開關電源(SMPS)已廣泛應用於各種電子設備中，被普遍用來提供各種不同的直流電源。SMPS拓撲結構有很多，但可以劃分為幾種基本的類型，不同類型的轉換器可以對輸入電壓實現升壓、降壓、反轉以及升/降壓變換。與線性穩壓器只能對輸入電進行降壓不同的是，可以選擇不同拓撲的SMPS來滿足任何輸出電壓的需求，這也正是SMPS極具吸引力的原因。
圖1. 基本的SMPS拓撲：buck、boost和buck-boost
根據電路拓撲的不同，SMPS可以將直流輸入電壓轉換成不同的直流輸出電壓。實際應用中存在多種拓撲結構，比較常見有三種基本類型，按照功能劃分為(參見圖1)：降壓(buck)、升壓(boost)、升/降壓(buck-boost或反轉)。下面還將討論圖2中所畫出的電感充電/放電通道。三種拓撲都包括MOSFET開關、二極體、輸出電容和電感。MOSFET是拓撲中的有源受控元件，與控制器(圖中沒給出)連接，控制器輸出脈寬調製(PWM)方波信號驅動MOSFET柵極，控制器件的關斷或導通。
為使輸出電壓保持穩定，控制器檢測SMPS輸出電壓，並改變方波信號的佔空比(D)，即MOSFET在每個開關周期(TS)導通時間。D是方波導通時間和周期的比值(TON/TS)，直接影響SMPS的輸出電壓。兩者之間的關係在等式4和等式5給出。MOSFET的導通和關斷狀態將SMPS電路分為兩個階段：充電階段和放電階段，分別表示電感中的能量傳遞狀態(參見圖1的環路)。充電期間電感所儲存的能量，在放電期間傳遞給輸出負載和電容上。電感充電期間，輸出電容為負載供電，維持輸出電壓穩定。根據拓撲結構不同，能量在電路元件中循環傳遞，使輸出電壓維持在適當的值。
在每個開關周期，電感是電源到負載能量傳輸的核心。如果沒有電感，MOSFET切換時，SMPS將無法正常工作。電感(L)中所儲存的能量(E)取決於電感電流值(I)：
因此，電感中能量的變化可通過電流的變化量(ΔIL)來衡量，取決於規定的時間內(ΔT)電感兩端電壓的變化量(VL)：
在每個開關周期中(圖3)，電感兩端的電壓恆定，因此電感中的電流線性變化。根據基爾霍夫電壓環路定律，可以得到開關過程中電感兩端電壓，注意極性以及VIN / VOUT的關係。例如，升壓轉換器的放電期間，電感兩端電壓為-(VOUT - VIN)。因為VOUT > VIN，所以電感兩端電壓為負。充電期間，MOSFET導通，二極體反向偏置，能量從電源傳遞給電感(圖1)。由於電感兩端電壓(VL)為正，電感電流將逐漸上升。同時，輸出電容將前一個周期存儲的能量傳遞給負載，以保持輸出電壓的恆定。
放電期間，MOSFET關斷，二極體正向偏置並導通。由於此時電源不再對電感充電，電感兩端電壓極性反轉，並且將能量釋放給負載，同時補充輸出電容的儲能(圖2)。放電時，電感電流逐漸下降，放電電流如上述關係式所示。充電/放電周期循環，並保持一個穩定的開關狀態。在電路建立穩態的過程中，電感電流逐漸達到其穩定值，該電流是直流電流和電路在兩個階段切換時所產生的交流電流(或電感紋波電流)之和(圖2)。直流電流的大小與輸出電流成正比，也取決於電感在SMPS拓撲中的位置。
圖2. 穩態時電感的電壓、電流特性
紋波電流需要經過SMPS濾波，以獲得真正的直流輸出。濾波由輸出電容完成，它對於交流信號呈現較低的阻抗。不需要的輸出紋波電流通過輸出電容旁路，並且當電流對地放電時保持電容電荷恆定。因此，輸出電容還起到穩定輸出電壓的作用。實際應用中，輸出電容的等效串聯電阻(ESR)產生的輸出電壓紋波與電容的紋波電流成正比。由此可見，能量在電源、電感和輸出電容間傳遞，保持輸出電壓恆定，為負載供電。那麼，通過SMPS間的能量傳遞如何確定輸出電壓和輸入/輸出電壓轉換比? 如果能夠理解電路作用一個周期性波形的穩態過程，便可以很容易的計算出這些數值。穩態期間，有一個變量在重複周期TS的開始階段與結束階段相等。對於電感而言，如上所述，其電流周期性的充電與放電，因此其電流在PWM周期的開始階段應該與結束階段相等。這意味著，電感電流在充電過程的變化量(ΔICHARGE)應等於在放電過程的變化量(ΔIDISCHARGE)。建立充電和放電期間電感電流變化的等式，可得到下面的表達式：
簡而言之，在不同的工作周期，電感電壓和時間的乘積相等。因此，從圖2的SMPS電路中，我們可以很容易的得到穩態時的電壓和電流轉換比。對於降壓電路，根據充電電路的基爾霍夫電壓環路可得到電感兩端的電壓為(VIN - VOUT)。同理，放電過程中電路電感兩端的電壓為-VOUT。根據等式3，可得出電壓的轉換比為：
從這一系列等式可以看出，降壓轉換器的輸出相比VIN增大了D倍，而輸入電流則比負載電流大D倍。表1列舉了圖1中所示拓撲結構的轉換比。有些複雜的拓撲結構可能難以分析，但是利用這個方法解等式3和5可得到全部SMPS的轉換比。在實際應用中，我們可以根據不同需求，選擇具體拓撲結構。