2021 常見的筆記本電源和手機充電器就是開關電源的實例。最簡單的開關電源電路可能是電蚊拍、LED手電、電棍和熒光燈管的應急燈里面的電路。俺有一個很古老的聲壓計， 它里面也有開關電源。
其實這個問題是可以用電路仿真的例子來部分解答的。
開關電源（Switch Mode Power Supply，簡稱SMPS），又稱交換式電源、開關變換器，是一種高頻化電能轉換裝置。其功能是將一個電壓，透過不同形式的架構轉換為用戶端所需求的電壓或電流。開關電源的輸入多半是市電或是直流電，輸出多半是需要直流的設備，如電腦。
開關電源的基本原理就是磁場和/或電場能量之間的轉換。
開關電源不同於線性電源，常見的開關電源利用半導體的全開模式（飽和區）及全閉模式（截止區）有低耗散的特點，比較節省能源，產熱少。如果需要穩壓，是透過調整半導體的通及斷路時間來達到。相反，非低壓差的線性電源功率管工作在放大區，壓降相對比較大，更多電能變成熱耗散。
開關電源的高轉換效率是最大優點，同時因為開關頻率高，可以用小尺寸、輕量的儲能電感包括變壓器，開關電源尺寸更小，重量更輕。不但減少能耗， 更加可以為廠家和國家節省自然資源，例如銅、鐵、鋁甚至石油......
利用電感和電容的工作特點，開關電源既可以升壓也可以降壓。單電池LED手電是一個簡單的實例。
俺還可以舉一個 ZVS 諧振開關的仿真實例。 逆變器其實也可以算是開關電源的范疇。
逆變器（又稱反流器、反用換流器；Inverter）是一個利用電路將直流電（DC）變換成交流電（AC）的器件，目的與整流器相反（AC轉DC）.
抽象來看， 逆變器就是把相對恒定的直流電通過電路的調制（自激或者它激振蕩）輸送給電感然后通過互感傳輸到負載的一個過程。 也就是（相對）恒定電場能量轉換成交變電場能量再轉換成磁場能量再轉換成交變電場能量的過程。
前面說到半導體當開關， 其實歷史上也有機械式的開關電源，用在很早期的汽車上， 如果您去翻找資料的話。 另外還有電子管的開關電源， 只不過很少見罷了。
飛機上的交流電是美國的標準， 400Hz AC 115Vrms, 如果要供給普通用戶的 50/60Hz 插座就需要變頻。 輪船/郵輪/渡輪上也是這樣的應用場合。汽車上的 12/24V 要供給筆記本電腦也需要類似的轉換。
跑題了。說回電路。 哦對了，電蚊拍。
關于 LTspice 的一些讀物
SPICE Using OrCAD PSPICE, WINSPICE or LTSPICE
這是 Dr. Lynn Fuller 博士撰寫的長達 70 頁的介紹， 讀一下絕對有收獲。
http://people.rit.edu/lffeee/SPICE_OrCAD_WinSPICE_Fuller.pdf
https://vdocuments.site/spice-orcad-winspice-rit-peoplepeopleritedulffeeespiceorcadwinspicefullerpdf2-9-2010.html
https://docplayer.net/62762097-Spice-using-orcad-pspice-winspice-or-ltspice.html
『非法捕魚』的電魚機就是一個典型的例子。
** 別小看上面圖中的電燈泡， 它是一個 PTC, 如果您喜歡高大上有比格的名詞。
比格高一些的就用上集成電路了
經典的 500瓦 UPS 電原理圖以及其他瓦數的 UPS / 逆變器電路圖
“原理是什么”
這個需要從歐姆定律、電工原理、晶體管電路（模擬和開關電路）的知識， 以及其他相關的大量內容， 恐怕一個帖子說不完。
不如您先從安裝一個免費的電路仿真軟件開始吧。。
LTspice
LTspice?是一款高性能 SPICE 仿真軟件、電路圖捕獲和波形觀測器，并為簡化模擬電路的仿真提供了改進和模型。LTspice 的下載內容中包括了用于大多數 Analog Devices 開關穩壓器、放大器的宏模型，以及用于一般電路仿真的器件庫。
【** 注：Linear Technology 已經被 ADI 吞并 】
LTspice IV 是一款高性能 Spice III 仿真器、電路圖捕獲和波形觀測器，并為簡化開關穩壓器的仿真提供了改進和模型。我們對 Spice 所做的改進使得開關穩壓器的仿真速度極快，較之標準的 Spice 仿真器有了大幅度的提高，從而令用戶只需區區幾分鐘便可完成大多數開關穩壓器的波形觀測。這里可下載的內容包括用于 80% 的凌力爾特開關穩壓器的 Spice 和 Macro Model，200 多種運算放大器模型以及電阻器、晶體管和 MOSFET 模型。
Dr. Lynn Fuller 博士撰寫的長達 70 頁的介紹， 讀一下絕對有收獲。
http://people.rit.edu/lffeee/SPICE_OrCAD_WinSPICE_Fuller.pdf
LTspice 仿真 簡單的三極管低壓 ZVS
仿真模型
"復制代碼" , 復制，貼進記事本， 存成 ".asc"
然后用 LTSPICE 打開這個 “.asc” 文件， 如果有亂碼， 麻煩您自己改一下。
Version 4
SHEET 1 880 680
WIRE -1248 -352 -1376 -352
WIRE -1200 -352 -1248 -352
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SYMBOL npn -1088 -128 R0
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SYMATTR Value 2N2222
SYMBOL npn -1088 224 M180
SYMATTR InstName Q2
SYMATTR Value 2N2222
SYMBOL diode -1264 16 R180
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SYMATTR InstName D1
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SYMATTR InstName D2
SYMATTR Value 1N914
