開關電源工作原理

./開關電源工作原理及電路圖本文開關電源工作原理是電子發(fā)燒友網開關電源工程師全力整理的原理分析,以豐富的開關電源案例分析,介紹單端正激式開關電源,自激式開關電源,推挽式開關電源、降壓式開關電源、升壓式開關電源和反轉式開關電源。隨著全球對能源問題的重視,電子產品的耗能問題將愈來愈突出,如何降低其待機功耗,提高供電效率成為一個急待解決的問題。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源雖然電路結構簡單、工作可靠,但它存在著效率低〔只有40%－50%、體積大、銅鐵消耗量大,工作溫度高及調整圍小等缺點。為了提高效率,人們研制出了開關式穩(wěn)壓電源,它的效率可達85%以上,穩(wěn)壓圍寬,除此之外,還具有穩(wěn)壓精度高、不使用電源變壓器等特點,是一種較理想的穩(wěn)壓電源。正因為如此,開關式穩(wěn)壓電源已廣泛應用于各種電子設備中,本文對各類開關電源的工作原理作一闡述。一、開關式穩(wěn)壓電源的基本工作原理開關式穩(wěn)壓電源接控制方式分為調寬式和調頻式兩種,在實際的應用中,調寬式使用得較多,在目前開發(fā)和使用的開關電源集成電路中,絕大多數也為脈寬調制型。因此下面就主要介紹調寬式開關穩(wěn)壓電源。調寬式開關穩(wěn)壓電源的基本原理可參見下圖。對于單極性矩形脈沖來說,其直流平均電壓Uo取決于矩形脈沖的寬度,脈沖越寬,其直流平均電壓值就越高。直流平均電壓Ｕ?？捎晒接嬎?即Uo=Um×T1/T式中Um為矩形脈沖最大電壓值；T為矩形脈沖周期；T1為矩形脈沖寬度。從上式可以看出,當Um與T不變時,直流平均電壓Uo將與脈沖寬度T1成正比。這樣,只要我們設法使脈沖寬度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄,就可以達到穩(wěn)定電壓的目的。二、開關式穩(wěn)壓電源的原理電路1、基本電路圖二開關電源基本電路框圖開關式穩(wěn)壓電源的基本電路框圖如圖二所示。交流電壓經整流電路及濾波電路整流濾波后,變成含有一定脈動成份的直流電壓,該電壓進人高頻變換器被轉換成所需電壓值的方波,最后再將這個方波電壓經整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷??？刂齐娐窞橐幻}沖寬度調制器,它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調制及基準電壓等電路構成。這部分電路目前已集成化,制成了各種開關電源用集成電路?？刂齐娐酚脕碚{整高頻開關元件的開關時間比例,以達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。２．單端反激式開關電源單端反激式開關電源的典型電路如圖三所示。電路中所謂的單端是指高頻變換器的磁芯僅工作在磁滯回線的一側。所謂的反激,是指當開關管VT1導通時,高頻變壓器Ｔ初級繞組的感應電壓為上正下負,整流二極管VD1處于截止狀態(tài),在初級繞組中儲存能量。當開關管VT1截止時,變壓器Ｔ初級繞組中存儲的能量,通過次級繞組及VD1整流和電容Ｃ濾波后向負載輸出。單端反激式開關電源是一種成本最低的電源電路,輸出功率為20－100Ｗ,可以同時輸出不同的電壓,且有較好的電壓調整率。唯一的缺點是輸出的紋波電壓較大,外特性差,適用于相對固定的負載。單端反激式開關電源使用的開關管VT1承受的最大反向電壓是電路工作電壓值的兩倍,工作頻率在20－200kHz之間。３．