文献1介绍了开关电源的用途，伴随电源半导体产品市场不断增长，消费性电子、汽车、电信和网络等领域广泛应用电源管理模块。电子设备电源有线性稳压电源和开关电源两大类。线性稳压电源调整管工作在线性状态下，但在实际应用中有系统功率转换效率不高、输出响应不快、电压转换形式单一、 调压功率损耗大等缺点。开关稳压电源开关管工作在截止区和饱和区，具有转换效率高、可调压、体积小、重量轻、可靠性高等优点，备受人们青睐，目前得到了广泛的应用。
文献2介绍了开关电源的构成和工作原理。开关电源一般由脉宽调制控制系统和大功率开关管构成，通过脉宽调制系统控制大功率开关管的工作状态，开关管通过不断的开关操作，从而将输入电压的能量截成每小份独立的能量包暂时存储在电感器中，再通过电容滤波的作用变成连续稳定的能量传输到输出端。在日常电子设备的用电领域中，开关电源主要分为交流-直流和直流-直流两类，其中前者主要作为直流一直流变换器的前级，将交流电网的交流电压转成电子设备常用的直流电压，而后者将交流-直流交换器转换的精度较低的直流电压经过再次处理，转换成电子设备专用的各种高精度直流电压，其用途更加广泛。
1、变换原理和电路拓扑
1.1变换原理
文献3介绍了直流-直流变换器是将一种直流电变换为另一种具有不同幅值或极性的直流电，为直流负载提供电能。非隔离型直流-直流变换器的基本原理是采用斩控原理，即利用全控型开关器件对输入电压波形进行周期性的斩切，实现直流变换，主要类型有6种:降压型升压型升降压型、Cuk、Sepic、Zeta变换器。文献4认为能够实现升降，压转换的拓扑有升降压型变换器、库克变换器和单端初级电感式转换器，在降压型变换器结构的基础上，再串接一个升压型的变换器 ，就可以得到升降压型的变换器拓扑结构。文献5认为升降压变换器的电感在中间，所以输入和输出电流的脉动都很大，针对这种情况，引入了库克变换器。库克变换器的最初想法是在输入输出侧都设计电感以抑制两侧的电流纹波，但能量在两只电感间传递是不合理的，所以库克变换器在输入输出电感间设计了一只直流电容进行能量传递，但此时变换器输出反相电压，这限制了它在便携式设备中的应用。
相较于前两种，单端初级电感式转换器可实现电压的同向变换，但它也和库克变换器一样，前后级能量的传递是通过耦合电容实现，且需双电容和双电感，增大了变换器的体积，限制了在便携式设备中的应用。此外，这三种结构的功率器件所受到的电压应力都很大，是输出和输入电压的总和。
文献6介绍了一种基于四开关升降压的直流-直流变换器，此变换器只含一只电感、两只电容和四个开关，即减小无源器件芯片面积和数量，又提高了电路的灵活性，同时输出电压是正向输出，实现将较宽输入的电压波动预先稳定在一个较小的范围， 起到预稳压电源的作用。
1.2电路拓扑
本文介绍的四开关管升降压变换器拓扑结构电路如图1所示，变换器有一只电感、两只电容和四个开关器件，能实现电压的正向输出。另几种升降压变换器，由于篇幅所限，这里不再展示。
2、系统仿真电路图设计
2.1仿真软件介绍
文献3认为，在电力电子变换器的分析和设计中，数值仿真可以极大地提高工作效率，避免在实际应用中出现与理想设计太大的偏差。目前常用的仿真软件有两种，一种是MATLAB，另-种是PSIM。利用MATLAB对电力电子变换器进行仿真和分析，利用MATLAB的SimPowersystem工具箱中已有的元件模型，在MATLAB/Simulink平台上放置元器件并设置参数，可完成电力电子变换器电路的搭建，是目前电力电子变换器仿真设计工具的最佳选择之一，本设计采用MAT-LAB/Simulink平台进行仿真。
