開關(guān)電源電路的原理及常見電路

開關(guān)模式電源(Switch Mode Power Supply，簡稱SMPS)，又稱交換式電源、開關(guān)變換器，是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置，是電源供應(yīng)器的一種。其功能是將一個位準(zhǔn)的電壓，透過不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為用戶端所需求的電壓或電流。開關(guān)電源的輸入多半是交流電源(例如市電)或是直流電源，而輸出多半是需要直流電源的設(shè)備，例如個人電腦，而開關(guān)電源就進(jìn)行兩者之間電壓及電流的轉(zhuǎn)換。

開關(guān)電源不同于線性電源，開關(guān)電源利用的切換晶體管多半是在全開模式(飽和區(qū))及全閉模式(截止區(qū))之間切換，這兩個模式都有低耗散的特點(diǎn)，切換之間的轉(zhuǎn)換會有較高的耗散，但時(shí)間很短，因此比較節(jié)省能源，產(chǎn)生廢熱較少。理想上，開關(guān)電源本身是不會消耗電能的。電壓穩(wěn)壓是通過調(diào)整晶體管導(dǎo)通及斷路的時(shí)間來達(dá)到。相反的，線性電源在產(chǎn)生輸出電壓的過程中，晶體管工作在放大區(qū)，本身也會消耗電能。開關(guān)電源的高轉(zhuǎn)換效率是其一大優(yōu)點(diǎn)，而且因?yàn)殚_關(guān)電源工作頻率高，可以使用小尺寸、輕重量的變壓器，因此開關(guān)電源也會比線性電源的尺寸要小，重量也會比較輕。若電源的高效率、體積及重量是考慮重點(diǎn)時(shí)，開關(guān)電源比線性電源要好。不過開關(guān)電源比較復(fù)雜，內(nèi)部晶體管會頻繁切換，若切換電流尚未加以處理，可能會產(chǎn)生噪聲及電磁干擾影響其他設(shè)備，而且若開關(guān)電源沒有特別設(shè)計(jì)，其電源功率因數(shù)可能不高。

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(hù)電路、輸出過欠壓保護(hù)電路、輸出過流保護(hù)電路、輸出短路保護(hù)電路等。

開關(guān)電源的電路組成方框圖如下：

二、輸入電路的原理及常見電路

1、AC輸入整流濾波電路原理：

①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(shí)，由MOV1、MOV2、MOV3：F1、F2、F3、FDG1組成的電路進(jìn)行保護(hù)。 當(dāng)加在壓敏電阻兩端的電壓超過其工作電壓時(shí)，其阻值降低，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(hù)后級電路。

②輸入濾波電路：C1、L1、C2、C3組成的雙π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(jìn)行抑制，防止對電源干擾，同時(shí)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(shí)能量全消耗在RT1電阻上，一定時(shí)間后溫度升高后RT1阻值減小(RT1是負(fù)溫系數(shù)元件)，這時(shí)它消耗的能量非常小，后級電路可正常工作。

③整流濾波電路：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。

2、DC輸入濾波電路原理：

①輸入濾波電路：C1、L1、C2組成的雙π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(jìn)行抑制，防止對電源干擾，同時(shí)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。

②R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7組成抗浪涌電路。 在起機(jī)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(shí)Q2導(dǎo)通。 如果C8漏電或后級電路短路現(xiàn)象，在起機(jī)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(shí)間燒毀，以保護(hù)后級電路。

三、功率變換電路

1、MOS管的工作原理：目前應(yīng)用最廣泛的絕緣柵場效應(yīng)管是MOSFET(MOS管)，是利用半導(dǎo)體表面的電聲效應(yīng)進(jìn)行工作的。 也稱為表面場效應(yīng)器件。 由于它的柵極處于不導(dǎo)電狀態(tài)，所以輸入電阻可以大大提高，最高可達(dá)105歐姆，MOS管是利用柵源電壓的大小，來改變半導(dǎo)體表面感生電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。

2、常見的原理圖：

3、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(shí)，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(dá)到1V時(shí)，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(hù)了MOS管。 Q1的柵極受控電壓為鋸形波，當(dāng)其占空比越大時(shí)，Q1導(dǎo)通時(shí)間越長，變壓器所儲存的能量也就越多; 當(dāng)Q1截止時(shí)，變壓器通過D1、D2、R5、R4、C3釋放能量，同時(shí)也達(dá)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(shí)刻調(diào)整著⑥腳鋸形波占空比的大小，從而穩(wěn)定了整機(jī)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。

5、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，TR1為電流環(huán)。

四、輸出整流濾波電路：

1、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π型濾波器。

2、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(fù)載，C4、L2、C5組成π型濾波器。

3、同步整流電路：

工作原理：當(dāng)變壓器次級上端為正時(shí)，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(shí)，電流經(jīng)C3、R4、R2使Q1導(dǎo)通，Q1為續(xù)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π型濾波器。 R1、C1、R9、C4為削尖峰電路。