單端正激式開關電源單端正激式開關電源的典型電路如圖四所示。這種電路在形式上與單端反激式電路相似,但工作情形不同。當開關管VT1導通時,VD2也導通,這時電網向負載傳送能量,濾波電感Ｌ儲存能量；當開關管VT1截止時,電感Ｌ通過續(xù)流二極管VD3繼續(xù)向負載釋放能量。在電路中還設有鉗位線圈與二極管VD2,它可以將開關管VT1的最高電壓限制在兩倍電源電壓之間。為滿足磁芯復位條件,即磁通建立和復位時間應相等,所以電路中脈沖的占空比不能大于５０％。由于這種電路在開關管VT1導通時,通過變壓器向負載傳送能量,所以輸出功率圍大,可輸出50－200Ｗ的功率。電路使用的變壓器結構復雜,體積也較大,正因為這個原因,這種電路的實際應用較少。４．自激式開關穩(wěn)壓電源自激式開關穩(wěn)壓電源的典型電路如圖五所示。這是一種利用間歇振蕩電路組成的開關電源,也是目前廣泛使用的基本電源之一。當接入電源后在R1給開關管VT1提供啟動電流,使VT1開始導通,其集電極電流Ic在L1中線性增長,在L2中感應出使VT1基極為正,發(fā)射極為負的正反饋電壓,使VT1很快飽和。與此同時,感應電壓給C1充電,隨著C1充電電壓的增高,VT1基極電位逐漸變低,致使VT1退出飽和區(qū),Ic開始減小,在L2中感應出使VT1基極為負、發(fā)射極為正的電壓,使VT1迅速截止,這時二極管VD1導通,高頻變壓器Ｔ初級繞組中的儲能釋放給負載。在VT1截止時,L2中沒有感應電壓,直流供電輸人電壓又經R1給C1反向充電,逐漸提高VT1基極電位,使其重新導通,再次翻轉達到飽和狀態(tài),電路就這樣重復振蕩下去。這里就像單端反激式開關電源那樣,由變壓器Ｔ的次級繞組向負載輸出所需要的電壓。自激式開關電源中的開關管起著開關及振蕩的雙重作從,也省去了控制電路。電路中由于負載位于變壓器的次級且工作在反激狀態(tài),具有輸人和輸出相互隔離的優(yōu)點。這種電路不僅適用于大功率電源,亦適用于小功率電源。５．推挽式開關電源推挽式開關電源的典型電路如圖六所示。它屬于雙端式變換電路,高頻變壓器的磁芯工作在磁滯回線的兩側。電路使用兩個開關管VT1和VT2,兩個開關管在外激勵方波信號的控制下交替的導通與截止,在變壓器Ｔ次級統(tǒng)組得到方波電壓,經整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷?。這種電路的優(yōu)點是兩個開關管容易驅動,主要缺點是開關管的耐壓要達到兩倍電路峰值電壓。電路的輸出功率較大,一般在100-500Ｗ圍。６．降壓式開關電源降壓式開關電源的典型電路如圖七所示。當開關管VT1導通時,二極管VD1截止,輸人的整流電壓經VT1和L向Ｃ充電,這一電流使電感Ｌ中的儲能增加。當開關管VT1截止時,電感Ｌ感應出左負右正的電壓,經負載RL和續(xù)流二極管VD1釋放電感Ｌ中存儲的能量,維持輸出直流電壓不變。電路輸出直流電壓的高低由加在VT1基極上的脈沖寬度確定。這種電路使用元件少,它同下面介紹的另外兩種電路一樣,只需要利用電感、電容和二極管即可實現(xiàn)。７．升壓式開關電源升壓式開關電源的穩(wěn)壓電路如圖八所示。當開關管VT1導通時,電感Ｌ儲存能量。當開關管VT1截止時,電感Ｌ感應出左負右正的電壓,該電壓疊加在輸人電壓上,經二極管VD1向負載供電,使輸出電壓大于輸人電壓,形成升壓式開關電源。８．反轉式開關電源反轉式開關電源的典型電路如圖九所示。這種電路又稱為升降壓式開關電源。無論開關管VT1之前的脈動直流電壓高于或低于輸出端的穩(wěn)定電壓,電路均能正常工作。當開關管VT1導通時,電感L儲存能量,二極管VD1截止,負載RL靠電容C上次的充電電荷供電。