開關電源工作原理

作者：zhuwei0710 時間：2015-04-02 來源：電子產(chǎn)品世界

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　　導讀：記得上大學那會，特別熱衷DIY電腦，配電源必用長城、航嘉等高大上品牌，這些電源都是基于一種名為“開關模式”的技術，此種電源稱之為開關電源(Switching Mode Power Supplies，簡稱SMPS)。本文將為您解讀開關電源的原理~

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/271991.htm

一、開關電源工作原理—簡介

　　顧名思義，開關電源就是利用電子開關器件(如晶體管、場效應管、可控硅閘流管等)，通過控制電路，使電子開關器件不停地“接通”和“關斷”，讓電子開關器件對輸入電壓進行脈沖調(diào)制，從而實現(xiàn)DC/AC、DC/DC電壓變換，以及輸出電壓可調(diào)和自動穩(wěn)壓。

　　開關電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關電源，這一點稱為成本反轉(zhuǎn)點。隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關電源技術也在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點日益向低輸出電力端移動，這為開關電源提供了廣闊的發(fā)展空間。

二、開關電源工作原理—結(jié)構(gòu)

　　開關電源大致由主電路、開關電源控制電路、檢測電路、輔助電源四大部份組成。

　　1、主電路

　　沖擊電流限幅：限制接通電源瞬間輸入側(cè)的沖擊電流。

　　輸入濾波器：其作用是過濾電網(wǎng)存在的雜波及阻礙本機產(chǎn)生的雜波反饋回電網(wǎng)。

　　整流與濾波：將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電。

　　逆變：將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開關電源的核心部分。

　　輸出整流與濾波：根據(jù)負載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。

　　2、控制電路

　　一方面從輸出端取樣，與設定值進行比較，然后去控制逆變器，改變其脈寬或脈頻，使輸出穩(wěn)定，另一方面，根據(jù)測試電路提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)保護電路鑒別，提供控制電路對電源進行各種保護措施。

　　3、檢測電路

　　提供保護電路中正在運行中各種參數(shù)和各種儀表數(shù)據(jù)。

　　4、輔助電源

　　實現(xiàn)電源的軟件(遠程)啟動，為保護電路和控制電路(PWM等芯片)工作供電。

三、開關電源工作原理—分類

　　開關電源一般有三種工作模式：頻率、脈沖寬度固定模式，頻率固定、脈沖寬度可變模式，頻率、脈沖寬度可變模式。前一種工作模式多用于DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換;后兩種工作模式多用于開關穩(wěn)壓電源。另外，開關電源輸出電壓也有三種工作方式：直接輸出電壓方式、平均值輸出電壓方式、幅值輸出電壓方式。同樣，前一種工作方式多用于DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換;后兩種工作方式多用于開關穩(wěn)壓電源。

　　開關電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類，DC/DC變換器現(xiàn)已實現(xiàn)模塊化，且設計技術及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)外均已成熟和標準化;AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進程中，遇到較為復雜的技術和工藝制造問題。

　　DC/DC變換

　　DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調(diào)制方式Ts不變，改變ton(通用)，二是頻率調(diào)制方式，ton不變，改變Ts(易產(chǎn)生干擾)。其具體的電路由以下幾類：

　　1) Buck電路——降壓斬波器，其輸出平均電壓U0小于輸入電壓Ui，極性相同。

　　2) Boost電路——升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于輸入電壓Ui，極性相同。

　　3) Buck-Boost電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電感傳輸。

　　4) Cuk電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電容傳輸。

　　當今軟開關技術使得DC/DC發(fā)生了質(zhì)的飛躍，美國VICOR公司設計制造的多種ECI軟開關DC/DC變換器，其最大輸出功率有300W、600W、800W等，相應的功率密度為(6.2、10、17)W/cm3，效率為(80～90)%。日本NemicLambda公司最新推出的一種采用軟開關技術的高頻開關電源模塊RM系列，其開關頻率為(200～300)kHz，功率密度已達到27W/cm3，采用同步整流器(MOSFET代替肖特基二極管)，使整個電路效率提高到90%。

　　AC/DC變換

　　AC/DC變換是將交流變換為直流，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負載的稱為“整流”，功率流由負載返回電源的稱為“有源逆變”。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電，因必須經(jīng)整流、濾波，因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的，同時因遇到安全標準(如UL、CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC、、FCC、CSA)，交流輸入側(cè)必須加EMC濾波及使用符合安全標準的元件，這樣就限制AC/DC電源體積的小型化，另外，由于內(nèi)部的高頻、高壓、大電流開關動作，使得解決EMC電磁兼容問題難度加大，也就對內(nèi)部高密度安裝電路設計提出了很高的要求，由于同樣的原因，高電壓、大電流開關使得電源工作損耗增大，限制了AC/DC變換器模塊化的進程，因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設計方法才能使其工作效率達到一定的滿意程度。

　　AC/DC變換按電路的接線方式可分為，半波電路、全波電路。按電源相數(shù)可分為，單相、三相、多相。按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。

四、開關電源工作原理—原理

　　開關電源的工作過程相當容易理解，在線性電源中，讓功率晶體管工作在線性模式，與線性電源不同的是，PWM開關電源是讓功率晶體管工作在導通和關斷的狀態(tài)，在這兩種狀態(tài)中，加在功率晶體管上的伏-安乘積是很小的(在導通時，電壓低，電流大;關斷時，電壓高，電流小)/功率器件上的伏安乘積就是功率半導體器件上所產(chǎn)生的損耗。

　　與線性電源相比，PWM開關電源更為有效的工作過程是通過“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實現(xiàn)的。

　　解釋上圖：市電(交流電)入口進去的第一部分稱為一級EMI，主要負責內(nèi)部電路與外部電源之間的過渡，在一級EMI旁邊還有二級EMI，這些一二級EMI主要起到電路保護作用，比如當外部電源有波動的時候，一二級EMI會減少內(nèi)部沖突，從而保護電源內(nèi)部的硬件不容易受到損壞，另外當電源內(nèi)部硬件出現(xiàn)不穩(wěn)定，一二級EMI可以抑制內(nèi)部波動沖擊外部電路，以免影響其他電器的正常使用，簡單來說一二級EMI相當于一層濾網(wǎng)，防止雙向沖擊，對于一款合格的開關電源來說，一二級EMI都是必要的，當對于山寨低價電源來說，往往為了節(jié)省成本，省去了一二級EMI，盡管不影響電源功能，但對于電源的穩(wěn)定性以及干擾外部電源還是有影響的。

　　一二級EMI電路過后，就到了整流部分了，這里主要有一個由四個整流二極管組建的整流橋堆，其功能是實現(xiàn)，將交流電轉(zhuǎn)變成為直流電。其之后就是高壓濾波電路了，這里會看到有一個或者兩個大電容，以電感線圈等，主要負責進來的交流電進行濾波，由于外部交流電頻率可能波動較大，通過電容與線圈進行濾波，可以得到比較平滑的直主流電。

　　再往下就是中間部分了，在電源的中間是變壓器部分。由于開關電源有多路輸出，包括3.3V、5V、12V等等，因此需要變壓器，將前面的直流電分成幾組輸出電壓。在變壓器之后的下面，就是電源輸出部分了。