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開關(guān)電源電路詳解

一、開關(guān)電源基本原理

開關(guān)電源是一種高效的電源轉(zhuǎn)換設(shè)備，其核心工作原理是借助開關(guān)管的快速導(dǎo)通與截止動(dòng)作，將輸入的直流或交流電壓轉(zhuǎn)換為高頻脈沖信號(hào)。此高頻脈沖信號(hào)經(jīng)變壓器或電感器進(jìn)行電壓變換，隨后通過濾波電路處理，最終輸出穩(wěn)定直流電壓，以滿足不同電子設(shè)備對(duì)電源的特定需求，可靈活調(diào)整輸出電壓并確保其穩(wěn)定。

二、開關(guān)電源主要電路構(gòu)成

開關(guān)電源主要電路由多個(gè)關(guān)鍵部分組成：

輸入電磁干擾濾波器（EMI） ：用于抑制輸入電源中的電磁噪聲及雜波信號(hào)，防止其對(duì)電源內(nèi)部電路產(chǎn)生干擾，同時(shí)避免電源自身產(chǎn)生的高頻雜波回饋至電網(wǎng)，對(duì)其他設(shè)備造成干擾。

整流濾波電路 ：將交流電壓整流為直流電壓，并通過濾波電容進(jìn)一步平滑，以獲得較為純凈的直流電，為后續(xù)的功率變換提供穩(wěn)定的輸入。

功率變換電路 ：在 PWM 控制器的調(diào)控下，開關(guān)管（通常為 MOSFET 管）以高頻開關(guān)的方式工作，將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換為高頻交流電壓，經(jīng)變壓器或電感器進(jìn)行電壓升降變換，實(shí)現(xiàn)電能的有效傳遞與轉(zhuǎn)換。

PWM 控制器電路 ：作為開關(guān)電源的控制核心，PWM 控制器依據(jù)輸出電壓和電流的反饋信息，實(shí)時(shí)調(diào)整開關(guān)管的占空比，從而精確控制輸出電壓和電流的大小，確保其穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)。

輸出整流濾波電路 ：對(duì)功率變換電路輸出的高頻交流電壓進(jìn)行整流和濾波，將其轉(zhuǎn)換為平滑穩(wěn)定的直流電壓，以滿足負(fù)載設(shè)備的供電要求。

此外，開關(guān)電源還配備有多種輔助保護(hù)電路，如輸入過欠壓保護(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，這些保護(hù)電路能夠在電源出現(xiàn)異常情況時(shí)及時(shí)動(dòng)作，保護(hù)電源和負(fù)載設(shè)備免受損害，提高整個(gè)電源系統(tǒng)的可靠性和安全性。

三、開關(guān)電源分類方式

根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，開關(guān)電源可分為多種類型：

（一）按輸入電源類型分類

AC-DC 開關(guān)電源 ：將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，廣泛應(yīng)用于各類需要將市電轉(zhuǎn)換為直流電源的電子設(shè)備，如計(jì)算機(jī)電源、通信設(shè)備電源等。

DC-DC 開關(guān)電源 ：將一種直流電壓轉(zhuǎn)換為另一種直流電壓，常用于電動(dòng)汽車、太陽能系統(tǒng)等直流電源系統(tǒng)中，對(duì)不同負(fù)載設(shè)備進(jìn)行供電。

（二）按工作方式分類

單端開關(guān)電源 ：僅使用一個(gè)開關(guān)管，電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，成本較低，適用于低功率應(yīng)用場合，如小型電子設(shè)備、手持終端等。

雙端開關(guān)電源 ：采用兩個(gè)開關(guān)管，能夠提供更高的功率輸出和轉(zhuǎn)換效率，適用于高功率應(yīng)用，如服務(wù)器電源、工業(yè)電源等。

（三）按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類

常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有：

Buck（降壓）電路 ：輸出電壓低于輸入電壓，具有電路簡單、效率高的特點(diǎn)，常用于 Step-down 電源轉(zhuǎn)換。

Boost（升壓）電路 ：輸出電壓高于輸入電壓，適用于需要將低電壓升為高電壓的場合，如 LED 驅(qū)動(dòng)電源。

Buck-Boost（降壓 - 升壓）電路 ：輸出電壓可以高于或低于輸入電壓，能夠在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)工作，但電路相對(duì)復(fù)雜。

