開關(guān)電源工作原理

1、開關(guān)電源工作原理 目前常見的電源在主要有兩種電源類型：線性電源（linear）和開關(guān)電源（switching）。一、線性電源 線性電源主要包括工頻變壓器、輸出整流濾波器、控制電路、保護電路等。工作過程： 先將220 V市電通過變壓器轉(zhuǎn)為低壓交流電，比如說12V，然后再通過一系列的二極管或整流橋堆進行整流，將低壓AC交流電轉(zhuǎn)化為脈動電壓（配圖1和2中的“3”）；再通過電容對脈動電壓進行濾波，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），要想得到高精度的穩(wěn)定的直流電壓，還需要穩(wěn)壓二極管或者電壓反饋

2、電路調(diào)整輸出電壓。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”）。配圖1：標(biāo)準(zhǔn)的線性電源設(shè)計圖配圖2：線性電源的波形線性電源的優(yōu)點：紋波小，調(diào)整率好，對外干擾小。適合用于模擬電路，各類放大器等低功耗設(shè)備。線性電源的缺點：體積大，笨重，效率低、發(fā)熱量也大。需要龐大而笨重的變壓器，所需的濾波電容的體積和重量也相當(dāng)大，線性電源的調(diào)整管工作在放大狀態(tài)，因而發(fā)熱量大，效率低（35%左右），需要加體積龐大的散熱片，而且還需要同樣也是大體積的工頻變壓器，當(dāng)要制作多組電壓輸出時變壓器會更龐大。對于高功耗設(shè)備而言，線性電源將會力不從心。二、開關(guān)電源 開關(guān)電源是采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)元

3、件，通過周期性通斷開關(guān)，控制開關(guān)元件的占空比來調(diào)整輸出電壓。開關(guān)電源的工作原理，簡單的說是將交流電先整流成直流電，再將直流逆變成交流電，再整流輸出成所需要的直流電壓。交流電源經(jīng)整流濾波成直流；通過高頻PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號控制開關(guān)管進行高速的導(dǎo)通與截止，將直流電轉(zhuǎn)化為高頻率的交流電提供給開關(guān)變壓器進行變壓；開關(guān)變壓器次級感應(yīng)出高頻交流電壓,經(jīng)整流濾波變成直流電供給負載；輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路,控制PWM占空比,以達到穩(wěn)定輸出的目的。開關(guān)電源的主要優(yōu)點： 體積小、重量輕（體積和重量只有線性電源的2030%）、效率高（一般為6070%，而線性電源只有3040%）、自身抗干擾性強、

4、輸出電壓范圍寬、模塊化。 開關(guān)電源的主要缺點： 由于逆變電路中會產(chǎn)生高頻電壓，對周圍設(shè)備有一定的干擾。需要良好的屏蔽及接地。1、電路組成開關(guān)電源的主要電路是由輸入電磁干擾濾波器（EMI）、整流濾波電路、功率變換電路、PWM控制器電路、輸出整流濾波電路組成。輔助電路有輸入過欠壓保護電路、輸出過欠壓保護電路、輸出過流保護電路、輸出短路保護電路等。 開關(guān)電源的電路組成方框圖如下：2、開關(guān)電源各功能電路詳解、AC輸入整流濾波電路 防雷電路：當(dāng)有雷擊，產(chǎn)生高壓經(jīng)電網(wǎng)導(dǎo)入電源時，由MOV1、MOV2、MOV3：F1、F2、F3、FDG1組成的電路進行保護。當(dāng)加在壓敏電阻兩端的電壓超過其工作電壓時，其阻值降

5、低，使高壓能量消耗在壓敏電阻上，若電流過大，F(xiàn)1、F2、F3會燒毀保護后級電路。 輸入電磁干擾濾波電路（EMI）：消除來自電網(wǎng)，如電動機的啟動、電器的開關(guān)、雷擊等產(chǎn)生的干擾，同時也防止開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻噪聲向電網(wǎng)擴散。 C1、L1、C2、C3組成的雙型濾波網(wǎng)絡(luò)主要是對輸入電源的電磁噪聲及雜波信號進行抑制，防止對電源干擾，同時也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對電網(wǎng)干擾。當(dāng)電源開啟瞬間，要對C5充電，由于瞬間電流大，加RT1（熱敏電阻）就能有效的防止浪涌電流。因瞬時能量全消耗在RT1電阻上，一定時間后溫度升高后RT1阻值減?。≧T1是負溫系數(shù)元件），這時它消耗的能量非常小，后級電路可正常工作。 整流濾

