系統(tǒng)介紹開關(guān)電源工作原理詳解析

　　前言介紹：PC電源知多少

　　個(gè)人PC所采用的電源都是基于一種名為“開關(guān)模式”的技術(shù)，所以我們經(jīng)常會(huì)將個(gè)人PC電源稱之為——開關(guān)電源(Switching Mode Power Supplies，簡(jiǎn)稱SMPS)，它還有一個(gè)綽號(hào)——DC-DC轉(zhuǎn)化器。本次文章我們將會(huì)為您解讀開關(guān)電源的工作模式和原理、開關(guān)電源內(nèi)部的元器件的介紹以及這些元器件的功能。

　　●線性電源知多少

　　目前主要包括兩種電源類型：線性電源(linear)和開關(guān)電源(switching)。線性電源的工作原理是首先將127 V或者220 V市電通過(guò)變壓器轉(zhuǎn)為低壓電，比如說(shuō)12V，而且經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后的低壓依然是AC交流電;然后再通過(guò)一系列的二極管進(jìn)行矯正和整流，并將低壓AC交流電轉(zhuǎn)化為脈動(dòng)電壓(配圖1和2中的“3”);下一步需要對(duì)脈動(dòng)電壓進(jìn)行濾波，通過(guò)電容完成，然后將經(jīng)過(guò)濾波后的低壓交流電轉(zhuǎn)換成DC直流電(配圖1和2中的“4”);此時(shí)得到的低壓直流電依然不夠純凈，會(huì)有一定的波動(dòng)(這種電壓波動(dòng)就是我們常說(shuō)的紋波)，所以還需要穩(wěn)壓二極管或者電壓整流電路進(jìn)行矯正。最后，我們就可以得到純凈的低壓DC直流電輸出了(配圖1和2中的“5”)

　　配圖1：標(biāo)準(zhǔn)的線性電源設(shè)計(jì)圖

　　配圖2：線性電源的波形

　　盡管說(shuō)線性電源非常適合為低功耗設(shè)備供電，比如說(shuō)無(wú)繩電話、PlayStation/Wii/Xbox等游戲主機(jī)等等，但是對(duì)于高功耗設(shè)備而言，線性電源將會(huì)力不從心。

　　對(duì)于線性電源而言，其內(nèi)部電容以及變壓器的大小和AC市電的頻率成反比：也即說(shuō)如果輸入市電的頻率越低時(shí)，線性電源就需要越大的電容和變壓器，反之亦然。由于當(dāng)前一直采用的是60Hz(有些國(guó)家是50Hz)頻率的AC市電，這是一個(gè)相對(duì)較低的頻率，所以其變壓器以及電容的個(gè)頭往往都相對(duì)比較大。此外，AC市電的浪涌越大，線性電源的變壓器的個(gè)頭就越大。

　　由此可見，對(duì)于個(gè)人PC領(lǐng)域而言，制造一臺(tái)線性電源將會(huì)是一件瘋狂的舉動(dòng)，因?yàn)樗捏w積將會(huì)非常大、重量也會(huì)非常的重。所以說(shuō)個(gè)人PC用戶并不適合用線性電源。

　　●開關(guān)電源知多少

　　開關(guān)電源可以通過(guò)高頻開關(guān)模式很好的解決這一問題。對(duì)于高頻開關(guān)電源而言，AC輸入電壓可以在進(jìn)入變壓器之前升壓(升壓前一般是50-60 KHz)。隨著輸入電壓的升高，變壓器以及電容等元器件的個(gè)頭就不用像線性電源那么的大。這種高頻開關(guān)電源正是我們的個(gè)人PC以及像VCR錄像機(jī)這樣的設(shè)備所需要的。需要說(shuō)明的是，我們經(jīng)常所說(shuō)的“開關(guān)電源”其實(shí)是“高頻開關(guān)電源”的縮寫形式，和電源本身的關(guān)閉和開啟式?jīng)]有任何關(guān)系的。

　　事實(shí)上，終端用戶的PC的電源采用的是一種更為優(yōu)化的方案：閉回路系統(tǒng)(closed loop system)——負(fù)責(zé)控制開關(guān)管的電路，從電源的輸出獲得反饋信號(hào)，然后根據(jù)PC的功耗來(lái)增加或者降低某一周期內(nèi)的電壓的頻率以便能夠適應(yīng)電源的變壓器(這個(gè)方法稱作PWM，Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制)。所以說(shuō)，開關(guān)電源可以根據(jù)與之相連的耗電設(shè)備的功耗的大小來(lái)自我調(diào)整，從而可以讓變壓器以及其他的元器件帶走更少量的能量，而且降低發(fā)熱量。

