图解开关电源
eeskill 2022-08-09

开关模式电源(Switch Mode Power Supply,简称SMPS),又称交换式电源、开关变换器,是一种高频化电能转换装置,是电源供应器的一种。其功能是将一个位准的电压,透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。开关电源的输入多半是交流电源(例如市电)或是直流电源,而输出多半是需要直流电源的设备,例如个人电脑,而开关电源就进行两者之间电压及电流的转换。

开关电源不同于线性电源,开关电源利用的切换晶体管多半是在全开模式(饱和区)及全闭模式(截止区)之间切换,这两个模式都有低耗散的特点,切换之间的转换会有较高的耗散,但时间很短,因此比较节省能源,产生废热较少。理想上,开关电源本身是不会消耗电能的。电压稳压是透过调整晶体管导通及断路的时间来达到。相反的,线性电源在产生输出电压的过程中,晶体管工作在放大区,本身也会消耗电能。开关电源的高转换效率是其一大优点,而且因为开关电源工作频率高,可以使用小尺寸、轻重量的变压器,因此开关电源也会比线性电源的尺寸要小,重量也会比较轻。

若电源的高效率、体积及重量是考虑重点时,开关电源比线性电源要好。不过开关电源比较复杂,内部晶体管会频繁切换,若切换电流尚加以处理,可能会产生噪声及电磁干扰影响其他设备,而且若开关电源没有特别设计,其电源功率因数可能不高。

看图说话:图解开关电源

下图3和4描述的是开关电源的PWM反馈机制。图3描述的是没有PFC(Power Factor Correction,功率因素校正)电路的廉价电源,图4描述的是采用主动式PFC设计的中高端电源。

通过图3和图4的对比我们可以看出两者的不同之处:一个具备主动式PFC电路而另一个不具备,前者没有110/220 V转换器,而且也没有电压倍压电路。下文我们的重点将会是主动式PFC电源的讲解。

为了让读者能够更好的理解电源的工作原理,以上我们提供的是非常基本的图解,图中并未包含其他额外的电路,比如说短路保护、待机电路以及PG信号发生器等等。当然了,如果您还想了解一下更加详尽的图解,请看图5。如果看不懂也没关系,因为这张图本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

你可能会问,图5设计图中为什么没有电压整流电路?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之前将会再次校正,而且进入变压器的电压已经成为方形波。所以,变压器输出的波形也是方形波,而不是正弦波。由于此时波形已经是方形波,所以电压可以轻而易举的被变压器转换为DC直流电压。也就是说,当电压被变压器重新校正之后,输出电压已经变成了DC直流电压。这就是为什么很多时候开关电源经常会被称之为DC-DC转换器。

馈送PWM控制电路的回路负责所有需要的调节功能。如果输出电压错误时,PWM控制电路就会改变工作周期的控制信号以适应变压器,最终将输出电压校正过来。这种情况经常会发生在PC功耗升高的时,此时输出电压趋于下降,或者PC功耗下降的时,此时输出电压趋于上升。

在看下一页是,我们有必要了解一下以下信息:

★在变压器之前的所有电路及模块称为“primary”(一次侧),在变压器之后的所有电路及模块称为“secondary”(二次侧);

★采用主动式PFC设计的电源不具备110 V/ 220 V转换器,同时也没有电压倍压器;

★对于没有PFC电路的电源而言,如果110 V / 220 V被设定为110 V时,电流在进入整流桥之前,电源本身将会利用电压倍压器将110 V提升至220 V左右;

★PC电源上的开关管由一对功率MOSFET管构成,当然也有其他的组合方式,之后我们将会详解;

★变压器所需波形为方形波,所以通过变压器后的电压波形都是方形波,而非正弦波;

★PWM控制电流往往都是集成电路,通常是通过一个小的变压器与一次侧隔离,而有时候也可能是通过耦合芯片(一种很小的带有LED和光电晶体管的IC芯片)和一次侧隔离;

★PWM控制电路是根据电源的输出负载情况来控制电源的开关管的闭合的。如果输出电压过高或者过低时,PWM控制电路将会改变电压的波形以适应开关管,从而达到校★正输出电压的目的; 

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