6、波電路：將電網(wǎng)輸入電壓進行整流濾波，為變換器提供直流電壓。交流電壓經(jīng)BRG1整流后，經(jīng)C5濾波后得到較為純凈的直流電壓。若C5容量變小，輸出的交流紋波將增大。 、功率因數(shù)校正電路 PFC (power factor correction)PFC，意思是功率因數(shù)校正,作用是對輸入電流波形進行控制，使其同步輸入電壓波形。功率因數(shù)，指的是有效功率與總耗電量之間的關(guān)系，基本上功率因數(shù)可以衡量電力被使用的程度，功率因數(shù)值越大，代表其電力利用率越高。開關(guān)電源是一種電容輸入型電路，其電流和電壓之間的相位差會造成交換功率的損失，而PFC電路就是為了提高功率因數(shù)，提高交流電轉(zhuǎn)直流電的效率。PFC電路分為兩種，一

7、種是被動式（無源）PFC，另一種是主動式PFC（有源）電路。原理示意圖： 工作原理： 輸入電壓經(jīng)L1、L2、L3等組成的EMI濾波器，BRG1整流一路送PFC電感，另一路經(jīng)R1、R2分壓后送入PFC控制器作為輸入電壓的取樣，用以調(diào)整控制信號的占空比，即改變Q1的導(dǎo)通和關(guān)斷時間，穩(wěn)定PFC輸出電壓。L4是PFC電感，它在Q1導(dǎo)通時儲存能量，在Q1關(guān)斷時施放能量。D1是啟動二極管。D2是PFC整流二極管，C6、C7濾波。PFC電壓一路送后級電路，另一路經(jīng)R3、R4分壓后送入PFC控制器作為PFC輸出電壓的取樣，用以調(diào)整控制信號的占空比，穩(wěn)定PFC輸出電壓。 （3）、 DC輸入濾波電路 輸入濾波電路

8、：C1、L1、C2組成的雙型濾波網(wǎng)絡(luò)主要是對輸入電源的電磁噪聲及雜波信號進行抑制，防止對電源干擾，同時也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對電網(wǎng)干擾。C3、C4為安規(guī)電容，L2、L3為差模電感。 R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7組成抗浪涌電路。在起機的瞬間，由于C6的存在Q2不導(dǎo)通，電流經(jīng)RT1構(gòu)成回路。當(dāng)C6上的電壓充至Z1的穩(wěn)壓值時Q2導(dǎo)通。如果C8漏電或后級電路短路現(xiàn)象，在起機的瞬間電流在RT1上產(chǎn)生的壓降增大，Q1導(dǎo)通使Q2沒有柵極電壓不導(dǎo)通，RT1將會在很短的時間燒毀，以保護后級電路。 （4）、 功率變換電路 是開關(guān)電源的關(guān)鍵部分。它把直流電壓變換成高

9、頻交流電壓，并且起到將輸出部分與輸入電網(wǎng)隔離的作用。常見的原理圖：工作原理： R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2組成緩沖器，和開關(guān)MOS管并接，使開關(guān)管電壓應(yīng)力減少，EMI減少，不發(fā)生二次擊穿。在開關(guān)管Q1關(guān)斷時，變壓器的原邊線圈易產(chǎn)生尖峰電壓和尖峰電流，這些元件組合一起，能很好地吸收尖峰電壓和電流。從R3測得的電流峰值信號參與當(dāng)前工作周波的占空比控制，因此是當(dāng)前工作周波的電流限制。當(dāng)R5上的電壓達到1V時，UC3842停止工作，開關(guān)管Q1立即關(guān)斷 。 R1和Q1中的結(jié)電容CGS、CGD一起組成RC網(wǎng)絡(luò)，電容的充放電直接影響著開關(guān)管的開關(guān)速度。R1過小，易引起振蕩，電磁干擾也會很大；R1

