穩壓二極管有可能可以改善，另外由于開關管工作時會產生很大的尖峰脈沖干擾，也需要在電路中串連磁珠加以改善。相對而言線性電源的紋波可以做得很小。開關電源通過不同的拓撲結構可以實現，降壓、升壓、升降壓，而線性電源只能實現降壓。

早期很多電源適配器都比較重，其轉換原理就是AC/DC線性電源，其內部用的是工頻變壓器。AC/DC線性電源是先用變壓器把交流電壓進行降壓，這種直接在市電進行降壓的變壓器，我們稱為工頻變壓器，如圖1.9所示。工頻變壓器也稱作低頻變壓器，以示與開關電源用高頻變壓器有區別，工頻變壓器在過去傳統的電源中大量使用。工頻電力工業的市電標準頻率，一般也稱作市電（“市電”是指：城市里主要供居民使用的電源）頻率，在我國是50Hz,其他國家也有60Hz的?？梢愿淖冞@個頻率交流電的電壓的變壓器,就是叫工頻變壓器了。工頻變壓器相對于高頻變壓器，一般體積比較大。所以有工頻變壓器實現的AC/DC線性電源體積也就比較大。

工頻變壓器

下圖是典型的線性電源電路圖，實現交流轉直流的電源，市電交流220V經過變壓器、整流器、電容濾波，由線性穩壓管實現需要的輸出電壓，實例中實現+5V和-5V兩個直流的輸出。

典型的線性電源電路圖

60年代開始，由于微電子技術的快速發展，出現了高反壓的晶體管，從此直流變換器就可以直接由市電經整流、濾波后輸出一個高壓直流，作為電源轉換電路的輸入，不再需要工頻變壓器降壓了，從而極大地擴大了它的應用范圍，并在此基礎上誕生了無工頻降壓變壓器的開關電源。省掉了工頻變壓器，又使開關穩壓電源的體積和重量大為減小，開關穩壓電源才真正做到了效率高、體積小、重量輕。下圖是一個典型的單端輸出反激式開關電源的功率部分原理圖。

典型的單端輸出反激式開關電源的功率部分原理圖

交流/直流開關電源是需要先對交流電源進行整流濾波形成一個近似的直流高壓，然后再通過控制開關管，產生高頻的脈沖，通過變壓器進行變壓。交流/直流開關電源效率更高，體積更小。體積小的一個重要原因是高頻變壓器比工頻變壓器體積小很多。為什么頻率越高，變壓器體積越??？

變壓器鐵心材料都有飽和限制，所以磁場強度的峰值都有限制。而交流電的電流、磁場強度、磁通量都是正弦信號。我們知道，同樣幅度的正弦信號，頻率越高，信號的“變化率”的峰值也越大（正弦信號過零的瞬間是“變化率”的峰值，而信號峰值時變化率是0）。同時，感生電壓又是由磁通量的變化率決定的。所以，同樣的每匝電壓，頻率越高，需要的磁通量的峰值，就可以越小。但是上面已經說過，磁場強度的峰值是有限制的。故磁通量要求小了，鐵芯的橫截面積就可以小。上面的分析，是假定同樣的每匝電壓。而每匝電壓這就和功率有關了。因此，也就是假定同樣的功率。假如功率小一些，電流也就小一些，允許的導線細一些，電阻稍大一些，就允許增加匝數，這樣，每匝的電壓也就減小了，同樣可以減小磁通量的要求。進而減小體積。還有，上面的分析，是假定材料一定，即飽和磁場強度一定。當然，如果采用了具有更高飽和磁場強度的材料，也可以減小體積的。我們知道，現在的變壓器，和幾十年前的同樣規模變壓器相比，現在的體積要小得多，就是因為現在采用了新型鐵芯材料。

根據麥克斯韋方程，變壓器線圈內的感生電動勢E為

也就是磁通密度B隨時間的變化率在N個面積為Ac的線匝的積分。

對于變壓器，變壓器原邊的感生電動勢E與輸入側加的電壓U可以認為是線性關系。變壓器輸入側的U幅值不變的前提下可以認為E幅值也不變。

此外，每種磁芯的磁通密度B會有一個上限，高頻用的鐵氧體大約在零點幾特斯拉，工頻用的鐵芯大約在略大于一的水平，差距不是很大。

因此，當頻率提高后，在磁通密度B峰值變化不大的前提下，每個周期內的磁通密度變化率dB/dt是大幅增加的，因此可以用更小的Ac或N實現相同的感生電動勢E。Ac減小，意味著磁芯截面面積減??；N減小，意味著可以縮小磁芯空窗的面積，兩者都可以幫助實現更小的磁芯體積。高頻變壓器的橫截面積更小，線圈的匝數變少，這樣它的體積也就更小了。

