系統(tǒng)介紹開關(guān)電源工作原理詳解析

電源為了節(jié)省成本往往會(huì)砍掉重要的MOV元件。對于配備MOV元件電源而言，有無浪涌抑制器已經(jīng)不重要了，因?yàn)殡娫匆呀?jīng)有了抑制浪涌的功能。

　　圖8中的L1 and L2是鐵素體線圈;C1 and C2為圓盤電容，通常是藍(lán)色的，這些電容通常也叫“Y”電容;C3是金屬化聚酯電容，通常容量為100nF、470nF或680nF，也叫“X”電容;有些電源配備了兩顆X電容，和市電并聯(lián)相接，如圖8 RV1所示。

　　X電容可以任何一種和市電并聯(lián)的電容;Y電容一般都是兩兩配對，需要串聯(lián)連接到火、零之間并將兩個(gè)電容的中點(diǎn)通過機(jī)箱接地。也就是說，它們是和市電并聯(lián)的。

　　瞬變?yōu)V波電路不僅可以起到給市電濾波的作用，而且可以阻止開關(guān)管產(chǎn)生的噪聲干擾到同在一根市電上的其他電子設(shè)備。

　　一起來看幾個(gè)實(shí)際的例子。如圖9所示，你能看到一些奇怪之處嗎?這個(gè)電源居然沒有瞬變?yōu)V波電路!這是一款低廉的“山寨”電源。請注意，看看電路板上的標(biāo)記，瞬變?yōu)V波電路本來應(yīng)該有才對，但是卻被喪失良知的黑心JS們帶到了市場里。

　　這款低廉的“山寨”電源沒有瞬變?yōu)V波電路

　　再看圖10實(shí)物所示，這是一款具備瞬變?yōu)V波電路的低端電源，但是正如我們看到的那樣，這款電源的瞬變?yōu)V波電路省去了重要的MOV壓敏電阻，而且只有一個(gè)鐵素體線圈;不過這款電源配備了一個(gè)額外的X電容。

　　低端電源的EMI電路

　　瞬變?yōu)V波電路分為一級EMI和二級EMI，很多電源的一級EMI往往會(huì)被安置在一個(gè)獨(dú)立的PCB板上，靠近市電接口部分，二級EMI則被安置在電源的主PCB板上，如下圖11和12所示。

　　一級EMI配備了一個(gè)X電容和一個(gè)鐵素體電感

　　再看這款電源的二級EMI。在這里我們能看到MOV壓敏電阻，盡管它的安置位置有點(diǎn)奇怪，位于第二個(gè)鐵素體的后面?？傮w而言，應(yīng)該說這款電源的EMI電路是非常完整的。

　　完整的二級EMI

　　值得一提的是，以上這款電源的MOV壓敏電阻是黃色的，但是事實(shí)上大部分MOV都是深藍(lán)色的。

　　此外，這款電源的瞬變?yōu)V波電路還配備了保險(xiǎn)管(圖8中F1所示)。需要注意了，如果你發(fā)現(xiàn)保險(xiǎn)管內(nèi)的保險(xiǎn)絲已經(jīng)燒斷了，那么可以肯定的是，電源內(nèi)部的某個(gè)或者某些元器件是存在缺陷的。如果此時(shí)更換保險(xiǎn)管的話是沒有用的，當(dāng)你開機(jī)之后很可能再次被燒斷。

　　第5頁：倍壓器和一次側(cè)整流電路

　　●倍壓器和一次側(cè)整流電路

　　上文已經(jīng)說過，開關(guān)電源主要包括主動(dòng)式PFC電源和被動(dòng)式PFC電源，后者沒有PFC電路，但是配備了倍壓器(voltage doubler)。倍壓器采用兩顆巨大的電解電容，也就是說，如果你在電源內(nèi)部看到兩顆大號電容的話，那基本可以判斷出這就是電源的倍壓器。前面我們已經(jīng)提到，倍壓器只適合于127V電壓的地區(qū)。

　　兩顆巨大的電解電容組成的倍壓器

　　拆下來看看

　　在倍壓器的一側(cè)可以看到整流橋。整流橋可以是由4顆二極管組成，也可以是有單個(gè)元器件組成，如圖15所示。高端電源的整流橋一般都會(huì)安置在專門的散熱片上。

