【電源】開關(guān)電源工作原理

1.開關(guān)電源的定義

輸入交流電壓（AC）經(jīng)由整流濾波以后可獲得一高壓的直流電壓（DC=1.4AC），此電壓接入交換元件當(dāng)做開關(guān)使用在20KHZ~100KHZ的高頻狀態(tài)。這時(shí)直流高壓會(huì)被切割成高頻的方波信號(hào)，這個(gè)方波信號(hào)經(jīng)由功率隔離變壓器，在二次側(cè)可以獲得事先所設(shè)定的電壓值，然后再經(jīng)由整流與濾波就可以獲得所需的直流輸出電壓。開關(guān)電源的方框圖如下：

2.開關(guān)電源的分類

開關(guān)電源按照輸入電壓與輸出電壓的類型可以分為四類，即DC-DC，AC-DC，DC-AC，AC-AC。其中DC-AC，AC-AC在實(shí)際應(yīng)用中很少見到，本文敘述從略。
2.1 DC/DC變換

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Uo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Uo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Uo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Uo 大于或小于輸入電壓UI,極性相反，電容傳輸。
2.2 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(fù)載的稱為“整流”，功率流由負(fù)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(shí)因遇到安全標(biāo)準(zhǔn)（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(biāo)準(zhǔn)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(guān)動(dòng)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(shè)計(jì)提出了很高的要求，由于同樣的原因，高電壓、大電流開關(guān)使得電源工作消耗增大，限制了AC/DC變換器模塊化的進(jìn)程，因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法才能使其工作效率達(dá)到一定的滿意程度。
3.常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.1 單端反激變換器

3.1.1電路拓?fù)鋱D

3.1.2 電路原理

其變壓器T1起隔離和傳遞儲(chǔ)存能量的作用，即在開關(guān)管Q開通時(shí)Np儲(chǔ)存能量，開關(guān)管Q關(guān)斷時(shí)Np向Ns釋放能量。在輸出端要加由電感器Lo和兩Co電容組成一個(gè)低通濾波器，變壓器初級(jí)需有Cr、Rr和Dr組成的RCD漏感尖峰吸收電路。輸出回路需有一個(gè)整流二極管D1。由于其變壓器使用有氣隙的磁芯，故其銅損較大，變壓器溫相對較高。并且其輸出的紋波電壓比較大。但其優(yōu)點(diǎn)就是電路結(jié)構(gòu)簡單，適用于200W以下的電源且多路輸出交調(diào)特性相對較好。

3.2 雙管反激變換器

3.2.1電路拓?fù)鋱D

3.2.2 電路原理

其變壓器T1起隔離和傳遞儲(chǔ)存能量的作用，即在開關(guān)管Q1、Q2開通時(shí)Np儲(chǔ)存能量，開關(guān)管Q1、Q2關(guān)斷時(shí)Np向Ns釋放能量，同時(shí)Np的漏感將通過D2、D3返回給輸入，可省去RCD漏感尖峰吸收電路。在輸出端要加由電感器Lo和兩Co電容組成一個(gè)低通濾波器。輸出回路需有一個(gè)整流二極管D1（最好使用恢復(fù)時(shí)間快的整流管）。

3.2.3工作特點(diǎn)

a、在任何工作條件下，為使兩個(gè)調(diào)整管所承受的電壓不會(huì)超過Vs+Vd(Vs：輸入電壓；Vd:D2、D3的正向壓降，)，D2、D3必須是快恢復(fù)管（當(dāng)然用超快恢復(fù)管更好）。

b、在反激開始時(shí)，儲(chǔ)存在原邊Np的漏電感的能量會(huì)經(jīng)D2、D3反饋回輸入，系統(tǒng)能量損失會(huì)小，效率高。

