开关电源工作原理.doc

1、1开关电源工作原理 目前常见的电源在主要有两种电源类型：线性电源（linear）和开关电源（switching）。一、线性电源 线性电源主要包括工频变压器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路等。工作过程： 先将 220 V市电通过变压器转为低压交流电，比如说12V，然后再通过一系列的二极管或整流桥堆进行整流，将低压 AC交流电转化为脉动电压（配图 1和 2中的“3”）；再通过电容对脉动电压进行滤波，经过滤波后的低压交流电转换成 DC直流电（配图 1和 2中的“4”）；此时得到的低压直流电依然不够纯净，会有一定的波动（这种电压波动就是我们常说的纹波），要想得到高精度的稳定的直流电压，还需要稳压二

2、极管或者电压反馈电路调整输出电压。最后，我们就可以得到纯净的低压 DC直流电输出了（配图 1和 2中的“5”）。配图 1：标准的线性电源设计图2配图 2：线性电源的波形线性电源的优点：纹波小，调整率好，对外干扰小。适合用于模拟电路，各类放大器等低功耗设备。线性电源的缺点：体积大，笨重，效率低、发热量也大。需要庞大而笨重的变压器，所需的滤波电容的体积和重量也相当大，线性电源的调整管工作在放大状态，因而发热量大，效率低（35%左右），需要加体积庞大的散热片，而且还需要同样也是大体积的工频变压器，当要制作多组电压输出时变压器会更庞大。对于高功耗设备而言，线性电源将会力不从心。二、开关电源 开关电源是

3、采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压。开关电源的工作原理，简单的说是将交流电先整流成直流电，再将直流逆变成交流电，再整流输出成所需要的直流电压。交流电源经整流滤波成直流；通过高频 PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管进行高速的导通与截止，将直流电转化为高频率的交流电提供给开关变压器进行变压；开关变压器次级感应出高频交流电压,经整流滤波变成直流电供给负载；输出部分通过一定的电路反馈给控制电路,控制 PWM占空比,以达到稳定输出的目的。开关电源的主要优点： 体积小、重量轻（体积和重量只有线性电源的 2030%）、效率高（一般为 6070%，而线性电

4、源只有 3040%）、自身抗干扰性强、输出电压范围宽、模块化。 3开关电源的主要缺点： 由于逆变电路中会产生高频电压，对周围设备有一定的干扰。需要良好的屏蔽及接地。1、电路组成开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。 开关电源的电路组成方框图如下：2、开关电源各功能电路详解、AC输入整流滤波电路 防雷电路：当有雷击，产生高压经电网导入电源时，由4MOV1、MOV2、MOV3：F1、F2、F3、FDG1组成的电路进行保护。当加在压

5、敏电阻两端的电压超过其工作电压时，其阻值降低，使高压能量消耗在压敏电阻上，若电流过大，F1、F2、F3会烧毁保护后级电路。 输入电磁干扰滤波电路（EMI）：消除来自电网，如电动机的启动、电器的开关、雷击等产生的干扰，同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散。 C1、L1、C2、C3组成的双型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。当电源开启瞬间，要对C5充电，由于瞬间电流大，加RT1（热敏电阻）就能有效的防止浪涌电流。因瞬时能量全消耗在RT1电阻上，一定时间后温度升高后RT1阻值减小（RT1是负温系数元件），这时它消耗

6、的能量非常小，后级电路可正常工作。 整流滤波电路：将电网输入电压进行整流滤波，为变换器提供直流电压。交流电压经BRG1整流后，经C5滤波后得到较为纯净的直流电压。若C5容量变小，输出的交流纹波将增大。 、功率因数校正电路 PFC (power factor correction)PFC，意思是功率因数校正,作用是对输入电流波形进行控制，使其同步输入电压波形。功率因数，指的是有效功率与总耗电量之间的关系，基本上功率因数可以衡量电力被使用的程度，功率因数值越大，代表其电力利用率越高。开关电源是一种电容输入型电路，其电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失，而PFC电路就是为了提高功率因数，提高交

7、流电转直流电的效率。PFC电路分为两种，一种是被动式（无源）PFC，另一种是主动式PFC（有源）电路。原理示意图： 5工作原理： 输入电压经L1、L2、L3等组成的EMI滤波器，BRG1整流一路送PFC电感，另一路经R1、R2分压后送入PFC控制器作为输入电压的取样，用以调整控制信号的占空比，即改变Q1的导通和关断时间，稳定PFC输出电压。L4是PFC电感，它在Q1导通时储存能量，在Q1关断时施放能量。D1是启动二极管。D2是PFC整流二极管，C6、C7滤波。PFC电压一路送后级电路，另一路经R3、R4分压后送入PFC控制器作为PFC输出电压的取样，用以调整控制信号的占空比，稳定PFC输出电压

