开关电源工作原理和实例分析.docx

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1、个人PC所采纳的电源都是基于一种名为“开关模式”的技术，所以我们常常会将个人PC电源称之为开关电源（SwitchingModePowerSupp1.ies,简称SMPS）,它还有一个外号一DC-DC转化器。本次文章我们将会为您解读开关电源的工作模式和原理、开关电源内部的元器件的介绍以及这些元器件的功能。线性电源知多少目前主要包括两种电源类型：线性电源（1.inear）和开关电源（SWitChing）0线性电源的工作原理是苜先将127V或者220V市电通过变压器转为低压电，比如说12V,而且经过转换后的低压依旧是AC沟通电；然后再通过一系列的二极管进行矫正和整流，并将低压AC沟通电转化为脉动电压

2、（配图1和2中的“3”）；下一步须要对脉动电压进行滤波，通过电容完成，然后将经过滤波后的低压沟通电转换成DC直流电（配图1和2中的“4”）；此时得到的低压直流电依旧不够纯净，会有确定的波动（这种电压波动就是我们常说的纹波），所以还须要稳压二极管或者电压整流电路进行矫正。最终，我们就可以得到纯净的低压DC宜流电输出了（配图1和2中的“5”）DCCwMtg，2VOCj配图1：标准的线性电源设计图wvt配图2：线性电源的波形尽管说线性电源特别适合为低功耗设备供电，比如说无绳电话、PIayStation/Nii/Xbox等嬉戏主机等等，但是对于高功耗设备而言，线性电源将会力不从心。对于线性电源而言，其

3、内部电容以及变压器的大小和AC市电的频率成反比：也即说假如输入市电的频率越低时，线性电源就须要越大的电容和变压器，反之亦然。由于当前始终采纳的是60Hz（有些国家是50HZ）频率的AC市电，这是一个相对较低的频率，所以其变压器以及电容的个头往往都相对比较大。此外，AC市电的浪涌越大，线性电源的变压器的个头就越大。由此可见，对于个人PC领域而言，制造一台线性电源将会是一件疯狂的举动，因为它的体枳将会特别大、重量也会特别的重。所以说个人PC用户并不适合用线性电源。开关电源知多少开关电源可以通过高频开关模式很好的解决这一问题。对于高频开关电源而言，AC输入电压可以在进入变压需之前升压（升压前一般是5

4、0-60KIIz）O随着输入电压的上升，变压器以及电容等元器件的个头就不用像线性电源那么的大。这种高频开美电源正是我们的个人PC以及像VCR录像机这样的设备所须要的。须要说明的是，我们常常所说的“开关电源”其实是“高频开关电源”的缩写形式，和电源本身的关闭和开启式没有任何关系的。事实上，终端用户的PC的电源采纳的是种更为优化的方案：闭回路系统（c1.osed1.oopsystem）一一负责限制开关管的电路，从电源的输出获得反馈信号，然后依据PC的功耗来增加或者降低某周期内的电压的频率以便能够适应电源的变压器（这个方法称作PWM,Pu1.seWidthModu1.ation,脉冲宽度调制作所以说

5、，开关电源可以依据及之相连的耗电设备的功耗的大小来自我调整，从而可以让变压器以及其他的元器件带走更少量的能量，而且降低发热量。反观线性电源，它的设计理念就是功率至上，即便负我电路并不须要很大电流。这样做的后果就是全部元件即便非必要的时候也工作在满负荷下，结果产生高很多的热量。第2页：看图说话：图解开关电源下图3和4描述的是开关电源的PWM反馈机制。图3描述的是没有PFC（PoWerFaC1.orCO门*ection,功率因素校正）电路的廉价电源，图4描述的是采纳主动式PFC设计的中高端电源。图3：没有P没电路的电源图4：有PFC电路的电源通过图3和图4的对比我们可以看出两者的不同之处：一个具备

