开关电源是一种高频化电能转换装置，主要功能是将一种电压、电流形式的电能转换为另一种所需电压、电流形式的电能。它和传统的线性电源相比，具有体积小、重量轻、效率高等诸多优点。
核心部件：开关电源主要由整流电路、滤波电路、开关管（一般是晶体管或场效应管）、高频变压器、输出整流滤波电路等部分组成。
- 首先，交流电（AC）输入后，经过整流电路将交流电转换为直流电。常用的整流电路有桥式整流电路。例如，对于一个220V的交流输入，经过桥式整流二极管后，负半周的交流信号被翻转到正半周，得到一个脉动的直流电压。 - 接着，滤波电路会对这个脉动直流进行平滑处理。滤波电路一般由电容和电感组成，电容可以存储电荷，电感可以阻止电流的突变。比如，一个大容量的电解电容可以吸收脉动直流中的高频成分，使输出的直流电压更加平滑。
- 经过整流滤波后的直流电压被加到开关管的输入端。开关管在控制电路（一般是脉宽调制PWM控制器）的驱动下，以很高的频率（通常在几十kHz到几百kHz之间）不断地导通和截止。 - 当开关管导通时，电流通过高频变压器的初级绕组，将电能以磁场能的形式存储在变压器的铁芯中。例如，假设开关管的导通时间为t1，在这段时间内，根据电感的电压 - 电流关系（\(V = L\frac{di}{dt}\)），电流会在变压器初级绕组中线性上升，储存的磁场能与电流的平方和电感值成正比。 - 当开关管截止时，由于变压器的互感作用，存储在初级绕组中的磁场能会耦合到次级绕组，从而在次级绕组中产生感应电动势。这个感应电动势的大小与初级绕组和次级绕组的匝数比有关，根据变压器的基本公式\(V_{s}=\frac{N_{s}}{N_{p}}V_{p}\)（其中\(V_{s}\)是次级电压，\(N_{s}\)是次级匝数，\(N_{p}\)是初级匝数，\(V_{p}\)是初级电压）。
- 次级绕组产生的感应电动势是一个交流信号，需要经过输出整流滤波电路将其转换为稳定的直流输出。输出整流电路一般采用二极管整流，将交流信号转换为单向的脉动直流信号。 - 然后，再通过滤波电容和电感对脉动直流进行滤波，得到稳定的直流输出电压。例如，在一些要求较高的开关电源中，会采用π型滤波电路，由一个电感和两个电容组成，能够有效地滤除高频和低频干扰，使输出电压更加纯净和平稳。
- 脉宽调制控制器是开关电源的关键部分。它通过调节开关管的导通时间（脉冲宽度）和开关周期的比例，来控制输出电压的大小。例如，当需要提高输出电压时，PWM控制器会增加开关管的导通时间，使更多的能量传递到次级绕组，从而提高输出电压。 - PWM控制器通常会对输出电压进行采样，并与一个参考电压进行比较。根据比较结果来调整脉冲宽度。如果输出电压低于参考电压，PWM控制器会增大脉冲宽度；如果输出电压高于参考电压，PWM控制器会减小脉冲宽度，从而实现对输出电压的稳定控制。
- 开关电源的控制电路还具有多种保护功能。例如，过流保护功能，当输出电流超过一定限度时，控制电路会检测到这个过流信号，通过减小脉冲宽度或者直接关闭开关管来保护电源和负载。 - 还有过压保护功能，当输出电压由于某些原因（如负载开路等）过高时，控制电路会采取措施限制电压的上升，避免损坏负载和电源内部的元件。 通过以上这些步骤和机制，开关电源能够有效地将输入电能转换为稳定的、符合要求的输出电能，并且在各种电子设备中发挥着至关重要的作用。
