开关电源工作原理详细解析

开关电源工作原理详细解析内容摘要：

300~415V 左右，因而不需要倍压电路，电容是耐压值 400V 左右的规格。 】 开关电源工作原理详细解析 第 12 页 共 101 页 图 13： 两颗巨大的电解电容组成的倍压器 图 14： 拆下来看看 在倍压器的一侧可以看到整流桥。 整流桥可以是由 4 颗二极管组成，也可以是有单个元器件组成，如图 15 所示。 高 瓦数 电源的整流桥一般都会安置在专门的散热片上。 开关电源工作原理详细解析 第 13 页 共 101 页 图 15： 整流桥 在一次侧部分通常还会配备一个 NTC 热敏电阻 ——一种可以根据温度的变化改变电 阻值的电阻器。 NTC 热敏电阻是 Negative Temperature Coefficient 的缩写形式。 它的作用主要是用来当温度很低或者很高时重新匹配供电，和陶瓷圆盘电容比较相似，通常是橄榄色。 【 注： NTC 热敏电阻的工作原理如下。 在计算机冷启动时会产生一个很大的浪涌电流，可能烧毁电源和主机内部，而 NTC 热敏电阻具有负的温度系数，阻值对温度呈负指数关系，零功率下有一个较高的阻值而工作温度下阻值接近零。 因而在冷启动初始时 NTC 电阻串入电路可以将浪涌电流大部分抑制掉。 当计算机工作少许时间后， NTC 电阻温度上 升到工作区间，自身阻值下降到很低的数值可以忽略不计，不会对输出电流产生影响，可以避免过多功耗。 采用热敏电阻抑制浪涌的一个缺点是，当第一次通电时需要花一些时间让其电阻下降到工作阻值。 如果此时交流输入过小，调整也就无法形成足够的升温期。 再者，当关断电源后快速地重新接通时，热敏电阻还未完全冷却，将部分丧失浪涌抑制功能。 这也就是为何短暂地关掉又开启电源是有害操作的原因，除非有针对这种情况的专门设计。 电源的防浪涌电流设计还有其它几种方式。 串联普通电阻而非热敏电阻是小功率应用中的一种简单做法，但是在电流增大时显然导 通损耗会比较大。 对于大功率变换器可采用有源抑制电路，在启动之后使用双向三极晶闸管或继电器将抑制电阻旁路掉，对晶闸管或继电器的工作方式需要合适的电路来控制。 】  主动式 PFC【有源 PFC】 电路 毫无疑问，这种电路仅可以在配有主动 PFC 电路的 电源 中才能看到。 图 16 描述的正是典型的 PFC 电路： 开关电源工作原理详细解析 第 14 页 共 101 页 图 16： 主动式 PFC 电路图 主动式 PFC 电路通常使用两个功率 MOSFET开关管。 这些开关管一般都会安置在一次侧的散热片上。 为了易于理解，我们用在字母标记了每一颗 MOSFET 开关管： S 表示源极（ Source）、 D 表示漏极 （ Drain）、G 表示栅极（ Gate）。 PFC 二极管是一颗 功率二极管 ，通常采用的是和功率晶体管类似的封装技术，两者长的很像，同样被安置在一次侧的散热片上，不过 PFC 二极管只有两根针脚。 PFC 电路中的电感是电源中最大的 电感 ；一次侧的滤波电容是主动式 PFC 电源一次侧部分最大的电解电容 ； 图 16 中的电阻器是一颗 NTC 热敏电阻 ，可以更加温度的变化而改变电阻值，和二级 EMI 的 NTC热敏电阻起相同的作用。 【 PFC 输出电容 ：容量通常要比被动式的主电容要小很多】 主动式 PFC 控制电路通常基于一颗 IC 集成电路 ，有时候这种 集成电路 同时会负责控制 PWM 电路（用于控制开关管的闭合）。 这种 集成电路 通常被称为 ―PFC/PWM bo‖. 照旧，先看一些实例。 在图 17 中，我们将一次侧的散热片去除之后可以更好的看到元器件。 右 侧是瞬变滤波电路的二级 EMI 电路，上文已经详细介绍过； 左侧，全部都是主动式 PFC 电路的组件。 由于我们已经将散热片去除，所以在图片上已经看不到 PFC 晶体管以及 PFC 二极管了。 此外，稍加留意的话可以看到，在整流桥和主动式 PFC 电路之间有一个 X 电容（整流桥散热片底部的棕色元件）。 通常情况下，外形酷似陶制圆盘电容的橄榄 色热敏电阻都会 包着热缩管。 我们刚刚提到，这个电源当中能找到的最大个的线圈通常是有源 PFC 的线圈。 开关电源工作原理详细解析 第 15 页 共 101 页 图 17： 主动式 PFC 元器件 图 18 是一次侧散热片上的元件。 