　　整流橋

　　在一次側(cè)部分通常還會(huì)配備一個(gè)NTC熱敏電阻——一種可以根據(jù)溫度的變化改變電阻值的電阻器。NTC熱敏電阻是Negative Temperature Coefficient的縮寫形式。它的作用主要是用來當(dāng)溫度很低或者很高時(shí)重新匹配供電，和陶瓷圓盤電容比較相似，通常是橄欖色。

　　第6頁：主動(dòng)式PFC電路

　　●主動(dòng)式PFC電路

　　毫無疑問，這種電路僅可以在配有主動(dòng)PFC電路的電源中才能看到。圖16描述的正是典型的PFC電路：

　　主動(dòng)式PFC電路圖

　　主動(dòng)式PFC電路通常使用兩個(gè)功率MOSFET開關(guān)管。這些開關(guān)管一般都會(huì)安置在一次側(cè)的散熱片上。為了易于理解，我們用在字母標(biāo)記了每一顆MOSFET開關(guān)管：S表示源極(Source)、D表示漏極(Drain)、G表示柵極(Gate)。

　　PFC二極管是一顆功率二極管，通常采用的是和功率晶體管類似的封裝技術(shù)，兩者長的很像，同樣被安置在一次側(cè)的散熱片上，不過PFC二極管只有兩根針腳。

　　PFC電路中的電感是電源中最大的電感;一次側(cè)的濾波電容是主動(dòng)式PFC電源一次側(cè)部分最大的電解電容。圖16中的電阻器是一顆NTC熱敏電阻，可以更加溫度的變化而改變電阻值，和二級EMI的NTC熱敏電阻起相同的作用。

　　主動(dòng)式PFC控制電路通?；谝活wIC整合電路，有時(shí)候這種整合電路同時(shí)會(huì)負(fù)責(zé)控制PWM電路(用于控制開關(guān)管的閉合)。這種整合電路通常被稱為 “PFC/PWM combo”.

　　照舊，先看一些實(shí)例。在圖17中，我們將一次側(cè)的散熱片去除之后可以更好的看到元器件。左側(cè)是瞬變?yōu)V波電路的二級EMI電路，上文已經(jīng)詳細(xì)介紹過;再看左側(cè)，全部都是主動(dòng)式PFC電路的組件。由于我們已經(jīng)將散熱片去除，所以在圖片上已經(jīng)看不到PFC晶體管以及PFC二極管了。此外，稍加留意的話可以看到，在整流橋和主動(dòng)式PFC電路之間有一個(gè)X電容(整流橋散熱片底部的棕色元件)。通常情況下，外形酷似陶制圓盤電容的橄欖色熱敏電阻都會(huì)有橡膠皮包裹。

　　主動(dòng)式PFC元器件

　　圖18是一次側(cè)散熱片上的元件。這款電源配備了兩個(gè)MOSFET開關(guān)管和主動(dòng)式PFC電路的功率二極管：

　　開關(guān)管、功率二極管

　　下面我們將重點(diǎn)介紹開關(guān)管……

　　第7頁：開關(guān)管

　　●開關(guān)管

　　開關(guān)電源的開關(guān)逆變級可以有多種模式，我們總結(jié)了一下幾種情況：

　　模式開關(guān)管數(shù)量二極管數(shù)量電容數(shù)量變壓器針腳

　　單端正激1114

　　雙管正激2202

　　半橋2022

　　全橋4002

　　推挽2003

　　當(dāng)然了，我們只是分析某種模式下到底需要多少元器件，事實(shí)上當(dāng)工程師們在考慮采用哪種模式時(shí)還會(huì)收到很多因素制約。

　　目前最流行的兩種模式時(shí)雙管正激(two-transistor forward)和全橋式(push-pull)設(shè)計(jì)，兩者均使用了兩顆開光管。這些被安置在一次側(cè)散熱片上的開光管我們已經(jīng)在上一頁有所介紹，這里就不做過多贅述。

　　以下是這五種模式的設(shè)計(jì)圖：

　　單端正激(Single-transistor forward configuration)

　　雙管正激(Two-transistor forward configuration)

　　半橋(Half bridge configuration)

　　全橋(Full bridge configuration)

　　推挽(Push-pull configuration)

