開關電源：理論聯(lián)系實際，由表及里剖析

本次文章我們將會為您解讀開關電源的工作模式和原理、開關電源內(nèi)部的元器件的介紹以及這些元器件的功能。

　　目前主要包括兩種電源類型：線性電源(linear)和開關電源(switching)。線性電源的工作原理是首先將127 V或者220 V市電通過變壓器轉(zhuǎn)為低壓電，比如說12V，而且經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的低壓依然是AC交流電;然后再通過一系列的二極管進行矯正和整流。個人PC所采用的電源都是基于一種名為“開關模式”的技術(shù)，所以我們經(jīng)常會將個人PC電源稱之為——開關電源(Switching Mode Power Supplies，簡稱SMPS)，它還有一個綽號——DC-DC轉(zhuǎn)化器。本次文章我們將會為您解讀開關電源的工作模式和原理、開關電源內(nèi)部的元器件的介紹以及這些元器件的功能。

　　線性電源知多少

　　目前主要包括兩種電源類型：線性電源(linear)和開關電源(switching)。線性電源的工作原理是首先將127 V或者220 V市電通過變壓器轉(zhuǎn)為低壓電，比如說12V，而且經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的低壓依然是AC交流電;然后再通過一系列的二極管進行矯正和整流，并將低壓AC交流電轉(zhuǎn)化為脈動電壓(配圖1和2中的3);下一步需要對脈動電壓進行濾波，通過電容完成，然后將經(jīng)過濾波后的低壓交流電轉(zhuǎn)換成DC直流電(配圖1和2中的4);此時得到的低壓直流電依然不夠純凈，會有一定的波動(這種電壓波動就是我們常說的紋波)，所以還需要穩(wěn)壓二極管或者電壓整流電路進行矯正。最后，我們就可以得到純凈的低壓DC直流電輸出了(配圖1和2中的5)

　　盡管說線性電源非常適合為低功耗設備供電，比如說無繩電話、PlayStation/Wii/Xbox等游戲主機等等，但是對于高功耗設備而言，線性電源將會力不從心。對于線性電源而言，其內(nèi)部電容以及變壓器的大小和AC市電的頻率成反比：也即說如果輸入市電的頻率越低時，線性電源就需要越大的電容和變壓器，反之亦然。由于當前一直采用的是60Hz(有些國家是50Hz)頻率的AC市電，這是一個相對較低的頻率，所以其變壓器以及電容的個頭往往都相對比較大。此外，AC市電的浪涌越大，線性電源的變壓器的個頭就越大。由此可見，對于個人PC領域而言，制造一臺線性電源將會是一件瘋狂的舉動，因為它的體積將會非常大、重量也會非常的重。所以說個人PC用戶并不適合用線性電源。

　　開關電源知多少

　　開關電源可以通過高頻開關模式很好的解決這一問題。對于高頻開關電源而言，AC輸入電壓可以在進入變壓器之前升壓(升壓前一般是50-60 KHz)。隨著輸入電壓的升高，變壓器以及電容等元器件的個頭就不用像線性電源那么的大。這種高頻開關電源正是我們的個人PC以及像VCR錄像機這樣的設備所需要的。需要說明的是，我們經(jīng)常所說的“開關電源”其實是“高頻開關電源”的縮寫形式，和電源本身的關閉和開啟式?jīng)]有任何關系的。事實上，終端用戶的PC的電源采用的是一種更為優(yōu)化的方案：閉回路系統(tǒng)(closed loop system)——負責控制開關管的電路，從電源的輸出獲得反饋信號，然后根據(jù)PC的功耗來增加或者降低某一周期內(nèi)的電壓的占空比以便能夠適應電源的變壓器(這個方法稱作PWM，Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制)。所以說，開關電源可以根據(jù)與之相連的耗電設備的功耗的大小來自我調(diào)整，從而可以讓變壓器以及其他的元器件帶走更少量的能量，而且降低發(fā)熱量。反觀線性電源，它的設計理念就是功率至上，即便負載電路并不需要很大電流。這樣做的后果就是所有元件即便非必要的時候也工作在滿負荷下，結(jié)果產(chǎn)生高很多的熱量。

　　圖解開關電源

　　下圖3和4描述的是開關電源的PWM反饋機制。圖3描述的是沒有PFC(Power Factor Correction，功率因素校正) 電路的廉價電源，圖4描述的是采用主動式PFC設計的中高端電源。

　　通過圖3和圖4的對比我們可以看出兩者的不同之處：一個具備主動式PFC電路而另一個不具備，后者沒有110/220 V轉(zhuǎn)換器，而且也沒有電壓倍壓電路。下文我們的重點將會是主動式PFC電源的講解。為了讓讀者能夠更好的理解電源的工作原理，以上我們提供的是非?；镜膱D解，圖中并未包含其他額外的電路，比如說短路保護、待機電路以及PG信號發(fā)生器等等。當然了，如果您還想了解一下更加詳盡的圖解，請看圖5。如果看不懂也沒關系，因為這張圖本來就是為那些專業(yè)電源設計人員看的。

