在本系列視頻教程的第三部分中，我們討論了線性電源的測試和使用方法，介紹了如何通過線性穩壓器來保持穩定的輸出電壓。在第四部分中，我們將深入探討開關電源，包括降壓（Buck）和升壓（Boost）轉換器，它們可以將輸出電壓進行升高或降低。

一、開關電源簡介

開關電源（Switching Power Supply）是現代電源技術的主流，相較于傳統的線性電源，它具有更高的效率和更廣泛的應用范圍。開關電源通過開關元件（如MOSFET或晶體管）來控制電壓的轉換，通過高頻開關技術實現電壓調節。

1. 降壓穩壓器（Buck Regulator）

降壓穩壓器是最簡單的開關電源之一。它的工作原理比較直觀：通過一個開關元件（通常是MOSFET）和二極管，產生一個矩形波，經過電感和電容器的濾波，最終得到穩定的直流輸出。

工作原理：

• 開關元件（MOSFET）周期性地打開和關閉，產生矩形波。

• 電感儲存能量并向負載輸出。

• 輸出電壓由開關的占空比（Duty Cycle）控制，占空比越高，輸出電壓越高。

2. 占空比的影響

在Buck穩壓器中，占空比（Duty Cycle）決定了輸出電壓。占空比等于開關開啟時間（TON）與周期總時間（TON + TOFF）之比。理論上，最大輸出電壓與輸入電壓相等，但實際情況下，由于開關元件的效率等因素，輸出電壓會稍低于輸入電壓。

二、Buck穩壓器的測試

我們開始對Buck穩壓器進行測試。首先，我們使用ATX電源提供5V輸入，并調整輸出電壓為約1.9V。無負載時，輸出電壓非常穩定。當我們接入負載（約1A）時，輸入電壓稍微下降，輸出電壓也略有下降，但依然保持穩定。

1. 負載下的表現

當我們增加負載后，輸入電壓和輸出電壓都有輕微下降。通過測量輸入電流和輸出電流，可以看到開關電源的一個有趣特性：隨著輸入電壓的升高，輸入電流會下降。這個特性是開關電源的一大優勢，它提高了電源的效率。

2. 高效率的特性

通過調整輸入電壓并觀察輸入電流的變化，我們可以看到在輸入電壓為12V時，Buck穩壓器的輸入電流大大下降，輸出電流保持不變。這表明開關電源的工作效率較高。測試顯示，當輸入電壓提高時，Buck穩壓器的輸入電流減少，進一步提高了效率。

三、升壓穩壓器（Boost Regulator）

升壓穩壓器是Buck穩壓器的“反向”操作。它的作用是將輸入電壓升高，提供比輸入電壓更高的輸出電壓。升壓穩壓器的核心組件包括電感器和開關元件，通常為MOSFET。

工作原理：

• 在開關打開時，電感器儲存能量。

• 開關關閉時，電感器通過二極管將儲存的能量釋放，從而提高輸出電壓。

• 升壓穩壓器的輸出電壓通常大于輸入電壓，理論上最大可以升高至輸入電壓的10倍。

1. 升壓穩壓器的應用

升壓穩壓器廣泛應用于需要將低電壓轉換為較高電壓的場合。例如，5V的USB電源可以通過升壓穩壓器將電壓升高至12V，適用于不同的電子設備。

2. 升壓穩壓器的測試

在實驗中，我們使用了一個升壓穩壓器模塊，并將其輸入電壓設定為5V，輸出電壓設定為14.7V。我們可以看到，輸出電流為900mA，而輸入電流為3.5A。與Buck穩壓器不同，升壓穩壓器的輸入電流大于輸出電流，這是因為輸入電壓較低，需要更多的電流來提供同樣的輸出功率。

3. 輸入電流與輸出電流的關系

在升壓穩壓器中，由于輸出電壓大于輸入電壓，因此輸入電流總是大于輸出電流。通過測量輸入電流和輸出電流，可以清楚地看到升壓穩壓器的這一特性。

4. 升壓穩壓器的波形

通過示波器測量升壓穩壓器的開關節點，我們發現與Buck穩壓器相比，升壓穩壓器的波形存在較大的波動（Ripple）。這意味著升壓穩壓器的輸出電壓波動較大，而輸入電壓則相對平穩。

四、反向Buck-Boost穩壓器

反向Buck-Boost穩壓器（Inverting Buck-Boost Regulator）能夠提供比輸入電壓更高或更低的輸出電壓，并且輸出電壓的極性與輸入電壓相反。盡管現代電路中對負電壓的需求越來越少，但一些敏感的放大器、傳感器等設備仍然需要正負電壓來工作。

工作原理：

• 電感器的電流增加時，電感器的電壓反轉，從而實現輸出電壓的反轉。

• 該電路能夠提供負輸出電壓，通?？蓪⑤斎腚妷航抵霖摂?。

反向Buck-Boost穩壓器通過改變電感器的極性來實現輸出電壓的反轉，適用于需要負電壓的電路。

五、飛返穩壓器（Flyback Regulator）

飛返穩壓器是開關電源中應用最廣泛的一種，尤其是在小功率AC到DC電源轉換中。例如，大多數50W以下的AC-DC電源都采用飛返穩壓器。飛返穩壓器的核心優勢是能夠提供隔離輸出，并且具有較好的電氣安全性。

工作原理：

• 飛返穩壓器基于Buck-Boost拓撲結構，采用了雙繞組變壓器。

• 通過變壓器的兩組繞組，飛返穩壓器可以提供更高或更低的輸出電壓。

• 飛返穩壓器廣泛應用于AC-DC電源中，尤其是在需要電氣隔離的場合。

六、總結

在本教程中，我們學習了三種主要的開關電源：降壓穩壓器（Buck Regulator）、升壓穩壓器（Boost Regulator）和反向Buck-Boost穩壓器。每種穩壓器都有其獨特的應用場景和優缺點：

• 降壓穩壓器：適用于將高電壓轉換為低電壓的應用，具有較高的效率。

• 升壓穩壓器：用于將低電壓升高到高電壓的應用，適用于一些電壓升高需求的場景。

• 反向Buck-Boost穩壓器：適用于需要提供負電壓的設備，尤其是在需要電氣隔離的AC-DC電源中廣泛使用。

通過本部分的學習，我們進一步了解了開關電源的工作原理以及不同類型開關電源的應用。在下一部分的教程中，我們將總結并對比之前討論的不同電源類型，幫助我們選擇最適合不同應用場景的電源解決方案。敬請期待！