8、。 （3）、 DC输入滤波电路 输入滤波电路：C1、L1、C2组成的双型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。C3、C4为安规电容，L2、L3为差模电感。 R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7组成抗浪涌电路。在起机的瞬间，由于C6的存在Q2不导通，电流经RT1构成回路。当C6上的电压充至Z1的稳压值时Q2导通。如果C8漏电或后级电路短路现象，在起机6的瞬间电流在RT1上产生的压降增大，Q1导通使Q2没有栅极电压不导通，RT1将会在很短的时间烧毁，以保护后级电路。 （4）、 功率变换电

9、路 是开关电源的关键部分。它把直流电压变换成高频交流电压，并且起到将输出部分与输入电网隔离的作用。常见的原理图：工作原理： R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2组成缓冲器，和开关MOS管并接，使开关管电压应力减少，EMI减少，不发生二次击穿。在开关管Q1关断时，变压器的原边线圈易产生尖峰电压和尖峰电流，这些元件组合一起，能很好地吸收尖峰电压和电流。从R3测得的电流峰值信号参与当前工作周波的占空比控制，因此是当前工作周波的电流限制。当R5上的电压达到1V时，UC3842停止工作，开关管Q1立即关断 。 R1和Q1中的结电容CGS、CGD一起组成RC网络，电容的充放电直接影响着开关管的开关速度

10、。R1过小，易引起振荡，电磁干扰也会很大；R1过大，会降低开关管的开关速度。Z1通常将MOS管的GS电压限制在18V以下，从而保护了MOS管。 Q1的栅极受控电压为锯形波，当其占空比越大时，Q1导通时间越长，变压器所储存的能量也就越多；当Q1截止时，变压器通过7D1、D2、R5、R4、C3释放能量，同时也达到了磁场复位的目的，为变压器的下一次存储、传递能量做好了准备。IC根据输出电压和电流时刻调整着脚锯形波占空比的大小，从而稳定了整机的输出电流和电压。 C4和R6为尖峰电压吸收回路。 4、推挽式功率变换电路： Q1和Q2将轮流导通。推挽式功率变换电路： Q1和Q2将轮流导通。有驱动变压器的功率

11、变换电路：T2为驱动变压器，T1为开关变压器，TR1为电流环。（5）、输出整流滤波电路、 正激式整流电路8T1为开关变压器，其初极和次极的相位同相。D1为整流二极管，D2为续流二极管，R1、C1、R2、C2为削尖峰电路。L1为续流电感，C4、L2、C5组成型滤波器。 、 反激式整流电路： T1为开关变压器，其初极和次极的相位相反。D1为整流二极管，R1、C1为削尖峰电路。L1为续流电感，R2为假负载，C4、L2、C5组成型滤波器。 、 同步整流电路9工作原理：当变压器次级上端为正时，电流经C2、R5、R6、R7使Q2导通，电路构成回路，Q2为整流管。Q1栅极由于处于反偏而截止。当变压器次级下端

12、为正时，电流经C3、R4、R2使Q1导通，Q1为续流管。Q2栅极由于处于反偏而截止。L2为续流电感，C6、L1、C7组成型滤波器。R1、C1、R9、C4为削尖峰电路。 （6）、PMW控制电路（稳压环路、取样） PWM控制电路是根据电源的输出负载情况来控制电源的开关管的闭合的。检测输出直流电压，并将其与基准电压比较，进行放大。调制振荡器的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。反馈电路原理图：工作原理： 当输出U0升高，经取样电阻R7、R8、R10、VR1分压后，U1脚电压升高，当其超过U1脚基准电压后U1脚输出高电平，使Q1导通，光耦OT1发光二极管发光，光电三极管导通，UC3842脚电

13、位相应变低，从而改变U1脚输出占空比减小，U0降低。 当输出U0降低时，U1脚电压降低，当其低过U1脚基准电压后U1脚输出低电平，Q1不导通，光耦OT1发光二极管不发光，光电三极管不导10通，UC3842脚电位升高，从而改变U1脚输出占空比增大，U0降低。周而复始，从而使输出电压保持稳定。调节VR1可改变输出电压值。 反馈环路是影响开关电源稳定性的重要电路。如反馈电阻电容错、漏、虚焊等，会产生自激振荡，故障现象为：波形异常，空、满载振荡，输出电压不稳定等。 （7）、短路保护电路在输出端短路的情况下，PWM控制电路能够把输出电流限制在一个安全范围内。下图是小功率短路保护电路，其原理简述如下：当输出电路短路，输出电压消失，光耦OT1不导通，UC3842脚电压上升至5V左右，R1与R2的分压超过TL431基准，使之导通，UC3842脚VCC电位被拉低，IC停止工作。UC3842停止工作后脚电位消失，TL431不导通UC3842脚电位上升，UC3842重新启动，周而复始。当短路现象消失后，电路可以自动恢复成正常工作状态。 下图是中功率短路保护电路，其原理简述如下：