開關(guān)電源工作原理0001

1、開關(guān)電源工作原理及電路圖本文開關(guān)電源工作原理是電子發(fā)燒友網(wǎng)開關(guān)電源工程師全力整理的原理 分析，以豐富的開關(guān)電源案例分析，介紹單端正激式開關(guān)電源，自激式開 關(guān)電源，推挽式開關(guān)電源、降壓式開關(guān)電源、升壓式開關(guān)電源和反轉(zhuǎn)式開 關(guān)電源。隨著全球?qū)δ茉磫栴}的重視，電子產(chǎn)品的耗能問題將愈來愈突出，如何降 低其待機功耗，提高供電效率成為一個急待解決的問題。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓 電源雖然電路結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，但它存在著效率低（只有40% 50%）、 體積大、銅鐵消耗量大，工作溫度高及調(diào)整范圍小等缺點。 為了提高效率,人們研制出了開關(guān)式穩(wěn)壓電源，它的效率可達85%以上，穩(wěn)壓范圍寬, 除此之外，還具有穩(wěn)壓精度高、不使

2、用電源變壓器等特點，是一種較理想 的穩(wěn)壓電源。正因為如此，開關(guān)式穩(wěn)壓電源已廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中, 本文對各類開關(guān)電源的工作原理作一闡述。、開關(guān)式穩(wěn)壓電源的基本工作原理開關(guān)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(yīng)用 中，調(diào)寬式使用得較多，在目前開發(fā)和使用的開關(guān)電源集成電路中，絕大 多數(shù)也為脈寬調(diào)制型。因此下面就主要介紹調(diào)寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源。調(diào)寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本原理可參見下圖。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 X 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(dāng) Um與T不變時，直

3、流平均電壓 Uo將與脈沖寬度T1成正比。這樣，只要我們設(shè)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、幵關(guān)式穩(wěn)壓電源的原理電路1、基本電路圖二 幵關(guān)電源基本電路框圖幵關(guān)式穩(wěn)壓電源的基本電路框圖如圖二所示。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??？刂齐娐窞橐幻}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(zhǔn)電壓等電路構(gòu)成。這部分電路目前已集成化，制成了各種 幵關(guān)電源用集成電路?？刂齐娐酚脕碚{(diào)整高頻幵關(guān)元件的幵關(guān)時間比例,

4、 以達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。2 .單端反激式幵關(guān)電源單端反激式幵關(guān)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(cè)。所謂的反激，是指當(dāng)幵關(guān)管VT1導(dǎo)通時，高頻變壓器T初級繞組的感應(yīng)電壓為上正下負(fù)，整流二極管VD1處于截止?fàn)顟B(tài)，在初級繞組中儲存能量。當(dāng)幵關(guān)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(fù)載輸出。VD1Ui a20圖三單端反激式開關(guān)電源單端反激式幵關(guān)電源是一種成本最低的電源電路，輸出功率為 100W，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

5、的負(fù)載。單端反激式幵關(guān)電源使用的幵關(guān)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 .單端正激式幵關(guān)電源單端正激式幵關(guān)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(dāng)幵關(guān)管VT1導(dǎo)通時，VD2也VT1導(dǎo)通，這時電網(wǎng)向負(fù)載傳送能量，濾波電感L儲存能量；當(dāng)幵關(guān)管 截止時，電感L通過續(xù)流二極管 VD3繼續(xù)向負(fù)載釋放能量。VT,6 上H四單端亞in式殲關(guān)擔(dān)源在電路中還設(shè)有鉗位線圈與二極管VD2，它可以將幵關(guān)管VT1的最 高電壓限制在兩倍電源電壓之間。為滿足磁芯復(fù)位條件，即磁通建立和 復(fù)位時間應(yīng)相等，所以電路中脈沖的占空比不能大于

6、5 0%。由于這種電路在幵關(guān)管VT1導(dǎo)通時，通過變壓器向負(fù)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(jié)構(gòu)復(fù)雜， 體積也較大, 正因為這個原因，這種電路的實際應(yīng)用較少。4.自激式幵關(guān)穩(wěn)壓電源自激式幵關(guān)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幵關(guān)電源，也是目前廣泛使用的基本電源之一。L;£>t,*VT,G 廉圉帀.色漑式汗關(guān)電源當(dāng)接入電源后在R1給幵關(guān)管VT1提供啟動電流,使VT1幵始導(dǎo)通,VT1基極為正，發(fā)感應(yīng)電壓給 C1充其集電極電流Ic在L1中線性增長，在L2中感應(yīng)出使 射極為負(fù)的正反饋電壓，使 VT1很快飽和。

