開關電源工作原理

開關電源工作原理

第1頁：前言：PC電源知多少

個人PC所采用的電源都是基于一種名為“開關模式”的技術，所以我們經(jīng)常會將個人PC電源稱之為——開關電源（Switching Mode Power Supplies，簡稱SMPS），它還有一個綽號——DC-DC轉化器。本次文章我們將會為您解讀開關電源的工作模式和原理、開關電源內部的元器件的介紹以及這些元器件的功能。

●線性電源知多少

目前主要包括兩種電源類型：線性電源（linear）和開關電源（switching）。線性電源的工作原理是首先將127 V或者220 V市電通過變壓器轉為低壓電，比如說12V開關電源，而且經(jīng)過轉換后的低壓依然是AC交流電；然后再通過一系列的二極管進行矯正和整流，并將低壓AC交流電轉化為脈動電壓（配圖1和2中的“3”）；下一步需要對脈動電壓進行濾波，通過電容完成，然后將經(jīng)過濾波后的低壓交流電轉換成DC直流電（配圖1和2中的“4”）；此時得到的低壓直流電依然不夠純凈，會有一定的波動（這種電壓波動就是我們常說的紋波），所以還需要穩(wěn)壓二極管或者電壓整流電路進行矯正。后，我們就可以得到純凈的低壓DC直流電輸出了（配圖1和2中的“5”）

配圖1：標準的線性電源設計圖

配圖2：線性電源的波形

盡管說線性電源非常適合為低功耗設備供電，比如說無繩電話、PlayStation/Wii/Xbox等游戲主機等等，但是對于高功耗設備而言，線性電源將會力不從心。

對于線性電源而言，其內部電容以及變壓器的大小和AC市電的頻率成反比：也即說如果輸入市電的頻率越低時，線性電源就需要越大的電容和變壓器，反之亦然。由于當前一直采用的是60Hz（有些是50Hz）頻率的AC市電，這是一個相對較低的頻率，所以其變壓器以及電容的個頭往往都相對比較大。此外，AC市電的浪涌越大，線性電源的變壓器的個頭就越大。

由此可見，對于個人PC領域而言，制造一臺線性電源將會是一件瘋狂的舉動，因為它的體積將會非常大、重量也會非常的重。所以說個人PC用戶并不適合用線性電源。

●開關電源知多少

開關電源可以通過高頻開關模式很好的解決這一問題。對于高頻開關電源而言，AC輸入電壓可以在進入變壓器之前升壓（升壓前一般是50-60 KHz）。隨著輸入電壓的升高，變壓器以及電容等元器件的個頭就不用像線性電源那么的大。這種高頻開關電源正是我們的個人PC以及像VCR錄像機這樣的設備所需要的。需要說明的是，我們經(jīng)常所說的“開關電源”其實是“高頻開關電源”的縮寫形式，和電源本身的關閉和開啟式?jīng)]有任何關系的。

事實上，終端用戶的PC的電源采用的是一種更為優(yōu)化的方案：閉回路系統(tǒng)（closed loop system）——負責控制開關管的電路，從電源的輸出獲得反饋信號，然后根據(jù)PC的功耗來增加或者降低某一周期內的電壓的頻率以便能夠適應電源的變壓器（這個方法稱作PWM，Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制）。所以說，開關電源可以根據(jù)與之相連的耗電設備的功耗的大小來自我調整，從而可以讓變壓器以及其他的元器件帶走更少量的能量，而且降低發(fā)熱量。

反觀線性電源，它的設計理念就是功率至上，即便負載電路并不需要很大電流。這樣做的后果就是所有元件即便非必要的時候也工作在滿負荷下，結果產生高很多的熱量。

第2頁：看圖說話：圖解開關電源

下圖3和4描述的是開關電源的PWM反饋機制。圖3描述的是沒有PFC(Power Factor Correction，功率因素校正) 電路的廉價電源，圖4描述的是采用主動式PFC設計的中高端電源。

圖3：沒有PFC電路的電源

圖4：有PFC電路的電源

通過圖3和圖4的對比我們可以看出兩者的不同之處：一個具備主動式PFC電路而另一個不具備，前者沒有110/220 V轉換器，而且也沒有電壓倍壓電路。下文我們的重點將會是主動式PFC電源的講解。

為了讓讀者能夠更好的理解電源的工作原理，以上我們提供的是非常基本的圖解，圖中并未包含其他額外的電路，比如說短路保護、待機電路以及PG信號發(fā)生器等等。當然了，如果您還想了解一下更加詳盡的圖解，請看圖5。如果看不懂也沒關系，因為這張圖本來就是為那些專業(yè)電源設計人員看的。