10、過大，會降低開關(guān)管的開關(guān)速度。Z1通常將MOS管的GS電壓限制在18V以下，從而保護了MOS管。 Q1的柵極受控電壓為鋸形波，當(dāng)其占空比越大時，Q1導(dǎo)通時間越長，變壓器所儲存的能量也就越多；當(dāng)Q1截止時，變壓器通過D1、D2、R5、R4、C3釋放能量，同時也達到了磁場復(fù)位的目的，為變壓器的下一次存儲、傳遞能量做好了準(zhǔn)備。IC根據(jù)輸出電壓和電流時刻調(diào)整著腳鋸形波占空比的大小，從而穩(wěn)定了整機的輸出電流和電壓。 C4和R6為尖峰電壓吸收回路。 4、推挽式功率變換電路： Q1和Q2將輪流導(dǎo)通。 推挽式功率變換電路： Q1和Q2將輪流導(dǎo)通。有驅(qū)動變壓器的功率變換電路：T2為驅(qū)動變壓器，T1為開關(guān)變壓器，

11、TR1為電流環(huán)。（5）、輸出整流濾波電路、 正激式整流電路T1為開關(guān)變壓器，其初極和次極的相位同相。D1為整流二極管，D2為續(xù)流二極管，R1、C1、R2、C2為削尖峰電路。L1為續(xù)流電感，C4、L2、C5組成型濾波器。 、 反激式整流電路： T1為開關(guān)變壓器，其初極和次極的相位相反。D1為整流二極管，R1、C1為削尖峰電路。L1為續(xù)流電感，R2為假負載，C4、L2、C5組成型濾波器。 、 同步整流電路工作原理：當(dāng)變壓器次級上端為正時，電流經(jīng)C2、R5、R6、R7使Q2導(dǎo)通，電路構(gòu)成回路，Q2為整流管。Q1柵極由于處于反偏而截止。當(dāng)變壓器次級下端為正時，電流經(jīng)C3、R4、R2使Q1導(dǎo)通，Q1為續(xù)

12、流管。Q2柵極由于處于反偏而截止。L2為續(xù)流電感，C6、L1、C7組成型濾波器。R1、C1、R9、C4為削尖峰電路。 （6）、PMW控制電路（穩(wěn)壓環(huán)路、取樣） 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(guān)管的閉合的。檢測輸出直流電壓，并將其與基準(zhǔn)電壓比較，進行放大。調(diào)制振蕩器的脈沖寬度，從而控制變換器以保持輸出電壓的穩(wěn)定。反饋電路原理圖：工作原理： 當(dāng)輸出U0升高，經(jīng)取樣電阻R7、R8、R10、VR1分壓后，U1腳電壓升高，當(dāng)其超過U1腳基準(zhǔn)電壓后U1腳輸出高電平，使Q1導(dǎo)通，光耦OT1發(fā)光二極管發(fā)光，光電三極管導(dǎo)通，UC3842腳電位相應(yīng)變低，從而改變U1腳輸出占空比減小，U0降低

13、。 當(dāng)輸出U0降低時，U1腳電壓降低，當(dāng)其低過U1腳基準(zhǔn)電壓后U1腳輸出低電平，Q1不導(dǎo)通，光耦OT1發(fā)光二極管不發(fā)光，光電三極管不導(dǎo)通，UC3842腳電位升高，從而改變U1腳輸出占空比增大，U0降低。周而復(fù)始，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。調(diào)節(jié)VR1可改變輸出電壓值。 反饋環(huán)路是影響開關(guān)電源穩(wěn)定性的重要電路。如反饋電阻電容錯、漏、虛焊等，會產(chǎn)生自激振蕩，故障現(xiàn)象為：波形異常，空、滿載振蕩，輸出電壓不穩(wěn)定等。 （7）、短路保護電路在輸出端短路的情況下，PWM控制電路能夠把輸出電流限制在一個安全范圍內(nèi)。下圖是小功率短路保護電路，其原理簡述如下：當(dāng)輸出電路短路，輸出電壓消失，光耦OT1不導(dǎo)通，UC384