左边是 PFC 电路的一对功率 MOSFET 和功率二极管 ； 右侧还能看到这台电源的两个主开关管（这里是 MOSFET） ， 下面我们将重点介绍开关管 …… 图 18： 开关管、功率二极管 开关电源工作原理详细解析 第 16 页 共 101 页  开关 晶体 管 开关 电源 的开关逆变级可以有多种模式，我们总结了 下面最常见的 几种 模式 ： 模式 开关管数量 二极管数量 电容数量 变压器针脚 （原边） 单端正激 1 1 1 4 双管正激 2 2 0 2 半桥 2 0 2 2 全桥 4 0 0 2 推挽 2 0 0 3 当然了，我们只是分析某种模式下到底需要多少元器件，事实上当工程师们在考虑采用哪种模式时还会收到很多因素制约。 目前最流行的两种模式 是 双管正激（ twotransistor forward）和 半 桥式（ 原文是 pushpull）设计，两者均使用了两颗开 关 管。 这些被 安置在一次侧散热片上的开 关 管我们已经在上一页有所介绍，这里就不做过多赘述。 以下是这五种模式的设计图： 图 19： 单端正激（ Singletransistor forward configuration） 开关电源工作原理详细解析 第 17 页 共 101 页 图 20： 双管正激（ Twotransistor forward configuration） 图 21： 半桥（ Half bridge configuration） 开关电源工作原理详细解析 第 18 页 共 101 页 图 22： 全桥（ Full bridge configuration） 图 23： 推挽（ Pushpull configuration） 【 通常情况下单端反激式的用得比较多，而单端正激式的用得少。 单端正激式开关电源中通常用绕组复位，而也加 CD 来进行尖峰吸收。 至于为什么要用绕组复位 ，因为单端的开关电源绕组中的电流是脉冲，单向，而非双向的交流。 因此，正激式变压器开关电源的变压器的体积要比反激式变压器开关电源的变压器的体积大。 单端反激式的开关电源由于原边产生的磁通与副边产生的磁通方向正好相反，所以可以抵消。 但当原边截副边导通的时候原边会产生反射电压，为了防止反射电压的叠加引起开关管（ MOS 管）损坏，因为要加上钳位二极管。 单端正激式的开关电源由于原边与副边是同时导通和截止的，输出端要加一个电感器储存能量，输出这个电感量越大，折算到原边的电感量也大使原边电流越小。 在原边必须附加一个 去磁绕组加二极管进行去磁开关电源工作原理详细解析 第 19 页 共 101 页 复位，因为单端正激式开关电源的高频变压器磁通工作在磁滞回线的一侧必须要遵循磁通复位的原则。 如果不加去磁绕组，在变压器中储存的能量将导致开关管（ MOS 管）承受很高的电压幅值，并且在瞬态过程中高频变压器的漏感引起的关断电压尖峰值也会叠加在开关管上，这样很容易就将功率开关管击穿了。 所以必须加去磁绕组电路将原边的高压限制在允许范围内。 12V/15A开关电源如果不做 PFC最好用反激式，做起来简单，不用复位绕组，输出也无需加续流二极管。 而且输入电压范围可以很宽，如 60V300VAC 都可以正常工 作。 通 常做的开关电源，反激式一般做到 250W 以下， 250W 到 2500W 用半桥，再大就用全桥 【也有 说 100W内用反激 ,500W 内用正激 ,500W 以上用谐振 】。 正激管子耐压也要比反激的用得高，成本也会更高，还要加续流。 反激式可做小功率 , 成本低 , 调试相对简单些 , 所以在小功率电源中常用 . 原理 ： 就是一个通过储能再通过变比进行变压的，一个是直接通过变比进行变压的。 正激初级绕组同名端都是正极所以叫正激 ； 反激一个在正，一个在负所以叫反激。 输出 ： 正激须增加输出储能电感 , 且整流部分需增加续流二极管 ； 反激不 用增加输出储能电感 , 因为能量能储存在次级线圈中 ； 正激和反激最重要的区别是变压器初次级的相位是反相的 ； 正激与反激的工作最大区别是 ， 当开关管关 断时， 正激的输出主要靠储能电感和续流二级管来维持输出 ； 而反激的输出主要靠变压器次级释放能量来维持输出 （ 方波电压加到变压器的一次时，变压器的二次不输出电压 ） 正激电路是在初级电流的上升过程，次级的电流也跟着上升，这时的电路图同名端个相同。 