開關(guān)電源工作原理

　　導(dǎo)讀：記得上大學(xué)那會，特別熱衷DIY電腦，配電源必用長城、航嘉等高大上品牌，這些電源都是基于一種名為“開關(guān)模式”的技術(shù)，此種電源稱之為開關(guān)電源(Switching Mode Power Supplies，簡稱SMPS)。本文將為您解讀開關(guān)電源的原理~

一、開關(guān)電源工作原理—簡介

　　顧名思義，開關(guān)電源就是利用電子開關(guān)器件(如晶體管、場效應(yīng)管、可控硅閘流管等)，通過控制電路，使電子開關(guān)器件不停地“接通”和“關(guān)斷”，讓電子開關(guān)器件對輸入電壓進(jìn)行脈沖調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)DC/AC、DC/DC電壓變換，以及輸出電壓可調(diào)和自動穩(wěn)壓。

　　開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開關(guān)電源，這一點(diǎn)稱為成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動，這為開關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間。

二、開關(guān)電源工作原理—結(jié)構(gòu)

　　開關(guān)電源大致由主電路、開關(guān)電源控制電路、檢測電路、輔助電源四大部份組成。

　　1、主電路

　　沖擊電流限幅：限制接通電源瞬間輸入側(cè)的沖擊電流。

　　輸入濾波器：其作用是過濾電網(wǎng)存在的雜波及阻礙本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋回電網(wǎng)。

　　整流與濾波：將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電。

　　逆變：將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開關(guān)電源的核心部分。

　　輸出整流與濾波：根據(jù)負(fù)載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。

　　2、控制電路

　　一方面從輸出端取樣，與設(shè)定值進(jìn)行比較，然后去控制逆變器，改變其脈寬或脈頻，使輸出穩(wěn)定，另一方面，根據(jù)測試電路提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)保護(hù)電路鑒別，提供控制電路對電源進(jìn)行各種保護(hù)措施。

　　3、檢測電路

　　提供保護(hù)電路中正在運(yùn)行中各種參數(shù)和各種儀表數(shù)據(jù)。

　　4、輔助電源

　　實(shí)現(xiàn)電源的軟件(遠(yuǎn)程)啟動，為保護(hù)電路和控制電路(PWM等芯片)工作供電。

三、開關(guān)電源工作原理—分類

　　開關(guān)電源一般有三種工作模式：頻率、脈沖寬度固定模式，頻率固定、脈沖寬度可變模式，頻率、脈沖寬度可變模式。前一種工作模式多用于DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換;后兩種工作模式多用于開關(guān)穩(wěn)壓電源。另外，開關(guān)電源輸出電壓也有三種工作方式：直接輸出電壓方式、平均值輸出電壓方式、幅值輸出電壓方式。同樣，前一種工作方式多用于DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換;后兩種工作方式多用于開關(guān)穩(wěn)壓電源。

　　開關(guān)電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類，DC/DC變換器現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)模塊化，且設(shè)計技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化;AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進(jìn)程中，遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問題。

　　DC/DC變換

　　DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調(diào)制方式Ts不變，改變ton(通用)，二是頻率調(diào)制方式，ton不變，改變Ts(易產(chǎn)生干擾)。其具體的電路由以下幾類：

　　1) Buck電路——降壓斬波器，其輸出平均電壓U0小于輸入電壓Ui，極性相同。

　　2) Boost電路——升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于輸入電壓Ui，極性相同。

　　3) Buck-Boost電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電感傳輸。

　　4) Cuk電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電容傳輸。

　　當(dāng)今軟開關(guān)技術(shù)使得DC/DC發(fā)生了質(zhì)的飛躍，美國VICOR公司設(shè)計制造的多種ECI軟開關(guān)DC/DC變換器，其最大輸出功率有300W、600W、800W等，相應(yīng)的功率密度為(6.2、10、17)W/cm3，效率為(80～90)%。日本NemicLambda公司最新推出的一種采用軟開關(guān)技術(shù)的高頻開關(guān)電源模塊RM系列，其開關(guān)頻率為(200～300)kHz，功率密度已達(dá)到27W/cm3，采用同步整流器(MOSFET代替肖特基二極管)，使整個電路效率提高到90%。

　　AC/DC變換

　　AC/DC變換是將交流變換為直流，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負(fù)載的稱為“整流”，功率流由負(fù)載返回電源的稱為“有源逆變”。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電，因必須經(jīng)整流、濾波，因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的，同時因遇到安全標(biāo)準(zhǔn)(如UL、CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC、、FCC、CSA)，交流輸入側(cè)必須加EMC濾波及使用符合安全標(biāo)準(zhǔn)的元件，這樣就限制AC/DC電源體積的小型化，另外，由于內(nèi)部的高頻、高壓、大電流開關(guān)動作，使得解決EMC電磁兼容問題難度加大，也就對內(nèi)部高密度安裝電路設(shè)計提出了很高的要求，由于同樣的原因，高電壓、大電流開關(guān)使得電源工作損耗增大，限制了AC/DC變換器模塊化的進(jìn)程，因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法才能使其工作效率達(dá)到一定的滿意程度。

　　AC/DC變換按電路的接線方式可分為，半波電路、全波電路。按電源相數(shù)可分為，單相、三相、多相。按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。