Flyback（反激）電路 ：利用變壓器的耦合電感儲(chǔ)存和傳遞能量，電路結(jié)構(gòu)緊湊，成本較低，廣泛應(yīng)用于中小功率電源，如適配器電源、車載充電器等。

Forward（正激）電路 ：輸出功率較高，適用于中大功率電源，但電路需要增加續(xù)流二極管等元件，設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜。

Push-Pull（推挽）電路 ：采用兩個(gè)開關(guān)管交替導(dǎo)通，能夠提供較大的輸出功率，適用于高功率密度電源，但對(duì)變壓器的要求較高。

Half Bridge（半橋）電路 ：由兩個(gè)開關(guān)管和一個(gè)中點(diǎn)電容組成，能夠有效降低開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力，適用于中大功率電源。

Full Bridge（全橋）電路 ：使用四個(gè)開關(guān)管，能夠提供最高的功率輸出和轉(zhuǎn)換效率，適用于超高功率電源，但電路復(fù)雜，成本較高。

這些分類方式僅涵蓋了開關(guān)電源的一部分類型，實(shí)際應(yīng)用中還可根據(jù)特定要求和應(yīng)用場景進(jìn)行更細(xì)致的分類，以滿足不同設(shè)備的電源需求。

四、輸入電路原理

（一）防雷電路

當(dāng)電網(wǎng)遭受雷擊時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高壓沖擊波，經(jīng)電網(wǎng)傳導(dǎo)至電源輸入端。由 MOV1、MOV2、MOV3 以及 F1、F2、F3、FDG1 組成的防雷保護(hù)電路能夠迅速響應(yīng)。當(dāng)壓敏電阻兩端電壓超過其標(biāo)稱工作電壓時(shí)，其電阻值會(huì)急劇降低，將大量的高壓能量消耗在自身之上，從而保護(hù)后級(jí)電路免受雷擊過電壓的損害。若雷擊電流過大，F(xiàn)1、F2、F3 保險(xiǎn)絲會(huì)熔斷，進(jìn)一步切斷電路，確保整個(gè)電源系統(tǒng)安全。

（二）輸入濾波電路

由 C1、L1、C2、C3 組成的雙 π 型濾波網(wǎng)絡(luò)主要功能是對(duì)輸入電源中的電磁噪聲及雜波信號(hào)進(jìn)行有效抑制。一方面防止電網(wǎng)中的干擾信號(hào)進(jìn)入電源內(nèi)部，影響電源的正常工作；另一方面避免電源自身產(chǎn)生的高頻雜波反饋至電網(wǎng)，對(duì)其他用電設(shè)備造成干擾。在電源開啟瞬間，會(huì)對(duì) C5 進(jìn)行充電，由于瞬間電流較大，加入 RT1（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻）能夠有效限制浪涌電流。在電源啟動(dòng)初期，RT1 的阻值較大，能夠消耗掉大部分瞬時(shí)能量，隨著溫度升高，RT1 的阻值逐漸減小，最后其消耗能量非常小，確保后級(jí)電路能夠正常工作。

（三）整流濾波電路

交流電壓經(jīng) BRG1 整流橋整流后，得到脈動(dòng)直流電壓，再經(jīng) C5 濾波電容濾波，可平滑脈動(dòng)波形，得到較為純凈的直流電壓。若 C5 容量減小，輸出的交流紋波含量將增加，影響電源輸出質(zhì)量。

五、功率變換電路原理

（一）緩沖器電路

由 R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2 組成的緩沖器電路與開關(guān) MOS 管并聯(lián)連接。其主要作用是減少開關(guān)管在開關(guān)過程中所承受的電壓應(yīng)力，降低電磁干擾（EMI），同時(shí)防止開關(guān)管發(fā)生二次擊穿現(xiàn)象。在開關(guān)管 Q1 關(guān)斷瞬間，變壓器原邊線圈會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓和尖峰電流，這些緩沖元件能夠有效地吸收尖峰能量，保護(hù)開關(guān)管免受損壞。此外，從 R3 測得的電流峰值信號(hào)參與當(dāng)前工作周波的占空比控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)管的電流限制，確保開關(guān)管在安全的工作電流范圍內(nèi)工作。