　　反觀線性電源，它的設(shè)計(jì)理念就是功率至上，即便負(fù)載電路并不需要很大電流。這樣做的后果就是所有元件即便非必要的時(shí)候也工作在滿負(fù)荷下，結(jié)果產(chǎn)生高很多的熱量。

　　第2頁(yè)：看圖說(shuō)話：圖解開關(guān)電源

　　下圖3和4描述的是開關(guān)電源的PWM反饋機(jī)制。圖3描述的是沒有PFC(Power Factor Correction，功率因素校正) 電路的廉價(jià)電源，圖4描述的是采用主動(dòng)式PFC設(shè)計(jì)的中高端電源。

　　圖3：沒有PFC電路的電源

　　圖4：有PFC電路的電源

　　通過(guò)圖3和圖4的對(duì)比我們可以看出兩者的不同之處：一個(gè)具備主動(dòng)式PFC電路而另一個(gè)不具備，前者沒有110/220 V轉(zhuǎn)換器，而且也沒有電壓倍壓電路。下文我們的重點(diǎn)將會(huì)是主動(dòng)式PFC電源的講解。

　　為了讓讀者能夠更好的理解電源的工作原理，以上我們提供的是非常基本的圖解，圖中并未包含其他額外的電路，比如說(shuō)短路保護(hù)、待機(jī)電路以及PG信號(hào)發(fā)生器等等。當(dāng)然了，如果您還想了解一下更加詳盡的圖解，請(qǐng)看圖5。如果看不懂也沒關(guān)系，因?yàn)檫@張圖本來(lái)就是為那些專業(yè)電源設(shè)計(jì)人員看的。

　　圖5：典型的低端ATX電源設(shè)計(jì)圖

　　你可能會(huì)問，圖5設(shè)計(jì)圖中為什么沒有電壓整流電路?事實(shí)上，PWM電路已經(jīng)肩負(fù)起了電壓整流的工作。輸入電壓在經(jīng)過(guò)開關(guān)管之前將會(huì)再次校正，而且進(jìn)入變壓器的電壓已經(jīng)成為方形波。所以，變壓器輸出的波形也是方形波，而不是正弦波。由于此時(shí)波形已經(jīng)是方形波，所以電壓可以輕而易舉的被變壓器轉(zhuǎn)換為DC直流電壓。也就是說(shuō)，當(dāng)電壓被變壓器重新校正之后，輸出電壓已經(jīng)變成了DC直流電壓。這就是為什么很多時(shí)候開關(guān)電源經(jīng)常會(huì)被稱之為DC-DC轉(zhuǎn)換器。

　　饋送PWM控制電路的回路負(fù)責(zé)所有需要的調(diào)節(jié)功能。如果輸出電壓錯(cuò)誤時(shí)，PWM控制電路就會(huì)改變工作周期的控制信號(hào)以適應(yīng)變壓器，最終將輸出電壓校正過(guò)來(lái)。這種情況經(jīng)常會(huì)發(fā)生在PC功耗升高的時(shí)，此時(shí)輸出電壓趨于下降，或者PC功耗下降的時(shí)，此時(shí)輸出電壓趨于上升。

　　在看下一頁(yè)是，我們有必要了解一下以下信息：

　　★在變壓器之前的所有電路及模塊稱為“primary”(一次側(cè))，在變壓器之后的所有電路及模塊稱為“secondary”(二次側(cè));

　　★采用主動(dòng)式PFC設(shè)計(jì)的電源不具備110 V/ 220 V轉(zhuǎn)換器，同時(shí)也沒有電壓倍壓器;

　　★對(duì)于沒有PFC電路的電源而言，如果110 V / 220 V被設(shè)定為110 V時(shí)，電流在進(jìn)入整流橋之前，電源本身將會(huì)利用電壓倍壓器將110 V提升至220 V左右;

　　★PC電源上的開關(guān)管由一對(duì)功率MOSFET管構(gòu)成，當(dāng)然也有其他的組合方式，之后我們將會(huì)詳解;

　　★變壓器所需波形為方形波，所以通過(guò)變壓器后的電壓波形都是方形波，而非正弦波;

　　★PWM控制電流往往都是集成電路，通常是通過(guò)一個(gè)小的變壓器與一次側(cè)隔離，而有時(shí)候也可能是通過(guò)耦合芯片(一種很小的帶有LED和光電晶體管的IC芯片)和一次側(cè)隔離;

　　★PWM控制電路是根據(jù)電源的輸出負(fù)載情況來(lái)控制電源的開關(guān)管的閉合的。如果輸出電壓過(guò)高或者過(guò)低時(shí)，PWM控制電路將會(huì)改變電壓的波形以適應(yīng)開關(guān)管，從而達(dá)到校★正輸出電壓的目的;