四、開關(guān)電源工作原理—原理

　　開關(guān)電源的工作過程相當(dāng)容易理解，在線性電源中，讓功率晶體管工作在線性模式，與線性電源不同的是，PWM開關(guān)電源是讓功率晶體管工作在導(dǎo)通和關(guān)斷的狀態(tài)，在這兩種狀態(tài)中，加在功率晶體管上的伏-安乘積是很小的(在導(dǎo)通時，電壓低，電流大;關(guān)斷時，電壓高，電流小)/功率器件上的伏安乘積就是功率半導(dǎo)體器件上所產(chǎn)生的損耗。

　　與線性電源相比，PWM開關(guān)電源更為有效的工作過程是通過“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實(shí)現(xiàn)的。

　　解釋上圖：市電(交流電)入口進(jìn)去的第一部分稱為一級EMI，主要負(fù)責(zé)內(nèi)部電路與外部電源之間的過渡，在一級EMI旁邊還有二級EMI，這些一二級EMI主要起到電路保護(hù)作用，比如當(dāng)外部電源有波動的時候，一二級EMI會減少內(nèi)部沖突，從而保護(hù)電源內(nèi)部的硬件不容易受到損壞，另外當(dāng)電源內(nèi)部硬件出現(xiàn)不穩(wěn)定，一二級EMI可以抑制內(nèi)部波動沖擊外部電路，以免影響其他電器的正常使用，簡單來說一二級EMI相當(dāng)于一層濾網(wǎng)，防止雙向沖擊，對于一款合格的開關(guān)電源來說，一二級EMI都是必要的，當(dāng)對于山寨低價電源來說，往往為了節(jié)省成本，省去了一二級EMI，盡管不影響電源功能，但對于電源的穩(wěn)定性以及干擾外部電源還是有影響的。

　　一二級EMI電路過后，就到了整流部分了，這里主要有一個由四個整流二極管組建的整流橋堆，其功能是實(shí)現(xiàn)，將交流電轉(zhuǎn)變成為直流電。其之后就是高壓濾波電路了，這里會看到有一個或者兩個大電容，以電感線圈等，主要負(fù)責(zé)進(jìn)來的交流電進(jìn)行濾波，由于外部交流電頻率可能波動較大，通過電容與線圈進(jìn)行濾波，可以得到比較平滑的直主流電。

　　再往下就是中間部分了，在電源的中間是變壓器部分。由于開關(guān)電源有多路輸出，包括3.3V、5V、12V等等，因此需要變壓器，將前面的直流電分成幾組輸出電壓。在變壓器之后的下面，就是電源輸出部分了。

五、開關(guān)電源工作原理-注意事項(xiàng)

　　1、選擇開關(guān)電源時應(yīng)注意事項(xiàng)

　　1) 選用合適的輸入電壓規(guī)格;

　　2) 選擇合適的功率。為了使電源的壽命增長，可選用多30%輸出功率額定的機(jī)種。

　　3) 考慮負(fù)載特性。如果負(fù)載是馬達(dá)、燈泡或電容性負(fù)載，當(dāng)開機(jī)瞬間時電流較大，應(yīng)選用合適電源以免過載。如果負(fù)載是馬達(dá)時應(yīng)考慮停機(jī)時電壓倒灌。

　　4) 此外尚需考慮電源的工作環(huán)境溫度，及有無額外的輔助散熱設(shè)備，在過高的環(huán)溫電源需減額輸出。環(huán)溫對輸出功率的減額曲線。

　　5) 根據(jù)應(yīng)用所需選擇各項(xiàng)功能：

　　保護(hù)功能：過電壓保護(hù)(OVP)、過溫度保護(hù)(OTP)、過負(fù)載保護(hù)(OLP)等。

　　應(yīng)用功能：信號功能(供電正常、供電失效)、遙控功能、遙測功能、并聯(lián)功能等。

　　特殊功能：功因矯正(PFC)、不斷電(UPS)

　　選擇所需符合的安規(guī)及電磁兼容(EMC)認(rèn)證。

　　2、使用開關(guān)電源之注意事項(xiàng)

　　6) 使用電源前，先確定輸入輸出電壓規(guī)格與所用電源的標(biāo)稱值是否相符;

　　7) 通電之前，檢查輸入輸出的引線是否連接正確，以免損壞用戶設(shè)備;

　　8) 檢查安裝是否牢固，安裝螺絲與電源板器件有無接觸，測量外殼與輸入、輸出的絕緣電阻，以免觸電;

　　9) 為保證使用的安全性和減少干擾，請確保接地端可靠接地;

　　10) 多路輸出的電源一般分主、輔輸出，主輸出特性優(yōu)于輔輸出，一般情況下輸出電流大的為主輸出。為保證輸出負(fù)載調(diào)整率和輸出動態(tài)等指標(biāo)，一般要求每路至少帶10%的負(fù)載。若用輔路不用主路，主路一定加適當(dāng)?shù)募儇?fù)載。具體參見相應(yīng)型號的規(guī)格書;

　　11) 請注意:電源頻繁開關(guān)將會影響其壽命;

　　12) 工作環(huán)境及帶載程度也會影響其壽命。

　　拓展閱讀：

　　1、 詳解開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)

　　2、 開關(guān)電源維修方法與技巧攻略

　　4、淺談開關(guān)電源設(shè)計

　　3、 新型開關(guān)電源技術(shù)簡介

　　4、 線性電源和開關(guān)電源的優(yōu)缺

　　5、 工程師必知：教你熟透開關(guān)電源設(shè)計的各種元器件