五、穩(wěn)壓環(huán)路原理

1、反饋電路原理圖：

2、工作原理：

當(dāng)輸出U0升高，經(jīng)取樣電阻R7、R8、R10、VR1分壓后，U1③腳電壓升高，當(dāng)其超過U1②腳基準(zhǔn)電壓后U1①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，UC3842①腳電位相應(yīng)變低，從而改變U1⑥腳輸出占空比減小，U0降低。 當(dāng)輸出U0降低時(shí)，U1③腳電壓降低，當(dāng)其低過U1②腳基準(zhǔn)電壓后U1①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，UC3842①腳電位升高，從而改變U1⑥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。

六、短路保護(hù)電路

1、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)，它可以用多種方法來實(shí)現(xiàn)限流電路，當(dāng)功率限流在短路時(shí)不起作用時(shí)，只有另增設(shè)一部分電路。

2、短路保護(hù)電路通常有兩種，下圖是小功率短路保護(hù)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，UC3842①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，UC3842⑦腳VCC電位被拉低，IC停止工作。 UC3842停止工作后①腳電位消失，TL431不導(dǎo)通UC3842⑦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)。

3、下圖是中功率短路保護(hù)電路，其原理簡述如下：

當(dāng)輸出短路，UC3842①腳電壓上升,U1③腳電位高于②腳時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)①腳輸出高電位，給C1充電，當(dāng)C1兩端電壓超過⑤腳基準(zhǔn)電壓時(shí)U1⑦腳輸出低電位，UC3842①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(shí)間常數(shù)，阻值不對時(shí)短路保護(hù)不起作用。

4、下圖是常見的限流、短路保護(hù)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，③腳電壓升高，UC3842⑥腳輸出占空比逐漸增大，③腳電壓超過1V時(shí)，UC3842關(guān)閉無輸出。

5、下圖是用電流互感器取樣電流的保護(hù)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)UC3842③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)。

七、輸出端限流保護(hù)

上圖是常見的輸出端限流保護(hù)電路，其工作原理簡述如上圖：當(dāng)輸出電流過大時(shí)，RS(錳銅絲)兩端電壓上升，U1③腳電壓高于②腳基準(zhǔn)電壓，U1①腳輸出高電壓，Q1導(dǎo)通，光耦發(fā)生光電效應(yīng)，UC3842①腳電壓降低，輸出電壓降低，從而達(dá)到輸出過載限流的目的。

八、輸出過壓保護(hù)電路的原理

輸出過壓保護(hù)電路的作用是：當(dāng)輸出電壓超過設(shè)計(jì)值時(shí)，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(shí)，過壓保護(hù)電路進(jìn)行保護(hù)以防止損壞后級用電設(shè)備。 應(yīng)用最為普遍的過壓保護(hù)電路有如下幾種：

1、可控硅觸發(fā)保護(hù)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(hù)電路或短路保護(hù)電路就會工作，停止整個電源電路的工作。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)。

2、光電耦合保護(hù)電路：

如上圖，當(dāng)Uo有過壓現(xiàn)象時(shí)，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③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，。

3、輸出限壓保護(hù)電路：

輸出限壓保護(hù)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，UC3842③電壓升高，輸出降低，穩(wěn)壓管不導(dǎo)通，UC3842③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)。

4、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，UC3842③腳始終是高電平而停止工作。在圖B中，UO升高U1③腳電壓升高，①腳輸出高電平，由于D1、R1的存在，U1①腳始終輸出高電平Q1始終導(dǎo)通，UC3842①腳始終是低電平而停止工作。正反饋?

九、功率因數(shù)校正電路(PFC)

1、原理示意圖：

2、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(shí)間，穩(wěn)定PFC輸出電壓。L4是PFC電感，它在Q1導(dǎo)通時(shí)儲存能量，在Q1關(guān)斷時(shí)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。

十、輸入過欠壓保護(hù)

1、原理圖：

2、工作原理：

AC輸入和DC輸入的開關(guān)電源的輸入過欠壓保護(hù)原理大致相同。保護(hù)電路的取樣電壓均來自輸入濾波后的電壓。取樣電壓分為兩路，一路經(jīng)R1、R2、R3、R4分壓后輸入比較器3腳，如取樣電壓高于2腳基準(zhǔn)電壓，比較器1腳輸出高電平去控制主控制器使其關(guān)斷，電源無輸出。另一路經(jīng)R7、R8、R9、R10分壓后輸入比較器6腳，如取樣電壓低于5腳基準(zhǔn)電壓，比較器7腳輸出高電平去控制主控制器使其關(guān)斷，電源無輸出。