F1 · 电力电子

开关电源：不靠散热改变电压

理想开关导通时电压为零、断开时电流为零，所以两种情形几乎都不耗功率。借此高效改变电压的，就是开关电源（SMPS）。亲手扫动变换比，看与把差额烧成热的线性方式不同，开关方式如何把效率维持得很高。

改变变换比，比较两种方式丢弃的热

两根条把各方式将同一输入电压变成同一输出电压时所用的功率分开。金色是送到输出的有效功率，红色是当作热丢弃的损耗。扫动变换比，即输出对输入之比。变换比越小，线性方式的红带越长，而开关方式不论变换比，金色几乎不变。

变换比 Vout / Vin12 V → 5.0 V

两种方式的效率对比

η_lin = 42%    η_sw ≈ 94%

η_lin = Vout / Vin = r

变换比小。大幅降压使线性方式的输入输出差很大，把大半输入功率烧成热。这正是需要开关的场合。

线性：大半成热

线性方式把差额烧成热

线性稳压器把晶体管当作可变电阻，落掉多余的电压。同一电流 I 从输入流到输出，于是晶体管承受输入输出差 (Vin - Vout)，功率 (Vin - Vout)·I 原原本本变成热。送到输出的有效功率是 Vout·I，所以效率为 η = Vout / Vin，正是变换比本身。把 12 V 落到 5 V，一半以上化作热；落到 3.3 V，四分之三消失。降压越大，越热、越浪费。

理想开关无损耗：先斩波，再取平均

开关只有两种状态。导通时两端电压为零，故 V·I = 0；断开时电流为零，又是 V·I = 0。无论哪种，理想开关几乎不耗功率。于是不用可变电阻落压，而是快速开关，把输入斩成一片片。把一个周期内导通时间的比例叫占空比 D，斩波电压的平均就是 D·Vin。当电感与电容组成的 LC 滤波器把这些薄片平滑取平均，输出便成 Vout = D·Vin。只改占空比就定下输出电压，而这一路上哪里都不烧功率。

效率不挑变换比

线性方式的效率就是变换比本身，所以从 12 V 造出 1.2 V，效率会跌到一成。开关方式不同。它的损耗不来自输入输出差，而只来自开关与电感的非理想性，所以无论变换比取多大，效率都稳得住、常常超过九成。正因如此，从手机充电器到笔记本适配器、再到数据中心电源，几乎所有电源都是开关式。只是快速开关的代价是开关噪声，且需要电感与电容，所以电路比线性的复杂。即便如此，降压越大，开关的优势越压倒性。

观察Plin = (Vin - Vout) I

线性方式损失输入输出差乘电流那么多的热。

选择η_lin = Vout / ?

线性效率是变换比，即输出比输入。

填空Vout = D ?

开关输出是占空比乘输入电压。

自己来Psw ≈ ?

理想开关无论开关，耗功率都几乎为零。

回到第一屏

变换比小时，线性条大半是红色的热；把它升近 1，金色有效功率便填满了条。因为线性效率就是变换比本身，η = Vout / Vin。开关条则自始至终几乎全是金色。导通时电压为零、断开时电流为零的理想开关不烧功率，LC 把斩波后的输入取平均造出 Vout = D·Vin。从单向阀门二极管的整流再进一步，我们站在了电力电子的门口——仅靠把器件开关，就能高效改变电压。

理想开关导通时电压为零、断开时电流为零，所以两种情形几乎都不耗功率。线性稳压器像电阻一样落掉多余电压，把 (Vin - Vout)·I 烧成热，所以效率就是变换比本身，η = Vout / Vin。开关电源（SMPS）以占空比 D 把输入斩波，用 LC 滤波器取平均造出 Vout = D·Vin，因其损耗不系于输入输出差，故不论变换比效率都高。

接下来的脉络

这里我们把开关当作理想的。最后一个单元揭开那开关的真身。功率 MOSFET 正是那开关，而现实开关在导通时因小小的导通电阻、在开关瞬间因电压与电流交叠而生损耗。这导通损耗与开关损耗定下效率的天花板，我们将看到为何要追逐更快、更低电阻的器件。