　　下一頁(yè)我們將通過(guò)圖片來(lái)研究電源的每一個(gè)模塊和電路，通過(guò)實(shí)物圖形象的告訴你在電源中何處能找到它們。

　　第3頁(yè)：看圖說(shuō)話：電源內(nèi)部揭秘

　　當(dāng)你第一次打開一臺(tái)電源后(確保電源線沒有和市電連接，否則會(huì)被電到)，你可能會(huì)被里面那些奇奇怪怪的元器件搞得暈頭轉(zhuǎn)向，但是有兩樣?xùn)|西你肯定認(rèn)識(shí)：電源風(fēng)扇和散熱片。

　　開關(guān)電源內(nèi)部

　　但是您應(yīng)該很容易就能分辨出電源內(nèi)部哪些元器件屬于一次側(cè)，哪些屬于二次側(cè)。一般來(lái)講，如果你看到一個(gè)(采用主動(dòng)式PFC電路的電源)或者兩個(gè)(無(wú)PFC電路的電源)很大的濾波電容的話，那一側(cè)就是一次側(cè)。

　　一般情況下，再電源的兩個(gè)散熱片之間都會(huì)安排3個(gè)變壓器，比如說(shuō)圖7所示，主變壓器是最大個(gè)的那顆;中等“體型”的那顆往往負(fù)責(zé)+5VSB輸出，而最小的那顆一般用于PWM控制電路，主要用于隔離一次側(cè)和二次側(cè)部分(這也是為什么在上文圖3和圖4中的變壓器上貼著“隔離器”的標(biāo)簽)。有些電源并不把變壓器當(dāng)“隔離器”來(lái)用，而是采用一顆或者多顆光耦(看起來(lái)像是IC整合芯片)，也即說(shuō)采用這種設(shè)計(jì)方案的電源只有兩個(gè)變壓器——主變壓器和輔變壓器。

　　電源內(nèi)部一般都有兩個(gè)散熱片，一個(gè)屬于一次側(cè)，另一個(gè)屬于二次側(cè)。如果是一臺(tái)主動(dòng)式PFC電源，那么它的在一次側(cè)的散熱片上，你可以看到開關(guān)管、PFC晶體管以及二極管。這也不是絕對(duì)的，因?yàn)橐灿行S商可能會(huì)選擇將主動(dòng)式PFC組件安裝到獨(dú)立的散熱片上，此時(shí)在一次側(cè)會(huì)有兩個(gè)散熱片。

　　在二次側(cè)的散熱片上，你會(huì)發(fā)現(xiàn)有一些整流器，它們看起來(lái)和三極管有點(diǎn)像，但事實(shí)上，它們都是有兩顆功率二極管組合而成的。

　　在二次側(cè)的散熱片旁邊，你還會(huì)看到很多電容和電感線圈，共同共同組成了低壓濾波模塊——找到它們也就找到了二次側(cè)。

　　區(qū)分一次側(cè)和二次側(cè)更簡(jiǎn)單的方法就是跟著電源的線走。一般來(lái)講，與輸出線相連的往往是二次側(cè)，而與輸入線相連的是一次側(cè)(從市電接入的輸入線)。如圖7所示。

　　區(qū)分一次側(cè)和二次側(cè)

　　以上我們從宏觀的角度大致介紹了一下一臺(tái)電源內(nèi)部的各個(gè)模塊。下面我們細(xì)化一下，將話題轉(zhuǎn)移到電源各個(gè)模塊的元器件上來(lái)……

　　第4頁(yè)：瞬變?yōu)V波電路解析

　　市電接入PC開關(guān)電源之后，首先進(jìn)入瞬變?yōu)V波電路(Transient Filtering)，也就是我們常說(shuō)的EMI電路。下圖8描述的是一臺(tái)PC電源的“推薦的”的瞬變?yōu)V波電路的電路圖。

　　瞬變?yōu)V波電路的電路圖

　　為什么要強(qiáng)調(diào)是“推薦的”的呢?因?yàn)槭忻嫔虾芏嚯娫?，尤其是低端電源，往往?huì)省去圖8中的一些元器件。所以說(shuō)通過(guò)檢查EMI電路是否有縮水就可以來(lái)判斷你的電源品質(zhì)的優(yōu)劣。

EMI電路電路的主要部件是MOV (l Oxide Varistor，金屬氧化物壓敏電阻)，或者壓敏電阻(圖8中RV1所示)，負(fù)責(zé)抑制市電瞬變中的尖峰。MOV元件同樣被用在浪涌抑制器上(surge suppressors)。盡管如此，許多低端