c、在與單端反激變換器相比，無需RCD吸收電路；功率器件可選擇較低的耐壓值；功率等級(jí)也會(huì)很大。

d、在輕載時(shí)，如果在“開通”周期儲(chǔ)存在變壓器的原邊繞組顯得過多的能量，那么在“關(guān)斷”周期會(huì)將過多的能量能量反饋到輸入。

3.3 單端正激變換器

3.3.1電路拓?fù)鋱D

3.3.2電路原理

其變壓器T1起隔離和變壓的作用，在輸出端要加一個(gè)電感器Lo（續(xù)流電感）起能量的儲(chǔ)存及傳遞作用，變壓器初級(jí)需有復(fù)位繞組Nr（此點(diǎn)上我對一些參考書籍存疑，當(dāng)然有是最好，實(shí)際應(yīng)用中考慮到變壓器腳位的問題）。在實(shí)際使用中，我也發(fā)現(xiàn)此繞組也用RCD吸收電路取代亦可，如果芯片的輔助電源用反激供給則也可削去調(diào)整管的部分峰值電壓（相當(dāng)一部份復(fù)位繞組）。輸出回路需有一個(gè)整流二極管D1和一個(gè)續(xù)流二極管D2。由于其變壓器使用無氣隙的磁芯，故其銅損較小，變壓器溫升較低。并且其輸出的紋波電壓較小。

3.4 雙管正激變換器

3.4.1電路拓?fù)鋱D

3.4.2電路原理

其變壓器T1起隔離和變壓的作用，在輸出端要加一個(gè)電感器Lo（續(xù)流電感）起能量的儲(chǔ)存及傳遞作用，變壓器初級(jí)無需再有復(fù)位繞組，因?yàn)镈1、D2的導(dǎo)通限制了兩個(gè)調(diào)整管關(guān)斷時(shí)所承受的電壓。輸出回路需有一個(gè)整流二極管D3和一個(gè)續(xù)流二極管D4（其中D3、D4均最好選用恢復(fù)時(shí)間快的整流管）。輸出濾波電容Co應(yīng)選擇低ESR（等效電阻）大容量，有利于降低紋波電壓（當(dāng)然這對于其它拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的也是這樣要求）。

3.4.3工作特點(diǎn)

A、在任何工作條件下，為使兩個(gè)調(diào)整管所承受的電壓不會(huì)超過Vs+Vd(Vs：輸入電壓；Vd:D1、D2的正向壓降，)，D1、D2必須是快恢復(fù)管；

B、在與單端正激變換器相比，無需復(fù)位電路，有利于簡化電路和變壓器設(shè)計(jì)；功率器件可選擇較低的耐壓值；功率等級(jí)也會(huì)很大，據(jù)我所知現(xiàn)在很多大功率等級(jí)的通信電源及電力操作電源都選用了這種電路。

C、兩個(gè)調(diào)整管工作狀態(tài)一致，同時(shí)處通態(tài)或斷態(tài)。我個(gè)人建議在大功率等級(jí)電源中選用此種電路，主要是調(diào)整管好選。

3.5 推挽式變換器

3.5.1電路拓?fù)鋱D

3.5.2電路原理

其變壓器T1起隔離和傳遞能量的作用。在開關(guān)管Q1開通時(shí)，變壓器T1的Np1繞組工作并耦合到付邊Ns1繞組，開關(guān)管Q關(guān)斷時(shí)Np向Ns釋放能量；反之亦然。在輸出端由續(xù)流電感器Lo和D1、D2付邊整流電路。開關(guān)管兩端應(yīng)加一RC組成的開關(guān)管關(guān)斷時(shí)所產(chǎn)生的尖峰吸收電路。

3.5.3工作特點(diǎn)

a、在任何工作條件下，調(diào)整管都承受的兩倍的輸入電壓。所以此電路多用于大功率等級(jí)的DC/DC電源中，這樣才有利于選材料。

b、兩個(gè)調(diào)整管都是相互交替打開的，所以兩組驅(qū)動(dòng)波形相位差要大于180°（一般書上說差等于180°），因?yàn)橐嬖谝欢ㄋ绤^(qū)時(shí)間。

3.6 半橋變換器

3.6.1電路拓?fù)鋱D

3.6.2電路原理

其變壓器T1起隔離和傳遞能量的作用。開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)，Np繞組上承受一半的輸入電壓，付邊繞組電壓使D1導(dǎo)通；反之亦然。輸出回路D1、D2、Lo、Co共同組成了整流濾波電路。

此電路減小了原邊調(diào)整管的電壓應(yīng)力，所以是目前比較成熟和常見的電路；如PC Power70%以上、電子鎮(zhèn)流器60%都使用此電路。

3.7 全橋變換器

3.7.1電路拓?fù)鋱D

3.7.2電路原理

此電路多用于大功率等級(jí)電源中，目前國內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)都在此電路是做改造，但對于多數(shù)的電源生產(chǎn)廠商來說此電路成熟的產(chǎn)品市場占有率很低，自身設(shè)計(jì)投入開發(fā)成本會(huì)很高。

審核編輯：湯梓紅