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SYMATTR InstName L1
SYMATTR Value 5000n
SYMATTR Type ind
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SYMATTR InstName L2
SYMATTR Value 5000n
SYMATTR Type ind
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SYMATTR InstName L3
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SYMATTR Type ind
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SYMATTR InstName V1
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SYMATTR InstName L4
SYMATTR Value 10m
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SYMATTR InstName D3
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SYMATTR InstName D4
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SYMATTR InstName R1
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SYMATTR InstName R2
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SYMATTR InstName R3
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TEXT -760 216 Left 2 !K1 L1 L2 L3 1
TEXT -1484 250 Left 2 !.tran 0 1 0 1e-9 startup
"復制代碼" , 復制，貼進記事本， 存成 ".asc"
然后用 LTSPICE 打開這個 “.asc” 文件， 如果有亂碼， 麻煩您自己改一下。
LTspice 仿真 12v供電3000V輸出
"復制代碼" , 復制，貼進記事本， 存成 ".asc"
然后用 LTSPICE 打開這個 “.asc” 文件， 如果有亂碼， 麻煩您自己改一下。
Version 4
SHEET 1 880 680
WIRE -1376 -352 -1488 -352
WIRE -1248 -352 -1376 -352
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SYMBOL ind2 -768 -96 R0
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SYMATTR InstName L1
SYMATTR Value 1000n
SYMATTR Type ind
SYMBOL ind2 -768 48 R0
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SYMATTR InstName L2
SYMATTR Value 1000n
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SYMBOL ind2 -688 96 R180
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SYMATTR InstName L3
SYMATTR Value 50m
SYMATTR Type ind
SYMBOL voltage -1376 -304 R0
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SYMATTR SpiceLine Rser=0.1
SYMATTR InstName V1
SYMATTR Value 12
SYMBOL ind -1088 -336 R270
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SYMATTR InstName L4
SYMATTR Value 300?
SYMBOL cap -864 0 R0
SYMATTR InstName C1
SYMATTR Value 470n
SYMBOL
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SYMATTR InstName D3
SYMATTR Value 1N914
SYMBOL diode -1120 288 R270
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SYMATTR InstName D4
SYMATTR Value 1N914
SYMBOL res -1216 -256 R0
SYMATTR InstName R1
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SYMATTR InstName R2
SYMATTR Value 510
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SYMATTR InstName R3
SYMATTR Value 100k
SYMBOL nmos -1072 -128 R0
SYMATTR InstName M1
SYMATTR Value IRF530
SYMBOL nmos -1072 224 M180
SYMATTR InstName M2
SYMATTR Value IRF530
