在这里，这个简单的发射极跟随调节器电路由一个 NPN 晶体管和直流偏置电压组成，以设置所需的输出电压。由于发射极跟随电路具有单位电压增益，在晶体管基极上施加适当的偏置电压，从发射极端获得稳定的输出。
由于晶体管提供电流增益，输出负载电流将远远高于基极电流，如果采用达灵顿晶体管电路布局，输出负载电流将更高。
此外，如果输入电压足够高以获得所需的输出电压，输出电压由晶体管基极电压控制，并且在这个例子中被给出为5.7伏特，以产生对负载的5伏特输出，因为大约0.7伏特通过基极和发射极端子之间的晶体管下降。然后根据基极电压的大小，可以得到发射极输出电压的任意值。
虽然这种简单的串联稳压电路可以工作，但其缺点是，串联晶体管在其线性区域中不断地存在偏置，以热的形式耗散功率。由于所有的负载电流必须通过串联晶体管，这导致效率低下，浪费 v * i 功率和晶体管周围不断产生热量。
此外，串联电压调节器的缺点之一是，它们的最大连续输出电流额定值仅限于几安培左右，因此通常用于需要低功耗输出的应用场合。
当需要更高的输出电压或电流功率需求时，通常的做法是使用通常称为开关电源的开关稳压器，将电源电压转换成所需的更高功率输出。
开关模式电源，或称为开关电源，正在成为普遍的地方，并在大多数情况下取代了传统的线性交直流电源，作为一种方式，以减少电力消耗，减少散热，以及体积和重量。
开关模式电源现在可以在大多数 PC、功率放大器、电视机、直流电机驱动器等设备中找到，而且随着开关模式电源日益成熟，几乎所有需要高效电源的设备都可以找到。
根据定义，开关模式电源(开关电源)是一种使用
半导体开关技术的电源，而不是标准的线性方法来提供所需的输出电压。基本的开关变换器由一个功率开关级和一个控制电路组成。
功率开关级执行电路输入电压、 VIN 到其输出电压的变流技术，VOUT 包括输出滤波。
与标准线性稳压器相比，开关电源的主要优点是效率更高，这是通过在“ ON”状态(饱和)和“ OFF”状态(截止)之间内部切换晶体管(或功率 MOSFET)来实现的，这两种状态都产生较低的功耗。
这意味着，当开关晶体管是完全“开”和导电电流，电压降在它的最低值，当晶体管是完全“关”，没有电流流过它。所以晶体管就像一个理想的开/关开关。
与只提供降压稳压的线性稳压器不同，开关电源可以使用 Buck、 Boost 和 Buck-Boost 三种基本开关电路拓扑中的一种或多种提供降压、升压和否定输入电压。这些名称指的是晶体管开关、电感和平滑电容在基本的开关电路中是如何连接在一起的。
降压开关电源
Buck 开关稳压器是一种开关式电源电路，其设计目的是有效地将直流电压从较高的电压降低到较低的电压，即减去或“ Buck”电源电压，从而在不改变极性的情况下降低输出端的可用电压。换句话说，降压开关稳压器是一个降压稳压电路，所以例如，降压变换器可以将电压 + 12伏转换为 + 5伏。
降压型开关稳压器是一种直流-直流转换器开关稳压器，也是最简单和最流行的开关稳压器之一。当在开关模式电源配置中使用时，降压开关稳压器使用一系列晶体管或功率 MOSFET (最好是绝缘栅极双极性晶体管，或 IGBT)作为其主开关设备，如下所示。
The Buck Switching Regulator
降压型开关稳压器
我们可以看到，降压变换器的基本电路结构是一个串联晶体管开关，tr1与相关的驱动电路，使输出电压尽可能接近所需的水平，一个二极管，D1，一个电感，l1和一个平滑电容，C1。降压转换器有两种工作模式，这取决于开关晶体管 tr1是打开“ ON”还是“ OFF”。
当晶体管偏置“ ON”(开关关闭) ，二极管 d1变成反向偏置和输入电压，VIN 导致电流流过电感到连接的负载在输出，充电电容，C1。
根据法拉第定律，当变化的电流流过电感线圈时，会产生反电动势，阻止电流的流动，直到达到稳定状态，在电感 l1周围产生磁场。只要 tr1关闭，这种情况就会无限期地继续下去。
当晶体管 tr1被控制电路关闭(开关断开)时，输入电压立即与发射极电路断开，导致电感器周围的磁场崩溃，在电感器上产生反向电压。
这个反向电压使得二极管产生正向偏置，因此电感中储存的能量磁场迫使电流沿同一方向继续流过负载，并通过二极管返回。