　　你可能會問，圖5設計圖中為什么沒有電壓整流電路?(me：倍壓)事實上，PWM電路已經(jīng)肩負起了電壓整流的工作。輸入電壓在經(jīng)過開關管之前將會再次校正，而且進入變壓器的電壓已經(jīng)成為方形波。所以，變壓器輸出的波形也是方形波，而不是正弦波。由于此時波形已經(jīng)是方形波，所以電壓可以輕而易舉的被變壓器轉(zhuǎn)換為DC直流電壓。也就是說，當電壓被變壓器重新校正之后，輸出電壓已經(jīng)變成了DC直流電壓。這就是為什么很多時候開關電源經(jīng)常會被稱之為DC-DC轉(zhuǎn)換器。饋送PWM控制電路的回路負責所有需要的調(diào)節(jié)功能。如果輸出電壓錯誤時，PWM控制電路就會改變工作周期的控制信號以適應變壓器，最終將輸出電壓校正過來。這種情況經(jīng)常會發(fā)生在PC功耗升高的時，此時輸出電壓趨于下降，或者PC功耗下降的時，此時輸出電壓趨于上升。在看下一頁是，我們有必要了解一下以下信息：

　　★在變壓器之前的所有電路及模塊稱為“primary”(一次側(cè))，在變壓器之后的所有電路及模塊稱為“secondary”(二次側(cè));

　　★采用主動式PFC設計的電源不具備110 V/ 220 V轉(zhuǎn)換器，同時也沒有電壓倍壓器;

　　★對于沒有PFC電路的電源而言，如果110 V / 220 V被設定為110 V時，電流在進入整流橋之前，電源本身將會利用電壓倍壓器將110 V提升至220 V左右;

　　★PC電源上的開關管由一對功率MOSFET管構(gòu)成，當然也有其他的組合方式，之后我們將會詳解;

　　★變壓器所需波形為方形波，所以通過變壓器后的電壓波形都是方形波，而非正弦波;

　　★PWM控制電流往往都是集成電路，通常是通過一個小的變壓器與一次側(cè)隔離，而有時候也可能是通過耦合芯片(一種很小的帶有LED和光電晶體管的IC芯片)和一次側(cè)隔離;

　　★PWM控制電路是根據(jù)電源的輸出負載情況來控制電源的開關管的閉合的。如果輸出電壓過高或者過低時，PWM控制電路將會改變電壓的波形以適應開關管，從而達到校正輸出電壓的目的;

　　下一頁我們將通過圖片來研究電源的每一個模塊和電路，通過實物圖形象的告訴你在電源中何處能找到它們。

　　電源內(nèi)部揭秘

　　當你第一次打開一臺電源后(確保電源線沒有和市電連接，否則會被電到)，你可能會被里面那些奇奇怪怪的元器件搞得暈頭轉(zhuǎn)向，但是有兩樣東西你肯定認識：電源風扇和散熱片。

　　但是您應該很容易就能分辨出電源內(nèi)部哪些元器件屬于一次側(cè)，哪些屬于二次側(cè)。一般來講，如果你看到一個(采用主動式PFC電路的電源)或者兩個(無PFC電路的電源)很大的濾波電容的話，那一側(cè)就是一次側(cè)。

　　一般情況下，在電源的兩個散熱片之間都會安排3個變壓器，比如說圖7所示，主變壓器是最大個的那顆;中等“體型”的那顆往往負責+5VSB輸出，而最小的那顆一般用于PWM控制電路，主要用于隔離一次側(cè)和二次側(cè)部分(這也是為什么在上文圖3和圖4中的變壓器上貼著“隔離器”的標簽)。有些電源并不把變壓器當“隔離器”來用，而是采用一顆或者多顆光耦(看起來像是IC整合芯片)，也即說采用這種設計方案的電源只有兩個變壓器——主變壓器和輔變壓器。電源內(nèi)部一般都有兩個散熱片，一個屬于一次側(cè)，另一個屬于二次側(cè)。如果是一臺主動式PFC電源，那么它的在一次側(cè)的散熱片上，你可以看到開關管、PFC晶體管以及二極管。這也不是絕對的，因為也有些廠商可能會選擇將主動式PFC組件安裝到獨立的散熱片上，此時在一次側(cè)會有兩個散熱片。在二次側(cè)的散熱片上，你會發(fā)現(xiàn)有一些整流器，它們看起來和三極管有點像，但事實上，它們都是有兩顆功率二極管組合而成的。在二次側(cè)的散熱片旁邊，你還會看到很多電容和電感線圈，共同共同組成了低壓濾波模塊——找到它們也就找到了二次側(cè)。區(qū)分一次側(cè)和二次側(cè)更簡單的方法就是跟著電源的線走。一般來講，與輸出線相連的往往是二次側(cè)，而與輸入線相連的是一次側(cè)(從市電接入的輸入線)。如圖7所示。

　　以上我們從宏觀的角度大致介紹了一下一臺電源內(nèi)部的各個模塊。下面我們細化一下，將話題轉(zhuǎn)移到電源各個模塊的元器件上來……

　　瞬變?yōu)V波電路解析

　　市電接入PC開關電源之后，首先進入瞬變?yōu)V波電路(Transient Filtering)，也就是我們常說的EMI電路。下圖8描述的是一臺PC電源的“推薦的”的瞬變?yōu)V波電路的電路圖。

為什么要強調(diào)是“推薦的”的呢?因為市面上很多電源，尤其是低端電源，往往會省去圖8中的一些元器件。所以說通過檢查EMI電路是否有縮水就可以來判斷你的電源品質(zhì)的優(yōu)劣。EMI電路電路的主要部件是MOV (l Oxide Varistor，金屬氧化物壓敏電阻)，或者壓敏電阻(圖8中RV1所示)，負責抑制市電瞬變中的尖