圖5：典型的低端ATX電源設計圖

你可能會問，圖5設計圖中為什么沒有電壓整流電路？事實上，PWM電路已經(jīng)肩負起了電壓整流的工作。輸入電壓在經(jīng)過開關管之前將會再次校正，而且進入變壓器的電壓已經(jīng)成為方形波。所以，變壓器輸出的波形也是方形波，而不是正弦波。由于此時波形已經(jīng)是方形波，所以電壓可以輕而易舉的被變壓器轉換為DC直流電壓。也就是說，當電壓被變壓器重新校正之后，輸出電壓已經(jīng)變成了DC直流電壓。這就是為什么很多時候開關電源經(jīng)常會被稱之為DC-DC轉換器。

饋送PWM控制電路的回路負責所有需要的調節(jié)功能。如果輸出電壓錯誤時，PWM控制電路就會改變工作周期的控制信號以適應變壓器，終將輸出電壓校正過來。這種情況經(jīng)常會發(fā)生在PC功耗升高的時，此時輸出電壓趨于下降，或者PC功耗下降的時，此時輸出電壓趨于上升。

在看下一頁是，我們有必要了解一下以下信息：

★在變壓器之前的所有電路及模塊稱為“primary”（一次側），在變壓器之后的所有電路及模塊稱為“secondary”（二次側）；

★采用主動式PFC設計的電源不具備110 V/ 220 V轉換器，同時也沒有電壓倍壓器；

★對于沒有PFC電路的電源而言，如果110 V / 220 V被設定為110 V時，電流在進入整流橋之前，電源本身將會利用電壓倍壓器將110 V提升至220 V左右；

★PC電源上的開關管由一對功率MOSFET管構成，當然也有其他的組合方式，之后我們將會詳解；

★變壓器所需波形為方形波，所以通過變壓器后的電壓波形都是方形波，而非正弦波；

★PWM控制電流往往都是集成電路，通常是通過一個小的變壓器與一次側隔離，而有時候也可能是通過耦合芯片（一種很小的帶有LED和光電晶體管的IC芯片）和一次側隔離；

★PWM控制電路是根據(jù)電源的輸出負載情況來控制電源的開關管的閉合的。如果輸出電壓過高或者過低時，PWM控制電路將會改變電壓的波形以適應開關管，從而達到校★正輸出電壓的目的；

下一頁我們將通過圖片來研究電源的每一個模塊和電路，通過實物圖形象的告訴你在電源中何處能找到它們。

第3頁：看圖說話：電源內部揭秘

當你次打開一臺電源后（確保電源線沒有和市電連接，否則會被電到），你可能會被里面那些奇奇怪怪的元器件搞得暈頭轉向，但是有兩樣東西你肯定認識：電源風扇和散熱片。

開關電源內部

但是您應該很容易就能分辨出電源內部哪些元器件屬于一次側，哪些屬于二次側。一般來講，如果你看到一個（采用主動式PFC電路的電源）或者兩個（無PFC電路的電源）很大的濾波電容的話，那一側就是一次側。

一般情況下，再電源的兩個散熱片之間都會安排3個變壓器，比如說圖7所示，主變壓器是大個的那顆；中等“體型”的那顆往往負責+5VSB輸出，而小的那顆一般用于PWM控制電路，主要用于隔離一次側和二次側部分（這也是為什么在上文圖3和圖4中的變壓器上貼著“隔離器”的標簽）。有些電源并不把變壓器當“隔離器”來用，而是采用一顆或者多顆光耦（看起來像是IC整合芯片），也即說采用這種設計方案的電源只有兩個變壓器——主變壓器和輔變壓器。

電源內部一般都有兩個散熱片，一個屬于一次側，另一個屬于二次側。如果是一臺主動式PFC電源，那么它的在一次側的散熱片上，你可以看到開關管、PFC晶體管以及二極管。這也不是的，因為也有些廠商可能會選擇將主動式PFC組件安裝到獨立的散熱片上，此時在一次側會有兩個散熱片。