（二）開關(guān)管控制電路

當(dāng) R5 上的電壓達(dá)到 1V 時(shí)，UC3842 PWM 控制器停止工作，立即關(guān)斷開關(guān)管 Q1，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)管的過流保護(hù)。R1 與 Q1 中的結(jié)電容 CGS、CGD 共同組成 RC 網(wǎng)絡(luò)，電容的充放電過程直接影響開關(guān)管的開關(guān)速度。若 R1 阻值過小，容易引起電路振蕩，同時(shí)產(chǎn)生較大的電磁干擾；若 R1 阻值過大，則會(huì)降低開關(guān)管的開關(guān)速度，影響電源的轉(zhuǎn)換效率。Z1 通常將 MOS 管的 GS 電壓限制在 18V 以下，從而保護(hù) MOS 管免受過高的柵源電壓損壞。

Q1 的柵極受控電壓為鋸齒波信號(hào)，鋸齒波的占空比決定了 Q1 的導(dǎo)通時(shí)間。占空比越大，Q1 導(dǎo)通時(shí)間越長，變壓器儲(chǔ)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 等元件釋放能量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)磁場復(fù)位，為下一次能量存儲(chǔ)和傳遞做好準(zhǔn)備。PWM 控制器 IC 根據(jù)輸出電壓和電流的實(shí)時(shí)反饋信息，時(shí)刻調(diào)整其輸出的鋸齒波占空比，從而精確控制輸出電流和電壓的大小，確保整個(gè)電源系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定。C4 和 R6 構(gòu)成尖峰電壓吸收回路，進(jìn)一步保護(hù)電路免受尖峰電壓的危害。

六、正激式開關(guān)電源

正激式開關(guān)電源具有較為復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)，但能提供較高的輸出功率，通常適用于 100W－300W 的開關(guān)電源應(yīng)用場合，尤其在低壓、大電流的開關(guān)電源領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在正激式開關(guān)電源中，當(dāng)開關(guān)管接通時(shí)，輸出變壓器充當(dāng)介質(zhì)，直接耦合磁場能量，實(shí)現(xiàn)電能與磁能的相互轉(zhuǎn)化，使輸入和輸出過程同步進(jìn)行。

然而，正激式開關(guān)電源也存在一些不足之處。例如，為了防止變壓器初級(jí)線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢擊穿開關(guān)管，需要增加反電動(dòng)勢繞組；同時(shí)，在次級(jí)側(cè)還需額外增加一個(gè)電感進(jìn)行儲(chǔ)能濾波，這使得其成本相對(duì)較高，且變壓器的體積較大，不利于電源的小型化設(shè)計(jì)。

七、反激式開關(guān)電源

反激式開關(guān)電源采用反激高頻變壓器隔離輸入輸出回路，其變壓器不僅起到變換電壓和傳輸能量的作用，還兼具儲(chǔ)能電感的功能，因此反激式變壓器的設(shè)計(jì)類似于電感。反激式開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，控制較為容易，在 5W-100W 的小功率應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。

在反激式開關(guān)電源的工作過程中，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器原邊電感電流上升。由于反激電路輸出線圈同名端相反，輸出二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)變壓器儲(chǔ)存能量，負(fù)載所需的能量由輸出電容提供。當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，變壓器原邊電感感應(yīng)電壓反向，輸出二極管導(dǎo)通，變壓器儲(chǔ)存的能量通過二極管向負(fù)載釋放，同時(shí)對(duì)電容進(jìn)行充電，補(bǔ)充電容在開關(guān)管導(dǎo)通期間消耗的電能。

通過對(duì)比正激式和反激式開關(guān)電源可以發(fā)現(xiàn)，正激式變壓器主要側(cè)重于變壓功能，整個(gè)電路可以看作是一個(gè)帶有變壓器的 Buck 電路；而反激式變壓器則兼具變壓和儲(chǔ)能功能，其電路特性更接近于一個(gè) Buck-Boost 電路。