6、主动式PFC电路而另个不具备，前者没有110/220V转换器，而且也没有电压倍压电路。下文我们的重点将会是主动式PFC电源的讲解。为了让读者能够更好的理解电源的工作原理，以上我们供应的是特别基本的图解，图中并未包含其他额外的电路，比如说短路爱护、待机电路以及PG信号发生器等等。当然了，假如您还想了解一下更加详尽的图解，请看图5。假如看不懂也没关系，因为这张图原来就是为那些专业电源设计人员看的。图5：典型的低端ATX电源设计图你可能会问，图5设计图中为什么没有电压整流电路？事实上，P棚电路已经肩负起了电压整流的工作。输入电压在经过开关管之前将会再次校正，而且进入变压器的电压已经成为方形波。所以，

7、变压器输出的波形也是方形波，而不是正弦波。由于此时波形已经是方形波，所以电压可以轻而易举的被变压器转换为DC直流电压。也就是说，当电压被变压器重新校正之后，输出电压已经变成了DC直流电压。这就是为什么很多时候开关电源常常会被称之为DC-DC转换器。馈送PWM限制电路的回路负费全部须要的调整功能。假如输出电压错误时，PWM限制电路就会变更工作周期的限制信号以适应变压器，最终将输出电压校正过来。这种状况常常会发生在PC功耗上升的时，此时输出电压趋于下降，或者PC功耗下降的时，此时输出电压趋于上升。在看下一页是，我们有必要了解一下以下信息:在变压器之前的全部电路及模块称为“primary”（一次侧）

8、，在变压器之后的全部电路及模块称为“secondary”（二次侧）；采纳主动式PFC设计的电源不具备UOV/220V转换器，同时也没有电压倍压器；对于没有PFC电路的电源而言，假如110V/220V被设定为IIOV时，电流在进入整流桥之前，电源本身将会利用电压倍压器将110V提升至220V左右;PC电源上的开关管由-对功率MOSFET管构成，当然也有其他的组合方式，之后我们将会详解；变压器所需波形为方形波，所以通过变压器后的电压波形都是方形波，而非正弦波；PWM限制电流往往都是集成电路，通常是通过一个小的变压器及一次侧隔离，而有时候也可能是通过耦合芯片（一种很小的带有1.EI）和光电晶体管的I

9、C芯片）和一次侧隔离；PWM限制电路是依据电源的输出负载状况来限制电源的开关管的闭合的。假如愉出电压过高或者过低时，PWM限制电路将会变更电压的波形以适应开关管，从而达到校正输出电压的目的；卜一页我们将通过图片来探讨电源的每一个模块和电路，通过实物图形象的告知你在电源中何处能找到它们。第3页：看图说话：电源内部揭秘当你第一次打开一台电源后（确保电源线没有和市电连接，否则会被电到），你可能会被里面那些奇惊奇怪的元器件搞得晕头转向，但是有两样东西你确定相识：电源风扇和散热片。开关电源内部但是您应当很简洁就能辨别出电源内部哪些元器件属于一次侧，哪些属于二次侧。一般来讲，假如你看到一个（采纳主动式PE

10、C电路的电源）或者两个（无PFC电路的电源）很大的滤波电容的话，那一侧就是一次侧。一般状况卜.，再电源的两个散热片之间都会支配3个变压器，比如说图7所示，主变压器是最大个的那颗；中等“体型”的那颗往往负责+5VSB输出，而最小的那颗一般用于PWM限制电路，主要用于隔离一次侧和二次侧部分（这也是为什么在上文图3和图4中的变压器上贴着“隔离器”的标签）。有些电源并不把变压器当“隔离器”来用，而是采纳一颗或者多颗光耦（看起来像是IC整合芯片），也即说采纳这种设计方案的电源只有两个变压器一一主变压器和辅变压器。电源内部一般都有两个散热片，一个属于一次侧，另一个属于二次侧。假如是台主动式PFC电源，那么

11、它的在次侧的散热片上，你可以看到开关管、PFC晶体管以及二极管。这也不是确定的，因为也有些厂商可能会选择将主动式PFC组件安装到独立的散热片上，此时在一次侧会有两个散热片。在二次侧的散热片上，你会发觉有一些整流器，它们看起来和三极管有点像，但事实上，它们都是有两颗功率二极管组合而成的。在二次侧的散热片旁边，你还会看到很多电容和电感线圈，共同共同组成了低压滤波模块一一找到它们也就找到了二次侧。区分一次侧和二次侧更简洁的方法就是跟着电源的线走。一般来讲，及输出线相连的往往是二次侧，而及输入线相连的是一次侧（从市电接入的输入线）。如图7所示。区分一次侧和二次侧以上我们从宏观的角度大致介绍了一下一台电