然后电感器 l 1将其储存的能量返回到负载，作为电源提供电流，直到所有电感器的能量返回到电路，或者直到晶体管开关再次关闭，无论哪一个先到达。同时电容器也放电，为负载提供电流。电感器和电容器的组合形成了一个 LC 滤波器，可以消除晶体管开关动作所产生的纹波。
因此，当晶体管固态开关闭合时，电流由电源提供，当晶体管开关断开时，电流由电感提供。请注意，流过电感器的电流总是朝着同一个方向，要么直接来自电源，要么通过二极管，但在开关周期的不同时间显然是不同的。
当晶体管开关被连续地关闭和断开时，平均输出电压值将因此与占空比有关，占空比定义为晶体管开关在一个完整的开关周期内的导通时间。
如果 VIN 为电源电压，晶体管开关的“ ON”和“ OFF”时间定义为: tON 和 tOFF，则输出电压 VOUT 为:
巴克变换器工作循环
降压转换器的工作周期也可以定义为:
因此占空比越大，开关电源的平均直流输出电压就越高。由此我们还可以看到，输出电压将始终低于输入电压，因为占空比，d 永远不能达到一(1)导致一个降压稳压器。
通过改变占空比和高开关速度可以获得稳压，高达200khz，更小的元件可以被使用，从而大大减少了开关模式电源的体积和重量。
降压变换器的另一个优点是电感电容(LC)的布置可以很好地滤除电感电流。理想情况下，降压变换器应该在连续开关模式下工作，这样电感电流永远不会降到零。理想的元件，即在“ ON”状态下的零电压降和开关损耗，理想的降压变换器可以有高达100% 的效率。
除了用于基本开关电源设计的降压型开关稳压器外，基本开关稳压器还有另一种操作，充当升压稳压器，称为升压转换器。
升压开关电源
升压型开关稳压器是另一种开关型电源电路。它有相同类型的组件作为以前的降压转换器，但这一次在不同的位置。升压转换器的设计目的是将直流电压从较低的电压升高到较高的电压，也就是说，升压转换器增加了电源电压，从而在不改变极性的情况下增加了输出端的可用电压。换句话说，升压开关稳压器是一个升压稳压电路，所以例如升压转换器可以将电压 + 5伏转换为 + 12伏。
我们以前看到，降压开关稳压器使用一个串联开关晶体管在其基本设计。升压开关稳压器的设计不同之处在于它使用并联开关管来控制开关电源的输出电压。
当晶体管开关与输出并联时，电能只有在晶体管偏置为“ OFF”(开关断路)时才通过电感传递到负载。
升压开关稳压器
在升压转换器电路中，当晶体管开关完全打开时，来自电源的电能，VIN 通过电感和晶体管开关并返回到电源。因此，当饱和晶体管开关有效地创建一个输出短路时，它没有一个传递到输出端。
这增加了流过电感器的电流，因为电感器有一个较短的内部路径可以传回电源。同时，当二极管 d1的阳极通过晶体管开关连接到地面时，二极管 d1变成反偏置，当电容开始通过负载放电时，输出电压保持相当稳定。
当晶体管完全关闭时，输入电源通过串联电感和二极管连接到输出端。当电感器场减小时，储存在电感器中的感应能量通过 VIN 被推送到输出端，通过现在正向偏置的二极管。
所有这一切的结果是，感应电压 l1逆转和增加的电压输入电源的总输出电压，因为它现在成为，VIN + VL。
来自平滑电容器的电流，c1用于在晶体管开关关闭时提供负载，现在通过二极管的输入电源返回到电容器。然后提供给电容器的电流是二极管电流，二极管电流总是“ ON”或“ OFF”，因为二极管通过晶体管的开关动作在其正向和反向状态之间连续切换。然后，平滑电容器的足够大必须足够大，以产生平滑稳定的输出。
由于电感器 l1的感应电压为负值，它增加了源电压，VIN 迫使电感器电流进入负载。升压变换器的稳态输出电压给出:
与以前的降压转换器一样，升压转换器的输出电压取决于输入电压和占空比。因此，通过控制占空比，实现输出调节。并不是说这个方程式与电感值、负载电流和输出电容无关。
我们已经看到上面的非隔离开关电源电路的基本操作可以使用降压转换器或升压转换器配置，这取决于我们是否需要降压或升压输出电压。虽然降压转换器可能是更常见的开关电源开关配置，升压转换器通常用于电容电路应用，如电池充电器，照片闪光，闪光灯闪光等，因为电容器提供所有负载电流，而开关是关闭的。