　　第8頁：變壓器和PWM控制電路

　　●變壓器和PWM控制電路

　　先前我們已經(jīng)提到，一太PC電源一般都會(huì)配備3個(gè)變壓器：個(gè)頭最大的那顆是之前圖3、4和圖19-23上標(biāo)示出來的主變壓器，它的一次側(cè)與開關(guān)管相連，二次側(cè)與整流電路與濾波電路相連，可以提供電源的低壓直流輸出(+12V，+5V，+3.3V，-12V，-5V)。

　　最小的那顆變壓器負(fù)載+5VSB輸出，通常也成為待機(jī)變壓器，隨時(shí)處于“待命狀態(tài)”，因?yàn)檫@部分輸出始終是開啟的，即便是PC電源處于關(guān)閉狀態(tài)也是如此。

　　第三個(gè)變壓器室隔離器，將PWM控制電路和開關(guān)管相連。并不是所有的電源都會(huì)裝備這個(gè)變壓器，因?yàn)橛行╇娫赐鶗?huì)配備具備相同功能的光耦整合電路。

　　變壓器

　　這臺(tái)電源采用的是光耦整合電路，而不是變壓器

　　PWM控制電路基于一塊整合電路。一般情況下，沒有裝備主動(dòng)式PFC的電源都會(huì)采用TL494整合電路(下圖26中采用的是可兼容的DBL494整合芯片)。具備主動(dòng)式PFC電路的電源里，有時(shí)候也會(huì)采用一種用來取代PWM芯片和PFC控制電路的芯片。CM6800芯片就是一個(gè)很好的例子，它可以很好的集成PWM芯片和PFC控制電路的所有功能。

　　PWM控制電路

　　第9頁：二次側(cè)(一)

　　●二次側(cè)

　　最后要介紹的是二次側(cè)。在二次側(cè)部分，主變壓器的輸出將會(huì)被整流和過濾，然后輸出PC所需要的電壓。-5 V和–12 V的整流是只需要有普通的二極管就能完成，因?yàn)樗麄儾恍枰吖β屎痛箅娏?。不過+3.3 V, +5 V以及+12 V等正壓的整流任務(wù)需要由大功率肖特基整流橋才行。這種肖特基有三個(gè)針腳，外形和功率二極管比較相似，但是它們的內(nèi)部集成了兩個(gè)大功率二極管。二次側(cè)整流工作能否完成是由電源電路結(jié)構(gòu)決定，一般有可能會(huì)有兩種整流電路結(jié)構(gòu)，如圖27所示：

　　整流模式

　　模式A更多的會(huì)被用于低端入門級電源中，這種模式需要從變壓器引出三個(gè)針腳。模式B則多用于高端電源中，這種模式一般只需要配備兩個(gè)變壓器，但是鐵素體電感必須夠大才行，所以這種模式成本較高，這也是為什么低端電源不采用這種模式的主要原因。

　　此外，對于高端電源而言，為了提升最大電流輸出能力，這些電源往往會(huì)采用兩顆二極管串聯(lián)的方式將整流電路的最大電流輸出提升一倍。

　　無論是高端還是低端電源，其+12 V和+5 V的輸出都配備了完整的整流電路和濾波電路，所以所有的電源至少都需要2組圖27所示的整流電路。

　　對于3.3V輸出而言，有三種選項(xiàng)可供選擇：

　　☆在+5 V輸出部分增加一個(gè)3.3V的電壓穩(wěn)壓器，很多低端電源都是采用的這種設(shè)計(jì)方案;

　　☆為3.3 V輸出增加一個(gè)像圖27所示的完整的整流電路和濾波電路，但是需要和5 V整流電路共享一個(gè)變壓器。這是高端電源比較普通的一種設(shè)計(jì)方案。

　　☆采用一個(gè)完整的獨(dú)立的3.3V整流電路和濾波電路。這種方案非常罕見，僅在少數(shù)發(fā)燒級頂級電源中才可能出現(xiàn)，比如說安耐美的銀河1000W。

　　由于3.3V輸出通常是完全公用5V整流電路(常見于低端電源)或者部分共用(常見于高端電源中)，所以說3.3V輸出往往會(huì)受到5V輸出的限制。這就是為什么很多電源要在銘牌中著名“3.3V和5V聯(lián)合輸出”。

　　下圖28是一臺(tái)低端電源的二次側(cè)。這里我們可以看到負(fù)責(zé)產(chǎn)生PG信號的整合電路。通常情況下，低端電源都會(huì)采用LM339整合電路。