反激电路的初级电流上升作为磁势储存在磁芯内部，当初级电流下降，所储存磁势通过次级二极管释放。 即初级有电时次级没有电。 初级没有电时次 级有电。 简单说：开关管与整流管同时开的是正激，因此变压器不需要存磁能，可以降低体积提高功率； 反之是反激，主绕组先保存磁能，在开关管关闭后通过整流管泄放磁能，因此变压器要大； 正激在电流不连续时会使输出电压不稳，因此不能空载工作； 主要就是变压器工作方式不同。 简单的说就是开关管打开的时候工作的是正激。 关断时工作的是反激。  【 半桥，全桥，反激，正激拓扑结构的区别和特点 】 单端正激式 开关电源工作原理详细解析 第 20 页 共 101 页 单端 ——通过一只开关器件单向驱动脉冲变压器； 正激 ——脉冲变压器的原 /付边相位关系，确保在开关管导通， 驱动脉冲变压器原边时，变压器付边同时对负载供电。 该电路的最大问题是：开关管 T 交替工作于通 /断两种状态，当开关管关断时，脉冲变压器处于 “空载 ”状态，其中储存的磁能将被积累到下一个周期，直至电感器饱和，使开关器件烧毁。 图中的 D3 与 N3 构成的磁通复位电路，提供了泄放多余磁能的渠道。 单端反激式 反激式电路与正激式电路相反，脉冲变压器的原 /付边相位关系，确保当开关管导通，驱动脉冲变压器原边时，变压器付边不对负载供电，即原 /付边交错通断。 脉冲变压器磁能被积累的问题容易解决，但是，由于变压器存在漏感，将 在原边形成电压尖峰，可能击穿开关器件，需要设置电压钳位电路予以保护D N3 构成的回路。 从电路原理图上看，反激式与正激式很相象，表面上只是变压器同名端的区别，但电路的工作方式不同， D N3 的作用也不同。 推挽（变压器中心抽头）式 这种电路结构的特点是：对称性结构，脉冲变压器原边是两个对称线圈，两只开关管接成对称关系，轮流通断，工作过程类似于线性放大电路中的乙类推挽功率放大器。 开关电源工作原理详细解析 第 21 页 共 101 页 主要优点：高频变压器磁芯利用率高（与单端电路相比）、电源电压利用率高（与后面要叙述的半桥电路相比）、输出功率大、 两管基极均为低电平，驱动电路简单。 主要缺点：变压器绕组利用率低、对开关管的耐压要求比较高（至少是电源电压的两倍）。 全桥式 这种电路结构的特点是：由四只相同的开关管接成电桥结构驱动脉冲变压器原边。 图中 T T4 为一对，由同一组信号驱动，同时导通 /关端； T T3 为另一对，由另一组信号驱动，同时导通 /关端。 两对开关管轮流通 /断，在变压器原边线圈中形成正 /负交变的脉冲电流。 主要优点：与推挽结构相比，原边绕组减少了一半，开关管耐压降低一半。 主要缺点：使用的开关管数量多，且要求参数一致 性好，驱动电路复杂，实现同步比较困难。 这种电路结构通常使用在 1KW 以上超大功率开关电源电路中。 半桥式 电路的结构类似于全桥式，只是把其中的两只开关管（ T T4）换成了两只等值大电容 C C2。 开关电源工作原理详细解析 第 22 页 共 101 页 主要优点：具有一定的抗不平衡能力，对电路对称性要求不很严格；适应的功率范围较大，从几十瓦到千瓦都可以；开关管耐压要求较低；电路成本比全桥电路低等。 这种电路常常被用于各种非稳压输出的 DC变换器，如电子荧光灯驱动电路中。  变压器和 PWM控制电路 先前我们已经提到，一 台 PC 电源 一般都会配备 3 个变压器：个 头最大的那颗是之前图 4 和图 1923上标示出来的主变压器，它的一次侧与开关管相连，二次侧与整流电路与滤波电路相连，可以提供电源的低压直流输出（ +12V， +5V， +， 12V， 5V）。 最小的那颗变压器负载 +5VSB 输出，通常也成为待机变压器，随时处于 ―待命状态 ‖，因为这部分输出始终是开启的，即便是 PC 电源处于关闭状态也是如此。 第三个变压器 是隔离 器，将 PWM 控制 信号耦合到 开关管 上。 并不是所有的电源都会装备这个变压器，因为有些电源往往会配备具备相同功能的光耦 集成电路。 图 24： 三 变压器 结构【 被动 式 PFC 常用】 开关电源工作原理详细解析 第 23 页 共 101 页 图 25： 这台电源采用的是光耦 集成电路 ，而不是变压器 【双。