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1、开关电源工作原理超详细分析开关电源工作原理超详细分析第 1 页：序言： PC 电源知多少个人 PC 所采纳的电源都是鉴于一种名为“开关模式”的技术，因此我们常常会将个人 PC 电源称之为开关电源 （ Switching Mode Power Supplies ，简称 SMPS），它还有一个外号 DC-DC 转变器。本次文章我们将会为您解读开关电源的工作模式和原理、开关电源内部的元器件的介 绍以及这些元器件的功能。线性电源知多少 / 当前主要包含两种电源种类：线性电源（电源（ switching ）。线性电源的工作原理是第一将linear ）和开关127 V 或许220 V市电经过变压器转为低压
2、电，比方说12V ，并且经过变换后的低压依旧是AC沟通电；而后再经过一系列的二极管进行改正和整流，并将低压AC沟通电转变为脉动电压（配图 1 和 2 中的“ 3”）；下一步需要对脉动电压进行滤波，经过电容达成，而后将经过滤波后的低压沟通电变换成DC直流电（配图1 和 2 中的“ 4”）；此时获取的低压直流电依然不够纯净，会有必定的颠簸（这类电压颠簸就是我们常说的纹波），因此还需要稳压二极管或许电压整流电路进行矫正。最 后，我们就能够获取纯净的低压 DC 直流电输出了（配图 1 和 2 中的“ 5”）配图 1：标准的线性电源设计图配图 2：线性电源的波形只管说线性电源特别合适为低功耗设施供电，比
3、方说无绳电话、 PlayStation/Wii/Xbox 等游戏主机等等，可是关于高功耗设施而言，线性电源将会力所不及。关于线性电源而言，其内部电容以及变压器的大小和AC 市电的频次成反比：也即说假如输入市电的频次越低时，线性电源就需要越大的电容和变压器，反之亦然。因为当前向来采纳的是60Hz（有些国家是50Hz）频次的 AC 市电，这是一个相对较低的频次，因此其变压器以及电容的个头往往都相对照较大。 别的， AC 市电的浪涌越大，线性电源的变压器的个头就越大。因而可知，关于个人 PC 领域而言，制造一台线性电源将会是一件疯狂的行为，因为它的体积将会特别大、重量也会特别的重。因此说个人PC 用
4、户其实不适适用线性电源。开关电源知多少开关电源能够经过高频开关模式很好的解决这一问题。关于高频开关电源而言， AC 输入电压能够在进入变压器以前升压（升压前一般是 50-60 KHz ）。跟着输入电压的高升，变压器以及电容等元器件的个头就不用像线性电源那么的大。这类高频开关电源正是我们的个人 PC 以及像 VCR 录像机这样的设 备所需要的。需要说明的是，我们常常所说的“开关电源”实质上是“高频开关电源”的缩写形式，和电源自己的封闭和开启式没有任何关系的。事实上，终端用户的PC 的电源采纳的是一种更为优化的方案：闭回路系统（closed loop system）负责控制开关管的电路，从电源的输
5、出获取反应信号，而后依据 PC 的功耗来增添或许降低某一周期内的电压的频次以便能够适应电源的变压器 （这个方法称作 PWM ， Pulse Width Modulation ，脉冲宽度调制） 。因此说，开关电源能够依据与之相连的耗电设施的功耗的大小来自我调整，进而能够让变压器以及其余的元器件带走更少量的能量，并且降低发热量。反观线性电源，它的设计理念就是功率至上，即使负载电路其实不需要很大电流。这样做的结果就是所有元件即使非必需的时候也工作在满负荷下，结果产生高好多的热量。第 2 页：看图说话：图解开关电源下列图 3 和 4 描绘的是开关电源的 PWM 反应体制。图 3 描绘的是没有 PFC(
6、Power Factor Correction ，功率要素校订 ) 电路的低价电源， 图 4 描绘的是采纳主动式 PFC 设计的中高端电源。图 3：没有 PFC 电路的电源图 4：有 PFC 电路的电源经过图 3 和图 4 的对照我们能够看出二者的不一样之处：一个具备主动式PFC 电路而另一个不具备， 前者没有 110/220V 变换器，并且也没有电压倍压电路。下文我们的要点将会是主动式 PFC 电源的解说。为了让读者能够更好的理解电源的工作原理，以上我们供给的是特别基本的图解，图中并未包含其余额外的电路，比方说短路保护、待机电路以及PG 信 号发生器等等。 自然了，假如您还想认识一下更为详细
