スイッチング電源 (SMPS) は、さまざまな形式で、ACをDCに変換したり、あるレベルのDCを1つ以上の新しいレベルのDCに変換したりするための、今日の主力デバイスです。従来のリニア電源は、主電源のACを整流し、大きな コンデンサ とインダクタを使用して60サイクルのパルスをフィルタリングします。SMPSはまず、入力電力のオン/オフを1秒間に数千回、場合によっては数百万回繰り返します。結果として得られる高周波パルスには、はるかに低い値のインダクタとコンデンサが必要なため、貴重なスペースを節約し、全体的な効率が向上します。
降圧コンバータトポロジ
降圧コンバータは、高いDC電圧を低いDC値に変換する必要がある場合に使用されます。これは、非常に非効率なリニア レギュレータの代わりに使用されることが多く、最新のデバイスは95パーセント以上の効率を誇ります。
図1: スイッチがオンになっている降圧コンバータ。(出典: Learnabout Electronics)
上の図は、降圧コンバータを非常に簡略化した図です。「スイッチ」、通常は電源 MOSFETがオンになると、インダクタ（L1）に電源からの電圧に逆らう電圧が発生します。したがって、負荷とコンデンサ (C1) 間の電圧は、ソースからの入力電圧ほど高くなることはありません。
図2: スイッチがオフになっている降圧コンバータ。(出典: Learnabout Electronics)
スイッチがオフになると、インダクタのコイルに残っているエネルギーが、電源によって最初に供給された方向と同じ方向の反対方向に電圧を誘導します。その電圧は常に電源より低く、負荷とコンデンサを通過し、 ダイオード オンになり、切断された電源を交換してループを完了します。
したがって、負荷にかかる電圧は常に電圧源の電圧よりも低くなります。コンデンサは電力を蓄え、インダクタの磁場に蓄えられた電力が弱まり始めると、コンデンサの電荷によって負荷に電流が流れ続けます。MOSFETは継続的にオンとオフを切り替え、サイクルを繰り返します。インダクタとコンデンサの正しい値を選択し、1回のオン/オフ期間内でスイッチが閉じられるか、開くか閉じられるか (デューティ サイクル) の回数を自動調整できるようにすることで、優れた安定性と効率が実現されます。
昇圧コンバータトポロジ
ブースト コンバータは、通常、電源電圧をブーストするために使用されるDC-DCコンバータですが、より低い電圧を供給するように調整することもできます。
図3: 昇圧コンバータ。（出典：ニューカッスル大学）
MOSFETスイッチがオンになると、ソース電流によってインダクタ内にそれに対抗する磁場が生成されます。スイッチをオフにすると、前と同様に、電圧の方向が切り替わります。ここで、電源電圧とインダクタによって生成された電圧が組み合わさって、電源単独よりも大きくなります。結果として生じる高電圧はダイオードを通過し、コンデンサを充電するためのVoを供給し、負荷抵抗に流れます。
次に、スイッチがオンになると、ダイオードは電圧を一方方向にのみ通過させる性質があるため、コンデンサに蓄えられた電荷はダイオードを流れることができず、負荷抵抗にのみ接続されたままになります。前と同様に、インダクタ内に電荷が蓄積され、サイクルが繰り返されます。
フライバックコンバータトポロジ
このタイプのスイッチャーは、ACまたはDC電圧で動作できます。ソース電源はスイッチングMOSFETによってトランスに直接オン/オフされるため、このタイプの電源には、出力電圧とグランドおよび電源本線間の絶縁を提供するという利点があります。これは多くのアプリケーションで極めて重要です (「医療用電源は複数レベルの保護を提供します」を参照)。
フライバックの詳細な設計は、すべてのSMPSの場合と同様に非常に複雑ですが、基本原理は非常に単純です。
図4: フライバック コンバータ。(出典: Texas Instruments)
スイッチ (通常はパワーMOSFET) がオンになると、トランスに電力が供給されます。変圧器の入力電圧と出力電圧の関係は、巻線比によって決まります。変圧器の配線上の「ドット」は、入力配線上の正電圧が二次側に負電圧を示すことを意味します。したがって、ダイオードは逆バイアスされるため、電流は流れませんが、一次（入力）コイルの巻線に磁場が生成されます。
スイッチがオフになると、一次側に蓄えられた磁場が二次側に逆の電圧を誘導します。ダイオードは順方向バイアスされ、電力が負荷とコンデンサに流れるようになります。スイッチが再びオンになると、ダイオードは再び逆バイアスされるため、コンデンサに蓄積された電荷は負荷を通じてのみ放電できるようになります。前述のSMTPの場合と同様に、サイクルは繰り返され、トランスとコンデンサを適切に選択し、デューティ サイクルを動的に監視することで、実際の状況で必要な出力を維持できます。
最も一般的な電力コンバータトポロジ
この記事で説明する3つのトポロジは、おそらく現在使用されている最も一般的なトポロジですが、他にもさまざまなバリエーションがあります。設計者は、ここで言及されている制御回路の多くを市販のシリコン チップの形で見つけることができるほか、OEM設計ですぐに使用できる完全な電源ユニットの幅広い選択肢も見つけることができます (「スイッチング電源が効率の面で新たな高みに到達」を参照)。さらに、より小型で軽量な電力変換器を提供する方法を見つけ、効率の向上と発熱の低減という相補的な目標を達成するための研究も進められています。特に有望なトポロジーは高周波共振変換（超高周波共振変換を参照）であり、これは最近商用アプリケーションに導入され始めています。