7、與此同時, 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)，1c幵始減小，在L2中感應(yīng)出使VT1基極為負(fù)、發(fā)射極為正的電 壓，使VT1迅速截止，這時二極管 VD1導(dǎo)通，高頻變壓器T初級繞組中 的儲能釋放給負(fù)載。在 VT1截止時，L2中沒有感應(yīng)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(dǎo)通, 再次翻轉(zhuǎn)達到飽和狀態(tài)，電路就這樣重復(fù)振蕩下去。這里就像單端反激式 幵關(guān)電源那樣，由變壓器T的次級繞組向負(fù)載輸出所需要的電壓。自激式幵關(guān)電源中的幵關(guān)管起著幵關(guān)及振蕩的雙重作從，也省去了控制電 路。電路中由于負(fù)載位于變壓器的次級且工作在反激狀

8、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 .推挽式幵關(guān)電源VT1和推挽式幵關(guān)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(cè)。電路使用兩個幵關(guān)管VT2，兩個幵關(guān)管在外激勵方波信號的控制下交替的導(dǎo)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?。甬六式開米宅凍這種電路的優(yōu)點是兩個幵關(guān)管容易驅(qū)動，主要缺點是幵關(guān)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100-500 W范圍內(nèi)。6.降壓式幵關(guān)電源降壓式幵關(guān)電源的典型電路如圖七所示。當(dāng)幵關(guān)管VT1導(dǎo)通時，二極管VD1截止，

9、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(dāng)幵關(guān)管 VT1截止時，電感L感應(yīng)出左負(fù)右正的電壓, 經(jīng)負(fù)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。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.升壓式幵關(guān)電源升壓式幵關(guān)電源的穩(wěn)壓電路如圖八所示。當(dāng)幵關(guān)管VT1導(dǎo)通時，電 感L儲存能量。當(dāng)幵關(guān)管 VT1截止時，電感L感應(yīng)出左負(fù)右正的電壓, 該電壓疊加在輸人電壓上，經(jīng)二極管VD1向負(fù)載供電，使輸出電壓大于輸人電壓，形成升壓式幵關(guān)電源。8.反轉(zhuǎn)式幵關(guān)

10、電源反轉(zhuǎn)式幵關(guān)電源的典型電路如圖九所示。這種電路又稱為升降壓式幵 關(guān)電源。無論幵關(guān)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。¥rJUL X1. =10VJLioO* IhKJ.0當(dāng)幵關(guān)管VT1導(dǎo)通時，電感L儲存能量，二極管VD1截止，負(fù)載RL靠電容C上次的充電電荷供電。當(dāng)幵關(guān)管VT1截止時，電感L中的電 流繼續(xù)流通，并感應(yīng)出上負(fù)下正的電壓， 經(jīng)二極管VD1向負(fù)載供電，同時 給電容C充電。以上介紹了脈沖寬度調(diào)制式幵關(guān)穩(wěn)壓電源的基本工作原理和各種電路類型，在實際應(yīng)用中，會有各種各樣的實際控制電路，但無論怎樣，也 都是在這些基礎(chǔ)上發(fā)展出來的。本文幵關(guān)電源工作

11、原理是電子發(fā)燒友網(wǎng)幵關(guān)電源工程師全力整理的原理 分析，以豐富的幵關(guān)電源案例分析，介紹單端正激式幵關(guān)電源，自激式幵 關(guān)電源，推挽式幵關(guān)電源、降壓式幵關(guān)電源、升壓式幵關(guān)電源和反轉(zhuǎn)式幵 關(guān)電源。隨著全球?qū)δ茉磫栴}的重視，電子產(chǎn)品的耗能問題將愈來愈突出，如何降 低其待機功耗，提高供電效率成為一個急待解決的問題。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓 電源雖然電路結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，但它存在著效率低（只有40% 50%）、 體積大、銅鐵消耗量大，工作溫度高及調(diào)整范圍小等缺點。 為了提高效率,人們研制出了幵關(guān)式穩(wěn)壓電源，它的效率可達85%以上，穩(wěn)壓范圍寬, 除此之外，還具有穩(wěn)壓精度高、不使用電源變壓器等特點，是一種較理想 的穩(wěn)壓

12、電源。正因為如此，幵關(guān)式穩(wěn)壓電源已廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中, 本文對各類幵關(guān)電源的工作原理作一闡述。、幵關(guān)式穩(wěn)壓電源的基本工作原理幵關(guān)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(yīng)用 中，調(diào)寬式使用得較多，在目前幵發(fā)和使用的幵關(guān)電源集成電路中，絕大 多數(shù)也為脈寬調(diào)制型。因此下面就主要介紹調(diào)寬式幵關(guān)穩(wěn)壓電源。L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?算,即 Uo=Um X 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(dāng) Um與T不變時，直流平均電壓 Uo