14、2腳電壓上升至5V左右，R1與R2的分壓超過TL431基準(zhǔn)，使之導(dǎo)通，UC3842腳VCC電位被拉低，IC停止工作。UC3842停止工作后腳電位消失，TL431不導(dǎo)通UC3842腳電位上升，UC3842重新啟動，周而復(fù)始。當(dāng)短路現(xiàn)象消失后，電路可以自動恢復(fù)成正常工作狀態(tài)。 下圖是中功率短路保護電路，其原理簡述如下： 當(dāng)輸出短路，UC3842腳電壓上升,U1 腳電位高于腳時，比較器翻轉(zhuǎn)腳輸出高電位，給 C1充電，當(dāng)C1兩端電壓超過腳基準(zhǔn)電壓時U1腳輸出低電位，UC3842腳低于1V，UCC3842停止工作，輸出電壓為0V，周而復(fù)始，當(dāng)短路消失后電路正常工作。R2、C1是充放電時間常數(shù)，阻值不對時

15、短路保護不起作用。 下圖是常見的限流、短路保護電路。其工作原理簡述如下： 當(dāng)輸出電路短路或過流，變壓器原邊電流增大，R3 兩端電壓降增大，腳電壓升高，UC3842腳輸出占空比逐漸增大，腳電壓超過1V時，UC3842關(guān)閉無輸出。下圖是用電流互感器取樣電流的保護電路,有著功耗小，但成本高和電路較為復(fù)雜，其工作原理簡述如下： 輸出電路短路或電流過大，TR1次級線圈感應(yīng)的電壓就越高，當(dāng)UC3842腳超過1伏，UC3842停止工作，周而復(fù)始，當(dāng)短路或過載消失，電路自行恢復(fù)。 （8）、輸出端限流保護 上圖是常見的輸出端限流保護電路，其工作原理簡述如上圖：當(dāng)輸出電流過大時，RS（錳銅絲）兩端電壓上升，U1腳

16、電壓高于腳基準(zhǔn)電壓，U1腳輸出高電壓，Q1導(dǎo)通，光耦發(fā)生光電效應(yīng)，UC3842腳電壓降低，輸出電壓降低，從而達到輸出過載限流的目的。 （9）、輸出過壓保護電路的原理 輸出過壓保護電路的作用是：當(dāng)輸出電壓超過設(shè)計值時，把輸出電壓限定在一安全值的范圍內(nèi)。當(dāng)開關(guān)電源內(nèi)部穩(wěn)壓環(huán)路出現(xiàn)故障或者由于用戶操作不當(dāng)引起輸出過壓現(xiàn)象時，過壓保護電路進行保護以防止損壞后級用電設(shè)備。應(yīng)用最為普遍的過壓保護電路有如下幾種： 可控硅觸發(fā)保護電路：如上圖，當(dāng)Uo1輸出升高，穩(wěn)壓管（Z3）擊穿導(dǎo)通，可控硅（SCR1）的控制端得到觸發(fā)電壓，因此可控硅導(dǎo)通。Uo2電壓對地短路，過流保護電路或短路保護電路就會工作，停止整個電源電

17、路的工作。當(dāng)輸出過壓現(xiàn)象排除，可控硅的控制端觸發(fā)電壓通過R對地泄放，可控硅恢復(fù)斷開狀態(tài)。 光電耦合保護電路： 如上圖，當(dāng)Uo有過壓現(xiàn)象時，穩(wěn)壓管擊穿導(dǎo)通，經(jīng)光耦（OT2）R6到地產(chǎn)生電流流過，光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光，從而使光電耦合器的光敏三極管導(dǎo)通。Q1基極得電導(dǎo)通， 3842的腳電降低，使IC關(guān)閉，停止整個電源的工作，Uo為零，周而復(fù)始，。 輸出限壓保護電路 輸出限壓保護電路如下圖，當(dāng)輸出電壓升高，穩(wěn)壓管導(dǎo)通光耦導(dǎo)通，Q1基極有驅(qū)動電壓而道通，UC3842電壓升高，輸出降低，穩(wěn)壓管不導(dǎo)通，UC3842電壓降低，輸出電壓升高。周而復(fù)始，輸出電壓將穩(wěn)定在一范圍內(nèi)（取決于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值）。輸出過壓鎖死電路 圖A的工作原理是，當(dāng)輸出電壓Uo升高，穩(wěn)壓管導(dǎo)通，光耦導(dǎo)通，Q2基極得電導(dǎo)通，由于Q2的導(dǎo)通Q1基極電壓降低也導(dǎo)通，Vcc電壓經(jīng)R1、Q1、R2使Q2始終導(dǎo)通，UC3842腳始終是高電平而停止工作。在圖B中，UO升高U1腳電壓升