開關電源原理圖詳解

　　一、開關式穩(wěn)壓電源的基本工作原理

　　開關式穩(wěn)壓電源接控制方式分為調(diào)寬式和調(diào)頻式兩種，在實際的應用中，調(diào)寬式使用得較多，在目前開發(fā)和使用的開關電源集成電路中，絕大多數(shù)也為脈寬調(diào)制型(PWM)。因此下面就主要介紹調(diào)寬式開關穩(wěn)壓電源。

　　調(diào)寬式開關穩(wěn)壓電源的基本原理可參見下圖。

　　圖1 調(diào)寬式示意圖

　　對于單極性矩形脈沖來說，其直流平均電壓 Uo 取決于矩形脈沖的寬度，脈沖越寬，其直流平均電壓值就越高。直流平均電壓U?？捎晒接嬎?，即

　　Uo=Um×T1/T

　　式中 Um 為矩形脈沖最大電壓值;T為矩形脈沖周期;T1為矩形脈沖寬度。從上式可以看出，當Um與T不變時，直流平均電壓Uo將與脈沖寬度T1成正比。這樣，只要我們設法使脈沖寬度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄，就可以達到穩(wěn)定電壓的目的。

　　二、開關式穩(wěn)壓電源的原理電路-開關電源原理圖

　　1、基本電路

　　圖2 開關電源基本電路框圖

　　交流電壓經(jīng)整流電路及濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動成份的直流電壓，該電壓進人高頻變換器被轉(zhuǎn)換成所需電壓值的方波，最后再將這個方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?/p>

　　控制電路為一脈沖寬度調(diào)制器，它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調(diào)制及基準電壓等電路構成。這部分電路目前已集成化，制成了各種開關電源用集成電路?？刂齐娐酚脕碚{(diào)整高頻開關元件的開關時間比例，以達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

　　2、開關電源原理圖-單端反激式開關電源單端反激式開關電源的典型電路如圖三所示。電路中所謂的單端是指高頻變換器的磁芯僅工作在磁滯回線的一側。所謂的反激，是指當開關管 VT1導通時，高頻變壓器T初級繞組的感應電壓為上正下負，整流二極管 VD1處于截止狀態(tài)，在初級繞組中儲存能量。

　　當開關管 VT1截止時，變壓器T初級繞組中存儲的能量，通過次級繞組及 VD1整流和電容C濾波后向負載輸出。

　　圖3 單端反激式開關電源

　　單端反激式開關電源是一種成本最低的電源電路，輸出功率為 20-100 W，可以同時輸出不同的電壓，且有較好的電壓調(diào)整率。唯一的缺點是輸出的紋波電壓較大，外特性差，適用于相對固定的負載。

　　單端反激式開關電源使用的開關管 VT1承受的最大反向電壓是電路工作電壓值的兩倍，工作頻率在 20-200kHz 之間。

　　3、開關電源原理圖-單端正激式開關電源單端正激式開關電源的典型電路如圖四所示。這種電路在形式上與單端反激式電路相似，但工作情形不同。當開關管 VT1導通時， VD2也導通，這時電網(wǎng)向負載傳送能量，濾波電感L儲存能量;當開關管 VT1截止時，電感L通過續(xù)流二極管 VD3繼續(xù)向負載釋放能量。

　　圖4 單端正激式開關電源

　　在電路中還設有鉗位線圈與二極管 VD2，它可以將開關管 VT1的最高電壓限制在兩倍電源電壓之間。為滿足磁芯復位條件，即磁通建立和復位時間應相等，所以電路中脈沖的占空比不能大于50%。由于這種電路在開關管 VT1導通時，通過變壓器向負載傳送能量，所以輸出功率范圍大，可輸出 50-200 W的功率。電路使用的變壓器結構復雜，體積也較大，正因為這個原因，這種電路的實際應用較少。

　　4、開關電源原理圖-自激式開關穩(wěn)壓電源自激式開關穩(wěn)壓電源的典型電路如圖五所示。這是一種利用間歇振蕩電路組成的開關電源，也是目前廣泛使用的基本電源之一。