當開關管VT1截止時,電感Ｌ中的電流繼續(xù)流通,并感應出上負下正的電壓,經二極管VD1向負載供電,同時給電容Ｃ充電。以上介紹了脈沖寬度調制式開關穩(wěn)壓電源的基本工作原理和各種電路類型,在實際應用中,會有各種各樣的實際控制電路,但無論怎樣,也都是在這些基礎上發(fā)展出來的。本文開關電源工作原理是電子發(fā)燒友網開關電源工程師全力整理的原理分析,以豐富的開關電源案例分析,介紹單端正激式開關電源,自激式開關電源,推挽式開關電源、降壓式開關電源、升壓式開關電源和反轉式開關電源。隨著全球對能源問題的重視,電子產品的耗能問題將愈來愈突出,如何降低其待機功耗,提高供電效率成為一個急待解決的問題。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源雖然電路結構簡單、工作可靠,但它存在著效率低〔只有40%－50%、體積大、銅鐵消耗量大,工作溫度高及調整圍小等缺點。為了提高效率,人們研制出了開關式穩(wěn)壓電源,它的效率可達85%以上,穩(wěn)壓圍寬,除此之外,還具有穩(wěn)壓精度高、不使用電源變壓器等特點,是一種較理想的穩(wěn)壓電源。正因為如此,開關式穩(wěn)壓電源已廣泛應用于各種電子設備中,本文對各類開關電源的工作原理作一闡述。一、開關式穩(wěn)壓電源的基本工作原理開關式穩(wěn)壓電源接控制方式分為調寬式和調頻式兩種,在實際的應用中,調寬式使用得較多,在目前開發(fā)和使用的開關電源集成電路中,絕大多數也為脈寬調制型。因此下面就主要介紹調寬式開關穩(wěn)壓電源。調寬式開關穩(wěn)壓電源的基本原理可參見下圖。對于單極性矩形脈沖來說,其直流平均電壓Uo取決于矩形脈沖的寬度,脈沖越寬,其直流平均電壓值就越高。直流平均電壓Ｕ?？捎晒接嬎?即Uo=Um×T1/T式中Um為矩形脈沖最大電壓值；T為矩形脈沖周期；T1為矩形脈沖寬度。從上式可以看出,當Um與T不變時,直流平均電壓Uo將與脈沖寬度T1成正比。這樣,只要我們設法使脈沖寬度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄,就可以達到穩(wěn)定電壓的目的。二、開關式穩(wěn)壓電源的原理電路1、基本電路圖二開關電源基本電路框圖開關式穩(wěn)壓電源的基本電路框圖如圖二所示。交流電壓經整流電路及濾波電路整流濾波后,變成含有一定脈動成份的直流電壓,該電壓進人高頻變換器被轉換成所需電壓值的方波,最后再將這個方波電壓經整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷??？刂齐娐窞橐幻}沖寬度調制器,它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調制及基準電壓等電路構成。這部分電路目前已集成化,制成了各種開關電源用集成電路?？刂齐娐酚脕碚{整高頻開關元件的開關時間比例,以達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。２．單端反激式開關電源單端反激式開關電源的典型電路如圖三所示。電路中所謂的單端是指高頻變換器的磁芯僅工作在磁滯回線的一側。所謂的反激,是指當開關管VT1導通時,高頻變壓器Ｔ初級繞組的感應電壓為上正下負,整流二極管VD1處于截止狀態(tài),在初級繞組中儲存能量。當開關管VT1截止時,變壓器Ｔ初級繞組中存儲的能量,通過次級繞組及VD1整流和電容Ｃ濾波后向負載輸出。