7、的图解，请看图 5。假如看不懂也没关系，因为这张图原来就是为那些专业电源设计人员看的。图 5：典型的低端 ATX 电源设计图 (图片可能不太清楚建议大家拖出来看 )你可能会问，图5 设计图中为何没有电压整流电路？事实上， PWM 电路已经肩负起了电压整流的工作。输入电压在经过开关管以前将会再次校订，而且进入变压器的电压已经成为方形波。因此，变压器输出的波形也是方形波，而不是正弦波。因为此时波形已经是方形波，因此电压能够易如反掌的被变压器变换为DC 直流电压。也就是说，当电压被变压器从头校订以后，输出电压已经变为了DC 直流电压。这就是为何好多时候开关电源常常会被称之为DC-DC变换器。馈送 P
8、WM 控制电路的回路负责所有需要的调理功能。假如输出电压错误时， PWM 控制电路就会改变工作周期的控制信号以适应变压器，最后将输出电压校订过来。这类情况常常会发生在PC 功耗高升的时， 此时输出电压趋于降落，或许 PC 功耗降落的时，此时输出电压趋于上涨。在看下一页是，我们有必需认识一下以下信息：在变压器以前的所有电路及模块称为“ primary ”（一次侧），在变压器以后的所有电路及模块称为“secondary”（二次侧）；采纳主动式PFC 设计的电源不具备110 V/ 220 V 变换器，同时也没有电压倍压器；关于没有PFC 电路的电源而言， 假如 110 V / 220 V 被设定为
9、110 V 时，电流在进入整流桥以前，电源自己将会利用电压倍压器将 110 V 提高至 220 V 左右；PC 电源上的开关管由一对功率MOSFET 管构成，自然也有其余的组合方式，以后我们将会详解；变压器所需波形为方形波，因此经过变压器后的电压波形都是方形波，而非正弦波；PWM 控制电流常常都是集成电路，往常是经过一个小的变压器与一次侧隔绝，而有时也可能是经过耦合芯片（一种很小的带有LED 和光电晶体管的IC 芯片）和一次侧隔绝；PWM 控制电路是依据电源的输出负载状况来控制电源的开关管的闭合的。假如输出电压过高或许过低时， PWM 控制电路将会改变电压的波形以适应开关管，进而达到校正输出电
10、压的目的；下一页我们将经过图片来研究电源的每一个模块和电路，经过实物图形象的告诉你在电源中哪处能找到它们。第 3 页：看图说话：电源内部揭秘当你第一次翻开一台电源后（保证电源线没有和市电连接，不然会被电到） ，你可能会被里面那些奇奇异怪的元器件搞得蒙头转向，可是有两样东西你必定认识：电源电扇和散热片。开关电源内部可是您应当很简单就能分辨出电源内部哪些元器件属于一次侧， 哪些属于二次侧。 一般来讲， 假如你看到一个 （采纳主动式 PFC 电路的电源）或许两个（无 PFC 电路的电源）很大的滤波电容的话，那一侧就是一次侧。一般状况下，再电源的两个散热片之间都会安排3 个变压器，比方说图7 所示，主
11、变压器是最大个的那颗；中等“体型”的那颗常常负责+5VSB 输 出，而最小的那颗一般用于PWM 控制电路，主要用于隔绝一次侧和二次侧部分（这也是为何在上文图3 和图 4 中的变压器上贴着“隔绝器”的标签）。有些电源其实不把变压器当“隔绝器”来用，而是采用一颗或很多颗光耦（看起来像是IC 整合芯片），也即说采用这类设计方案的电源只有两个变压器主变压器和辅变压器。电源内部一般都有两个散热片，一个属于一次侧，另一个属于二次侧。 假如是一台主动式PFC 电源，那么它的在一次侧的散热片上，你能够看到开关 管、 PFC 晶体管以及二极管。这也不是绝对的，因为也有些厂商可能会选择将主动式 PFC 组件安装到
12、独立的散热片上， 此时在一次侧会有两个散热片。在二次侧的散热片上，你会发现有一些整流器，它们看起来和三极管有点像，但事实上，它们都是有两颗功率二极管组合而成的。在二次 的散 片旁 ，你 会看到好多 容和 感 圈，共同共同 成了低 波模 找到它 也就找到了二次 。划分一次 和二次 更 的方法就是跟着 源的 走。一般来 ，与 出 相 的常常是二次 ，而与 入 相 的是一次 （从市 接入的 入 ）。如 7 所示。划分一次 和二次 以上我 从宏 的角度大概介 了一下一台 源内部的各个模 。下边我 化一下，将 移到 源各个模 的元器件上来第 4 ：瞬 波 路分析市 接入PC 开关 源以后，第一 入瞬 波 路（Transient Filtering ），也就是我 常 的 EMI 路。下 8 描绘的是一台 PC 源的“介绍的”的瞬 波 路的 路 。瞬 波 路的