12、源内部的各个模块。下面我们细化下，将话题转移到电源各个模块的元器件上来第4页：瞬变滤波电路解析市电接入PC开关电源之后，首先进入瞬变滤波电路(TransientFi1.tering),也就是我们常说的EM1.电路。下图8描述的是一台PC电源的“举荐的”的瞬变滤波电路的电路图。为什么要强调是“举荐的”的呢？因为市面上很多电源，尤其是低端电源，往往会省去图8中的一些元器件。所以说通过检查EMI电路是否有缩水就可以来推断你的电源品质的优劣。EM1.电路电路的主要部件是MOV(IOxideVaristor,金属氧化物压敏电阻)，或者压敏电阻(图8中RVI所示)，负责抑制市电瞬变中的尖峰。MOV元件同样

13、被用在浪涌抑制器上(surgesuppressors)o尽管如此，很多低端电源为了节约成本往往会砍掉重要的MoV元件。对于配备MOV元件电源而言，有无浪涌抑制器已经不重要了，因为电源已经有了抑制浪涌的功能0图8中的1.1.and1.2是铁素体线圈：C1.andC2为圆盘电容,通常是蓝色的，这些电容通常也叫“Y”电容：C3是金属化聚酯电容，通常容量为100nF、47OnF或680nF,也叫“X”电容；有些电源配备了两颗X电容，和市电并联相接，如图8RV1.所示。X电容可以任何一种和市电并联的电容；电容一般都是两两配对，须要串联连接到火、零之间并将两个电容的中点通过机箱接地。也就是说，它们是和市电

14、并联的。瞬变滤波电路不仅可以起到给市电滤波的作用，而且可以阻挡开关管产生的噪声干扰到同在一根市电上的其他电子设备。一起来看几个实际的例子。如图9所示，你能看到一些惊奇之处吗？这个电源尽然没有瞬变滤波电路！这是一款低廉的“山寨”电源。请留意，看看电路板上的标记，瞬变滤波电路原来应当有才对，但是却被丢失良知的黑心JS们带到了市场里。这款低廉的“山寨”电源没有瞬变滤波电路再看图10实物所示，这是一款具备瞬变滤波电路的低端电源，但是正如我们看到的那样，这款电源的瞬变滤波电路省去了重要的MOV压敏电阻，而且只有一个铁素体线圈：不过这款电源配备了个额外的X电容。低端电源的EMI电路瞬变滤波电路分为一级EM

15、I和二级EM1.很多电源的一级EMI往往会被安置在个独立的PCB板上，靠近市电接口部分，二级EMI则被安置在电源的主PCB板上,如下图11和12所示。一级EMI配备了一个X电容和一个铁素体电感再看这款电源的二级EMI。在这里我们能看到MOV压敏电阻,尽管它的安置位置有点惊奇，位于其次个铁素体的后面。总体而言，应当说这款电源的EM1.电路是特别完整的。FerriteCoi1.(1.2)ICms1.CJttMthecoanp1.Med完整的二级EMI值得一提的是，以上这款电源的MOV压敏电阻是黄色的，但是事实上大部分W）V都是深蓝色的。此外，这款电源的瞬变滤波电路还配备了保险管（图8中F1.所示）。须要留意了，假如你发觉保险管内的保险丝已经烧断了，那么可以确定的是，电源内部的某个或者某些元器件是存在缺陷的。假如此时更换保险管的话是没有用的，当你开机之后很可能再次被烧断。第5页：倍压器和一次侧整流电路倍压器和一次侧整流电路上文已经说过，开关电源主要包括主动式PFC电源和被动式PFC电源，后者没有PFC电路，但是配备了倍压器(vo1.tagedoub1.er)。倍压器采纳两颗巨大的电解电容，也就是说，假如你在电源内部看到两颗大号电容的话，那基本可以推断出这就是电源的倍压器。前面我们已经提到，倍压器只适合于127V电压的地区。两颗巨大的电解电容组成的倍压器