單端反激式開關電源是一種成本最低的電源電路,輸出功率為20－100Ｗ,可以同時輸出不同的電壓,且有較好的電壓調整率。唯一的缺點是輸出的紋波電壓較大,外特性差,適用于相對固定的負載。單端反激式開關電源使用的開關管VT1承受的最大反向電壓是電路工作電壓值的兩倍,工作頻率在20－200kHz之間。３．單端正激式開關電源單端正激式開關電源的典型電路如圖四所示。這種電路在形式上與單端反激式電路相似,但工作情形不同。當開關管VT1導通時,VD2也導通,這時電網向負載傳送能量,濾波電感Ｌ儲存能量；當開關管VT1截止時,電感Ｌ通過續(xù)流二極管VD3繼續(xù)向負載釋放能量。在電路中還設有鉗位線圈與二極管VD2,它可以將開關管VT1的最高電壓限制在兩倍電源電壓之間。為滿足磁芯復位條件,即磁通建立和復位時間應相等,所以電路中脈沖的占空比不能大于５０％。由于這種電路在開關管VT1導通時,通過變壓器向負載傳送能量,所以輸出功率圍大,可輸出50－200Ｗ的功率。電路使用的變壓器結構復雜,體積也較大,正因為這個原因,這種電路的實際應用較少。４．自激式開關穩(wěn)壓電源自激式開關穩(wěn)壓電源的典型電路如圖五所示。這是一種利用間歇振蕩電路組成的開關電源,也是目前廣泛使用的基本電源之一。當接入電源后在R1給開關管VT1提供啟動電流,使VT1開始導通,其集電極電流Ic在L1中線性增長,在L2中感應出使VT1基極為正,發(fā)射極為負的正反饋電壓,使VT1很快飽和。與此同時,感應電壓給C1充電,隨著C1充電電壓的增高,VT1基極電位逐漸變低,致使VT1退出飽和區(qū),Ic開始減小,在L2中感應出使VT1基極為負、發(fā)射極為正的電壓,使VT1迅速截止,這時二極管VD1導通,高頻變壓器Ｔ初級繞組中的儲能釋放給負載。在VT1截止時,L2中沒有感應電壓,直流供電輸人電壓又經R1給C1反向充電,逐漸提高VT1基極電位,使其重新導通,再次翻轉達到飽和狀態(tài),電路就這樣重復振蕩下去。這里就像單端反激式開關電源那樣,由變壓器Ｔ的次級繞組向負載輸出所需要的電壓。自激式開關電源中的開關管起著開關及振蕩的雙重作從,也省去了控制電路。電路中由于負載位于變壓器的次級且工作在反激狀態(tài),具有輸人和輸出相互隔離的優(yōu)點。這種電路不僅適用于大功率電源,亦適用于小功率電源。５．推挽式開關電源推挽式開關電源的典型電路如圖六所示。它屬于雙端式變換電路,高頻變壓器的磁芯工作在磁滯回線的兩側。電路使用兩個開關管VT1和VT2,兩個開關管在外激勵方波信號的控制下交替的導通與截止,在變壓器Ｔ次級統(tǒng)組得到方波電壓,經整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸＿@種電路的優(yōu)點是兩個開關管容易驅動,主要缺點是開關管的耐壓要達到兩倍電路峰值電壓。電路的輸出功率較大,一般在100-500Ｗ圍。６．降壓式開關電源降壓式開關電源的典型電路如圖七所示。當開關管VT1導通時,二極管VD1截止,輸人的整流電壓經VT1和L向Ｃ充電,這一電流使電感Ｌ中的儲能增加。當開關管VT1截止時,電感Ｌ感應出左負右正的電壓,經負載RL和續(xù)流二極管VD1釋放電感Ｌ中存儲的能量,維持輸出直流電壓不變。電路輸出直流電壓的高低由加在VT1基極上的脈沖寬度確定。這種電路使用元件少,它同下面介紹的另外兩種電路一樣,只需要利用電感、電容和二極管即可實現(xiàn)。７．升壓式開關電源升壓式開關電源的穩(wěn)壓電路如圖八所示。當開關管VT1導通時,電感Ｌ儲存能量。當開關管VT1截止時,電感Ｌ感應出左負右正的電壓,該電壓疊加在輸人電壓上,經二極管VD1向負載供電,使輸