　　圖5 自激式開關穩(wěn)壓電源

　　當接入電源后在 R1給開關管 VT1提供啟動電流，使 VT1開始導通，其集電極電流 Ic 在 L1中線性增長，在 L2中感應出使 VT1基極為正，發(fā)射極為負的正反饋電壓，使 VT1很快飽和。

　　與此同時，感應電壓給 C1充電，隨著 C1充電電壓的增高，VT1基極電位逐漸變低，致使 VT1退出飽和區(qū)，Ic 開始減小，在 L2中感應出使 VT1基極為負、發(fā)射極為正的電壓，使 VT1迅速截止，這時二極管 VD1導通，高頻變壓器T初級繞組中的儲能釋放給負載。在 VT1截止時，L2中沒有感應電壓，直流供電輸人電壓又經(jīng) R1給 C1反向充電，逐漸提高 VT1基極電位，使其重新導通，再次翻轉(zhuǎn)達到飽和狀態(tài)，電路就這樣重復振蕩下去。

　　這里就像單端反激式開關電源那樣，由變壓器T的次級繞組向負載輸出所需要的電壓。自激式開關電源中的開關管起著開關及振蕩的雙重作從，也省去了控制電路。電路中由于負載位于變壓器的次級且工作在反激狀態(tài)，具有輸人和輸出相互隔離的優(yōu)點。這種電路不僅適用于大功率電源，亦適用于小功率電源。

　　5、開關電源原理圖-推挽式開關電源推挽式開關電源的典型電路如圖六所示。它屬于雙端式變換電路，高頻變壓器的磁芯工作在磁滯回線的兩側。電路使用兩個開關管 VT1和 VT2，兩個開關管在外激勵方波信號的控制下交替的導通與截止，在變壓器T次級統(tǒng)組得到方波電壓，經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?/p>

　　圖6 推挽式開關電源

　　這種電路的優(yōu)點是兩個開關管容易驅(qū)動，主要缺點是開關管的耐壓要達到兩倍電路峰值電壓。電路的輸出功率較大，一般在100-500W范圍內(nèi)。

　　6、開關電源原理圖-降壓式開關電源降壓式開關電源的典型電路如圖七所示。當開關管 VT1導通時，二極管 VD1截止，輸人的整流電壓經(jīng) VT1和 L 向C充電，這一電流使電感L中的儲能增加。當開關管 VT1截止時，電感L感應出左負右正的電壓，經(jīng)負載 RL和續(xù)流二極管 VD1釋放電感L中存儲的能量，維持輸出直流電壓不變。電路輸出直流電壓的高低由加在 VT1基極上的脈沖寬度確定。

　　圖7 降壓式開關電源

　　這種電路使用元件少，它同下面介紹的另外兩種電路一樣，只需要利用電感、電容和二極管即可實現(xiàn)。

　　7、開關電源原理圖-升壓式開關電源升壓式開關電源的穩(wěn)壓電路如圖八所示。當開關管 VT1導通時，電感L儲存能量。當開關管 VT1截止時，電感L感應出左負右正的電壓，該電壓疊加在輸人電壓上，經(jīng)二極管 VD1向負載供電，使輸出電壓大于輸人電壓，形成升壓式開關電源。

　　圖8 升壓式開關電源

　　8、開關電源原理圖-反轉(zhuǎn)式開關電源反轉(zhuǎn)式開關電源的典型電路如圖九所示。這種電路又稱為升降壓式開關電源。無論開關管 VT1之前的脈動直流電壓高于或低于輸出端的穩(wěn)定電壓，電路均能正常工作。

　　圖9 反轉(zhuǎn)式開關電源

　　當開關管VT1導通時，電感L儲存能量，二極管VD1截止，負載RL靠電容C上次的充電電荷供電。當開關管VT1截止時，電感L中的電流繼續(xù)流通，并感應出上負下正的電壓，經(jīng)二極管 VD1向負載供電，同時給電容C充電。

　　開關電源發(fā)展方向分析

　　開關電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關電源小型化，并使開關電源進入更廣泛的應用領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了開關電源的發(fā)展前進，每年以超過兩位數(shù)字的增長率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。

　　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，并已得到用戶的認可，但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。

　　另外，開關電源的發(fā)展與應用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。開關電源中應用的電力電子器件主要為二極管、IGBT和MOSFET、變壓器。