13、將與脈沖寬度T1成正比。這樣，只要我們設(shè)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、幵關(guān)式穩(wěn)壓電源的原理電路1基本電路圖二 幵關(guān)電源基本電路框圖幵關(guān)式穩(wěn)壓電源的基本電路框圖如圖二所示。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?。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(zhǔn)電壓等電路構(gòu)成。這部分電路目前已集成化，制成了各種 幵關(guān)電源用集成電路?？刂齐娐酚脕碚{(diào)整高頻幵關(guān)元件的幵關(guān)時間比例, 以達到穩(wěn)定輸出電

14、壓的目的。2 .單端反激式幵關(guān)電源單端反激式幵關(guān)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(cè)。所謂的反激，是指當(dāng)幵關(guān)管VT1導(dǎo)通時，高頻變壓器T初級繞組的感應(yīng)電壓為上正下負(fù)，整流二極管VD1處于截止?fàn)顟B(tài)，在初級繞組中儲存能量。當(dāng)幵關(guān)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(fù)載輸出。VD1Ui oJUL20圖三單端反激式開關(guān)電源單端反激式幵關(guān)電源是一種成本最低的電源電路，輸出功率為 100W，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(fù)載。單端

15、反激式幵關(guān)電源使用的幵關(guān)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 .單端正激式幵關(guān)電源單端正激式幵關(guān)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(dāng)幵關(guān)管VT1導(dǎo)通時，VD2也VT1導(dǎo)通，這時電網(wǎng)向負(fù)載傳送能量，濾波電感L儲存能量；當(dāng)幵關(guān)管 截止時，電感L通過續(xù)流二極管 VD3繼續(xù)向負(fù)載釋放能量。VT,6 上H四單端亞in式殲關(guān)擔(dān)源在電路中還設(shè)有鉗位線圈與二極管VD2，它可以將幵關(guān)管VT1的最 高電壓限制在兩倍電源電壓之間。為滿足磁芯復(fù)位條件，即磁通建立和 復(fù)位時間應(yīng)相等，所以電路中脈沖的占空比不能大于5 0%。由

16、于這種電路在幵關(guān)管VT1導(dǎo)通時，通過變壓器向負(fù)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(jié)構(gòu)復(fù)雜， 體積也較大, 正因為這個原因，這種電路的實際應(yīng)用較少。4.自激式幵關(guān)穩(wěn)壓電源自激式幵關(guān)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幵關(guān)電源，也是目前廣泛使用的基本電源之一。L;£>t,*VT,G 廉圉帀.色漑式汗關(guān)電源當(dāng)接入電源后在R1給幵關(guān)管VT1提供啟動電流,使VT1幵始導(dǎo)通,VT1基極為正，發(fā)感應(yīng)電壓給 C1充其集電極電流Ic在L1中線性增長，在L2中感應(yīng)出使 射極為負(fù)的正反饋電壓，使 VT1很快飽和。與此同時,

17、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)，1c幵始減小，在L2中感應(yīng)出使VT1基極為負(fù)、發(fā)射極為正的電 壓，使VT1迅速截止，這時二極管 VD1導(dǎo)通，高頻變壓器T初級繞組中 的儲能釋放給負(fù)載。在 VT1截止時，L2中沒有感應(yīng)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(dǎo)通, 再次翻轉(zhuǎn)達到飽和狀態(tài)，電路就這樣重復(fù)振蕩下去。這里就像單端反激式 幵關(guān)電源那樣，由變壓器T的次級繞組向負(fù)載輸出所需要的電壓。自激式幵關(guān)電源中的幵關(guān)管起著幵關(guān)及振蕩的雙重作從，也省去了控制電 路。電路中由于負(fù)載位于變壓器的次級且工作在反激狀態(tài)，具有輸人

18、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 .推挽式幵關(guān)電源VT1和推挽式幵關(guān)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(cè)。電路使用兩個幵關(guān)管VT2，兩個幵關(guān)管在外激勵方波信號的控制下交替的導(dǎo)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?。甬六式開米宅凍這種電路的優(yōu)點是兩個幵關(guān)管容易驅(qū)動，主要缺點是幵關(guān)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100-500 W范圍內(nèi)。6.降壓式幵關(guān)電源降壓式幵關(guān)電源的典型電路如圖七所示。當(dāng)幵關(guān)管VT1導(dǎo)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(dāng)幵關(guān)管 VT1截止時，電感L感應(yīng)出左負(fù)右正的電壓, 經(jīng)負(fù)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。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.升壓式幵關(guān)電源升壓式幵關(guān)電源的穩(wěn)壓電路如圖八所示。當(dāng)幵關(guān)管VT1導(dǎo)通時，電 感L儲存能量。當(dāng)幵關(guān)管 VT1截止時，電感L感應(yīng)出左負(fù)右正的電壓, 該電壓疊加在輸人電壓上，經(jīng)二極管VD1向負(fù)載供電，使輸出電壓大于輸人電壓，形成升壓式幵關(guān)電源。8.反轉(zhuǎn)式幵關(guān)電源