SYMBOL
zener -1184 32 R180
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SYMATTR InstName D5
SYMATTR Value BZX84C12L
SYMBOL zener -1216 96 R0
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SYMATTR Value BZX84C12L
SYMATTR InstName D6
SYMBOL res -1264 48 R180
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SYMATTR InstName R4
SYMATTR Value 10K
SYMBOL res -1264 176 R180
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SYMATTR InstName R5
SYMATTR Value 10K
SYMBOL
cap -1504 -288 R0
SYMATTR InstName C2
SYMATTR Value 1m
TEXT -760 216 Left 2 !K1 L1 L2 L3 1
TEXT -1488 248 Left 2 !.tran 0 1 0 1e-9 startup
"復制代碼" , 復制，貼進記事本， 存成 ".asc"
然后用 LTSPICE 打開這個 “.asc” 文件， 如果有亂碼， 麻煩您自己改一下。
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時髦的氮化鎵開關電源充電器
開關電源能量密度不只是受開關管的限制， 還受磁性材料和銅的導電性能限制。整流的肖特基二極管和儲能電容也是制肘的因素。80年代就有開關電源了， 那時候還沒流行氮化鎵呢。即便沒有氮化鎵的技術， 硅功率器件的潛力還遠遠沒有挖掘透。 比如同步整流可以提升效率， 諧振開關也可以提高硅功率器件的工作頻率。
氮化鎵在低頻下只比硅功率器件效率高0.5-1.2%, 如果不是高頻率帶來體積縮小的利好，要讓本身就掙扎在薄利多銷邊緣的電源廠家當小白鼠去嘗試氮化鎵功率IC無疑需要氮化鎵功率IC 廠家采取更靈活的推銷戰略才有可能。氮化鎵功率IC 推廣阻力不會小。
（舉例）
NAVITAS 氮化鎵功率IC 參考板 NVE052A 能提供 300瓦 實現更小的尺寸。
氮化鎵充電器和普通的充電器有什么區別？
您可以看到， 實際上是沒有本質的區別。
某碩就用了這個廠商的 300瓦方案。
NVE028A使用低成本的制造技術實現了小尺寸(51mm x 43mm x 20.5 mm)和突破性的功率密度(1.5瓦/立方厘米，24瓦/立方英寸)。
(舉例2)
https://www.mouser.cn/ProductDetail/GaN-Systems/GS-EVB-ACDC-300W-ON?qs=vHuUswq2%252BszROsOn4Vtozg%3D%3D
GaN Systems GS-EVB-ACDC-300W-ON Power Supply
[機器翻譯]GaN Systems GS-EVB-ACDC-300W-ON電源是一款基于氮化鎵器件的超高功率密度適配器，通用AC輸入和340W峰值功率
。提供高效率的PFC與同步整流。GS-EVB-ACDC-300W-ON電源具有高度的通用性，低成本的2層設計，功率密度高達34W/in3。典型的應用包括游戲筆記本和游戲機的電源轉換，開架電源，工業電源，以及OLED超高清電視和VR系統的適配器。
氮化鎵功率器件的普及難點與挑戰在于市場上依然以硅功率器件為主流。
硅功率器件的典型開關頻率是100K赫茲左右，氮化鎵功率器件
可以輕松做到1M赫茲，甚至更高。傳統硅器件的問題在于開關頻率越高效率下降越快發熱越嚴重。氮化鎵功率器件工作頻率的提高允許(儲能元件)功率密度上升，同時減少發熱（各種損耗）。
新設計的氮化鎵功率器件可以把外圍驅動和控制電路收在一起，這樣在絕緣條件允許下可以做得盡可能小，總體成本有可能更便宜。對于氮化鎵功率器件來說，最重要的挑戰是可靠性問題。除了可靠性問題，氮化鎵的功率器件開關頻率非常高，驅動電路需要芯片廠家設計。
一般的用戶并無能力自行設計。很多時候最終用戶會以為是移動設備的設計師設計了電源， 其實真相是NAVITAS、 TI、ADI/LTC、ST這樣的 IC 廠商給他們提供了現成的方案而已。
另外碳化硅功率器件也是氮化鎵功率器件的有力競爭對手。無疑客戶是價格敏感的。
從上邊的插圖也能看到， 占據電源大部分體積的是輸入插座口、EMI 濾波器、扼流圈、變壓器、濾波電容、儲能電感電容等等。 為了防爬電過安規， 割的那條槽就很寬。使用 氮化鎵功率IC也不可能把體積削減為零。
以 24瓦/立方英寸計算， 俺的筆記本電源 240瓦就允許有10 立方英寸的體積。會縮小到目前的 1/2 ～ 1/3 體積。 那也和俺 THINKPAD T420 的老充電器差不多大小。
。。。。。。
更高頻率的高達微波頻率的“開關電源”也有人發表過博士論文
Madsen, Mickey Pierre，（VHF） Very High Frequency Switch-Mode Power Supplies. Miniaturization of Power Electronics. Publication date 2015
俺也希望微波頻率的“開關電源”成品早日走向社會， 造福人類。
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如果您真的希望了解“原理是什么”， 不妨認真看看下面的參考書。
【未完待續】
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俺沒啥文化， 初中畢業，大伙都知道。散文很散，敬請海涵。知乎閱讀總量只有 0.8億，沒跨出一小步 (n<1億)。 鹽值持續低迷（3年了還900+）。
“老麥， 大家都說你是‘笑話’、‘論壇孤兒’和‘神棍’?！?/p>
“沒錯。 只有不到萬分之0.5的讀者贊同俺的觀點?！?/p>