PSIM全称为Power Simulation， 是面向电力子领域及电机控制领域的仿真应用包软件，解压即用，界面简洁。界面上方与常见的仿真软件一样，是对软件功能的集合及一些常用的快捷方式，软件下方则是该软件的所有仿真电路元器件。
2.2仿真电路图设计
2.3各阶段工作状态分析
图3为输入电压为12V时的仿真电路波形，在电源处于稳定工作的情况下，如在6.6X103秒时，输入电压Vin为稳定的12V时，由于输出电压Vout存在纹波，输出电压的波形在12V附近上下波动，测量值为11.79V，如图3所示，存在着四个阶段的电感电流和电感电压，下面对其进行分析。
第Ⅱ阶段:t1~t2 (6.605~6.61)，MOS1 管和MOS3管导通，另外两只MOS管关断，电感两端的电压等于输入电压与输出电压之差，此时输入电压是大于输出电压的，所以电感电流仍然上升，但上升的斜率明显变小，电感和输入端同时对输出端进行能量传递。此时，令MOS1管在一个周期内的导通时间为D1，即D1=t1-tO。
第Ⅲ阶段:t2~t3 (6.61~6.615)，MOS2 管和MOS3管导通，另外两只MOS管关断，此时电感两端的电压等于负的输出电压，电感电流是下降的，电感对输出端释放能量，令MOS3管在一个周期内的导通时间为1-D2，即1-D2=t3-t1。
第IV阶段:t3~t4 (6.615~6.62)，MOS2管和MOS4管导通，另外两只MOS管关断，电感两端电压几乎为零，电感的电流保持不变，这样利于MOS1管和MOS4管零电压软开通，提高控制的可靠性，此时电流处于反向续流阶段。各阶段MOS管工作情况如表1所示。
如图3所示，电感电压根据伏秒平衡原理，电感两端电压与时间乘积在一个周期内为零。即VinX(t1-t0)+(Vin-Vout)x(t2-t1)= VoutX(t3-t2)，从而得到输出电压如下:
从公式1可以看出，输出电压和D1、D2有关，改变D1和D2的值，可以控制电路工作在升压、降压或升降压(输入与输出电压相接近时)，控制输出电压的大小，从而起到调压的作用。
3、实物系统硬件设计
经过仿真软件验证后，清楚了硬件电路的搭建，四开关管升降压变换器拓扑电路作为主功率电路以及驱动电路与检测电路构成整体的系统，本设计选用STM32F334C8T6作为主控芯片，并选择了SI8233BD作为驱动四个MOS管的驱动芯片。SI8233BD驱动芯片自带死区时间，在减缓主控芯片工作量的同时，也提高了设计的安全性。为了满足EMI的要求，在高频环路部分，为了使构成的面积尽可能小，四个开关管和电解电容排列紧凑，同时留出一点间隙，以方便焊接。
4、实物系统软件设计
仿真做完后，整体程序设计框架主要分为两个部分，一个是外设初始化，一个是中断初始化。外设初始化主要是开启ADC、外部触发中断等可能用到的外设，而中断初始化包括高分辨率定时器中断和一般定时器中断。
5、系统结果分析
经过仿真、选型和硬件设计后，完成设计的最后一步便是调试。在调试前，需明确设计任务要求，由于是升降压开关电源，所以需要满足输入电压范围和输出电压范围，并验证其结果是否符合要求。
在调试过程中用到了一个直流电源与万用表，直流电源是用来验证输入端，万用表是验证输出端。输入输出电压测试表如表3所示，可以看出，输出电压稳定在12V附近，满足输出电压的要求。
本文介绍了智能开关电源的设计步骤和方法，并引入了四开关管升降压变换器为例子进行介绍，设计过程包括智能开关电源的设计方案工作原理分析、仿真过程及分析、硬件选型和设计、软件设计等，再到调试。仿真与系统实验测试数据表明，四开关管升降压变换器具有良好的预稳压功能，可以满足使用要求。
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