在二次側的散熱片上，你會發(fā)現(xiàn)有一些整流器，它們看起來和三極管有點像，但事實上，它們都是有兩顆功率二極管組合而成的。

在二次側的散熱片旁邊，你還會看到很多電容和電感線圈，共同共同組成了低壓濾波模塊——找到它們也就找到了二次側。

區(qū)分一次側和二次側更簡單的方法就是跟著電源的線走。一般來講，與輸出線相連的往往是二次側，而與輸入線相連的是一次側（從市電接入的輸入線）。如圖7所示。

區(qū)分一次側和二次側

以上我們從宏觀的角度大致介紹了一下一臺電源內部的各個模塊。下面我們細化一下，將話題轉移到電源各個模塊的元器件上來……

第4頁：瞬變?yōu)V波電路解析

市電接入PC開關電源之后，首入瞬變?yōu)V波電路（Transient Filtering），也就是我們常說的EMI電路。下圖8描述的是一臺PC電源的“推薦的”的瞬變?yōu)V波電路的電路圖。

瞬變?yōu)V波電路的電路圖

為什么要強調是“推薦的”的呢？因為市面上很多電源，尤其是低端電源，往往會省去圖8中的一些元器件。所以說通過檢查EMI電路是否有縮水就可以來判斷你的電源品質的優(yōu)劣。

EMI電路電路的主要部件是MOV (l Oxide Varistor，金屬氧化物壓敏電阻)，或者壓敏電阻（圖8中RV1所示），負責抑制市電瞬變中的尖峰。MOV元件同樣被用在浪涌抑制器上（surge suppressors）。盡管如此，許多低端電源為了節(jié)省成本往往會砍掉重要的MOV元件。對于配備MOV元件電源而言，有無浪涌抑制器已經(jīng)不重要了，因為電源已經(jīng)有了抑制浪涌的功能。

圖8中的L1 and L2是鐵素體線圈；C1 and C2為圓盤電容，通常是藍色的，這些電容通常也叫“Y”電容；C3是金屬化聚酯電容，通常容量為100nF、470nF或680nF，也叫“X”電容；有些電源配備了兩顆X電容，和市電并聯(lián)相接，如圖8 RV1所示。

X電容可以任何一種和市電并聯(lián)的電容；Y電容一般都是兩兩配對，需要串聯(lián)連接到火、零之間并將兩個電容的中點通過機箱接地。也就是說，它們是和市電并聯(lián)的。

瞬變?yōu)V波電路不僅可以起到給市電濾波的作用，而且可以阻止開關管產生的噪聲干擾到同在一根市電上的其他電子設備。

一起來看幾個實際的例子。如圖9所示，你能看到一些奇怪之處嗎？這個電源居然沒有瞬變?yōu)V波電路！這是一款低廉的“山寨”電源。請注意，看看電路板上的標記，瞬變?yōu)V波電路本來應該有才對，但是卻被喪失良知的黑心JS們帶到了市場里。

這款低廉的“山寨”電源沒有瞬變?yōu)V波電路

再看圖10實物所示，這是一款具備瞬變?yōu)V波電路的低端電源，但是正如我們看到的那樣，這款電源的瞬變?yōu)V波電路省去了重要的MOV壓敏電阻，而且只有一個鐵素體線圈；不過這款電源配備了一個額外的X電容。

低端電源的EMI電路

瞬變?yōu)V波電路分為一級EMI和二級EMI，很多電源的一級EMI往往會被安置在一個獨立的PCB板上，靠近市電接口部分，二級EMI則被安置在電源的主PCB板上，如下圖11和12所示。

一級EMI配備了一個X電容和一個鐵素體電感

再看這款電源的二級EMI。在這里我們能看到MOV壓敏電阻，盡管它的安置位置有點奇怪，位于第二個鐵素體的后面。總體而言，應該說這款電源的EMI電路是非常完整的。

完整的二級EMI

值得一提的是，以上這款電源的MOV壓敏電阻是黃色的，但是事實上大部分MOV都是深藍色的。

此外，這款電源的瞬變?yōu)V波電路還配備了保險管（圖8中F1所示）。需要注意了，如果你發(fā)現(xiàn)保險管內的保險絲已經(jīng)燒斷了，那么可以肯定的是，電源內部的某個或者某些元器件是存在缺陷的。如果此時更換保險管的話是沒有用的，當你開機之后很可能再次被燒斷。

第5頁：倍壓器和一次側整流電路

●倍壓器和一次側整流電路

上文已經(jīng)說過，開關電源主要包括主動式PFC電源和被動式PFC電源，后者沒有PFC電路，但是配備了倍壓器（voltage doubler）。倍壓器采用兩顆巨大的電解電容，也就是說，如果你在電源內部看到兩顆大號電容的話，那基本可以判斷出這就是電源的倍壓器。前面我們已經(jīng)提到，倍壓器只適合于127V電壓的地區(qū)。

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