但是我们也可以结合这两种基本的开关拓扑成为一个单一的非隔离开关稳压电路称为毫不奇怪的 Buck-Boost 转换器。
Buck-Boost 开关稳压器
Buck-Boost 开关稳压器是 buck 变换器和 boost 变换器的组合，它产生的反向(负)输出电压可以大于或小于基于占空比的输入电压。Buck-boost 变换器是 boost 变换器电路的一种变体，其中逆变变换器只将电感 l1储存的能量输送到负载中。下面给出了基本的升压开关电源电路。
升压型开关稳压器
当晶体管开关 tr1全开(闭合)时，电感器上的电压等于电源电压，因此电感器从输入电源中储存能量。由于二极管 d1反向偏置，在输出端没有电流传递到连接的负载。当晶体管开关完全关闭(断开)时，二极管变为正向偏置，先前储存在电感器中的能量被转移到负载上。
换句话说，当开关处于“ ON”状态时，能量通过直流电源(通过开关)传递到电感器，而不传递到输出端，当开关处于“ OFF”状态时，电感器两端的电压逆转，因为电感器现在成为能量源，所以以前储存在电感器中的能量被切换到输出端(通过二极管) ，没有能量直接来自输入直流电源。因此，当开关晶体管为“ OFF”时，负载上的电压下降等于电感电压。
结果是倒置输出电压的大小可以大于或小于(或等于)基于占空比的输入电压的大小。例如，一个正负 buck-boost 变换器可以将5伏转换为12伏(升压)或12伏转换为5伏(降压)。
提出了一种基于 buck-boost 的开关稳压器稳态输出电压 VOUT，给出了如下结果:
然后，降压升压稳压器得名于产生的输出电压可以高于输入电压(如升压功率级)或低于(如降压功率级)的数量级。但是，输出电压与输入电压的极性相反。
开关电源总结
现代开关模式的电源，或称为开关电源，使用固态开关将不稳定的直流输入电压转换为稳定和平滑的直流输出电压。输入电源可以是来自电池或太阳能电池板的真正直流电压，也可以是来自交流电源的整流直流电压，使用二极管电桥和一些附加的电容滤波器。
在许多功率控制应用中，功率晶体管(MOSFET 或 IGFET)在高速下反复打开“ ON”和“ OFF”时，是以开关模式工作的。这样做的主要好处是调节器的功率效率可以相当高，因为晶体管要么是完全开通和导通(饱和) ，要么是完全关闭(截止)。
有几种类型的直流-直流转换器(相对于一个 dc-ac 变换器是一个逆变器)配置，与三个基本的开关电源拓扑看这里是 Buck，Boost，和 Buck-Boost 开关稳压器。所有这三种拓扑都是非隔离的，即它们的输入和输出电压共享一个公共接地线。
对于稳态占空比、输入输出电流之间的关系以及固态开关动作所产生的输出电压纹波，每种开关稳压器的设计都有其独特的特性。这些开关电源拓扑的另一个重要特性是开关动作对输出电压的频率响应。
输出电压的调节是通过对开关晶体管处于“ ON”状态的时间与总开/关时间的百分比控制来实现的。这个比率称为占空比，通过改变占空比，(d 的输出电压大小，VOUT 可以控制。
在开关模式电源设计中，采用单电感器和二极管以及能够在千赫兹范围内工作的快速开关固态开关，可大大减小电源的尺寸和重量。
这是因为在他们的设计中没有大型和重型的降压(或升压)电压变压器。但是，如果输入端和输出端之间需要电气隔离，则变压器必须包括在变换器之前。
两种最流行的非隔离开关配置是降压(减)和升压(加)转换器。
降压转换器是一种开关电源变换器，用来将电能从一个电压转换到一个较低的电压。降压转换器与一个串联开关晶体管相连。当占空比 d < 1时，降压器的输出电压总是小于输入电压 VIN。
升压转换器是一种开关电源变换器，用于将电能从一个电压转换到更高的电压。升压转换器与并联开关晶体管相连，通过电感 l1和二极管 d1在 VIN 和 VOUT 之间产生直流路径。这意味着在输出端没有短路保护。
通过改变 boost 变换器的占空比 d，可以控制输出电压，当 d < 1时，由于电感自感电压的影响，boost 变换器的直流输出大于输入电压 VIN。
此外，假定开关电源中的输出平滑电容非常大，导致在晶体管开关动作时开关电源的输出电压恒定。
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