開關電源的調整管工作在飽和和截至狀態，因而發熱量小，效率高。AC/DC開關電源不需要使用大體積的工頻變壓器。但開關電源輸出的直流上面會疊加較大的紋波，另外由于開關管工作時會產生很大的尖峰脈沖干擾，也需要在電路中對電源進行濾波加以改善電源的質量。相對而言線性電源就沒有以上缺陷，它的紋波可以做的很小。

DC/DC的線性電源與開關電源

幾乎所有電子相關專業的同學，接觸最早的一個穩壓電源，也是最簡單的一種穩壓電源，就是三端穩壓器，也是一種線性電源。

常見的三端穩壓集成電路有正電壓輸出的78XX系列和負電壓輸出的79XX系列。

三端穩壓器是指這種可以實現穩壓電壓輸出的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。經常在有些電路實驗課程中，它的樣子像是三極管，一般為TO-220 的標準封裝，也有TO-92封裝，如圖所示。這種大封裝的三端穩壓器，可以實現大功率。

用78/79系列三端穩壓器來組成穩壓電源所需的外圍元件極少，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩壓IC型號中的78或79后面的數字代表該三端集成穩壓電路的輸出電壓，如7806表示輸出電壓為正6V，7909表示輸出電壓為負9V。因為使用方便，電子制作中經常采用，這也誤導了很多剛畢業的工程師喜歡使用三端穩壓器來實現穩壓電源。

這種三端穩壓器是線性電源的一種。線性電源的基本原理就是：電阻分壓，只不過有一個動態調整的電阻。不管是線性電源還是開關電源都是輸出電壓負反饋。只不過線性電源通過一個三極管處于一個放大區，等效于一個可以變化阻值的電阻，對輸出負載進行分壓。通過輸出電壓分壓后反饋，來控制三極管來實現輸出的穩壓。

線性電源的優點有:

①輸出電壓的精度較高

② 輸出電壓紋波低，幾個uV甚至更低

③ 沒有開關的跳變EMI比較小

④ 結構簡單

⑤ 動態響應快，穩壓性能好

線性電源的缺點有：

①損耗大，效率低

② 只能實現降壓

③ 散熱器的體積大，重量大

④ 輸入輸出電壓范圍適應性差

其實我們在介紹AC/DC線性電源和開關電源的時候，我們可以發現，其實都是將交流電源通過整流濾波變成直流信號，然后再利用“直流轉直流”的線性電源或者開關電源變換成我們期望的電壓輸出。只不過AC/DC的開關電源會有隔離的需求，我們會選擇隔離電源，利用變壓器實現隔離，并且利用變壓器的匝數比進行降壓。

線性電源：采用調整管工作在線性區的方式，通過控制壓差實現，后級電路進行穩壓，沒有開關噪聲，輸入與輸出不能隔離。只能用于降壓，同時存在損耗，功耗大時溫度會逐步升高，一般用于功耗不大的應用。

開關電源：采用開關管開關的方式，損耗一般較低，輸入與輸出能夠隔離，可以實現升壓和降壓、升降壓的電路。存在開關噪聲。電路相比于線性電源更復雜一些。

那么開關電源為什么發展越來越好，在各個領域逐步替代線性電源的比例越來越高呢？開關電源與線性電源的區別，也是經常被問及的問題。對于直流轉直流的線性電源和開關電源的對比，如表1.2所示：

表 1.2線性電源與開關電源的對比

?

?

開關電源的效率計算比較復雜，實測出來也是一個曲線：

我們可以看到開關電源在輕載的時候和重載的時候效率比較低，在輸入電壓和輸出電壓的壓差大的時候效率更低。具體的計算過程，我們在后續進行介紹。

一般情況下，相比于輸出功率，線性電源自身的基準電壓源、放大器、取樣等電路消耗的功率比較小，工程實現時經常忽略不計，即可以認為線性電源的輸入電流和輸出電流大致相等，而線性電源自身的功耗可以認為就是調整管上的功耗。線性電源的本質是一個電阻分壓，所以我們可以直接用公式計算損耗功率及效率：

審核編輯：湯梓紅