开关电源工作原理详细解析网络版

2021-04-25 13:17:07本页面

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【正文】

开关电源工作原理详细解析 开关电源工作原理详细解析 1 l 线性电源知多少 1 l 开关电源知多少 3 l PC电源的内部 5 l 瞬变滤波电路 7 l 倍压器和一次侧整流电路 11 l 主动式PFC【有源PFC】电路 13 l 开关晶体管 16 l 【半桥,全桥,反激,正激拓扑结构的区别和特点】 19 l 变压器和PWM控制电路 22 l 二次侧 24 l 二次侧(续) 27 如何从电源内部用料看电源质量!!! 30 第一部分:用料篇,这里只介绍电源其中关键部分高压电容 30 第二部分:结构篇,这里介绍电源的PFC电路结构和拓扑结构。 32 常见的PFC,

主要有三种:被动式PFC,主动式PFC和交错式PFC。 36 电源拓扑结构:半桥与正激【参看第一篇P16】 42 第三部分:选购篇 61 第四部分:电源的PFC电路结构和拓扑结构对低压载波的影响。 63 第五部分:电源二次侧输出电容对输出波纹的影响。 64 第六部分:同步整流对电源的转换效率和发热的影响。 65 80PLUS金牌认证达90%高效率的游戏高手Ace1200W电源拆解 69 l 游戏高手Ace1200W电源拆解及电路分析 70 l 游戏高手ACE1200W效率测试 80 ENERMAXPlatimax1200W 83 PC电源入门与进阶,从磁放大技术谈电压稳定性 88 什么是“负载调整率”和“电压偏离率” 88 “单路磁放大”和“双路磁放大”的定义 89 “单路磁放大”和“双路磁放大”的区分 89 “单路磁放大”和“双路磁放大”的性能差异 91 DCDC输出技术介绍 95 开关电源工作原理详细解析 个人PC所采用的电源都是基于一种名为“开关模式”的技术。

所以我们经常会将个人PC电源称之为——开关电源(SwitchingModePowerSupplies,简称SMPS),它还有一个绰号——DCDC转化器。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。 l线性电源知多少 目前主要包括两种电源类型:线性电源(linear)和开关电源(switching)。 线性电源的工作原理是首先将127V或者220V市电通过变压器转为低压交流电,比如说12V;然后再通过一组二极管进行全桥整流,将低压AC交流电转化为脉动直流电压;下一步需要对脉动电压进行滤波,通过电容完成,将这个脉动直流波形滤成近似平滑的直流电。

此时得到的低压直流电依然不够纯净,会有一定的波动(这种电压波动就是我们常说的纹波),所以还需要一级电压调节提供稳定的输出,使用齐纳二极管或者集成稳压器电路。最后,我们就可以得到纯净的低压DC直流电输出了。 图1:标准的线性电源结构框图 图2:线性电源上各处的电压波形 尽管说线性电源非常适合为低功耗设备供电,比如说手机充电器、无绳电话、PlayStation/Wii/Xbox等游戏主机等等,但当需要更大功率时,线性电源的体会变得很大。 对于线性电源而言,其内部电容以及变压器的大小和AC市电的频率成反比:也即说如果输入市电的频率越低时,线性电源就需要越大的电容和变压器,反之亦然。由于当前一直采用的是60Hz(有些国家是50Hz)频率的AC市电。

这是一个相对较低的频率,所以其变压器以及电容的个头往往都相对比较大。此外,AC市电的浪涌越大,线性电源的变压器的个头就越大。 由此可见,对于个人PC领域而言,制造一台线性电源将会是一件疯狂的举动,因为它的体积将会非常大、重量也会非常的重。所以说个人PC用户并不适合用线性电源。 l开关电源知多少 开关电源可以通过高频开关模式很好的解决这一问题。对于高频开关电源而言,AC输入电压的频率在进入变压器之前就要被提升(升压前一般是5060KHz)。随着输入电压的升高,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。这种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

我们经常所说的“开关电源”其实是“高频开关电源”的缩写形式,和电源本身的关闭和开启式没有任何关系的。 事实上,终端用户的PC的电源采用的是一种更为优化的方案:闭合回路系统(closedloopsystem)——负责控制开关管的电路,从电源的输出获得反馈信号,然后根据PC的功耗来增加或者降低变压器初级电压的占空比(这个方法称作PWM,PulseWidthModulation,脉冲宽度调制)。所以说,开关电源可以根据与之相连的耗电设备的功耗的大小来自我调整,从而可以让变压器以及其他的元器件带走更少量的能量,而且降低发热量。 反观线性电源,它的设计理念就是功率至上,即便负载电路并不需要很大电流。

这样做的后果就是所有元件即便非必要的时候也工作在满负荷下,结果产生高很多的热量。 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(PowerFactorCorrection,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(或叫有源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 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110/220V转换器以及电压倍压电路。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 【一台典型的低端ATX电源供应器的原理图,半桥结构无PFC,控制方案采用典型的TL494芯片,配合LM393比较器、TL431C基准电压源等附加电路】 【注:现在TL494及其同型芯片是低端半桥开关电源上非常常见的一款控制方案,配合339电压比较器和431基准电压源等周边电路组成低端开关电源的方案非常成熟,可以上至最高500W。与TL494同型的芯片常见的还有KA7500系列以及集成了494+339+431功能的SG6105等集成型控制器。

我们后面会讨论。】 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DCDC转换器。 连接PWM控制电路的反馈环负责所有必需的调节功能。如果输出电压过高或过低,PWM控制电路就变换开关管控制信号的占空比以修正输出电压。这一情形典型地发生在PC功耗升高的时候。

此时输出电压有下降的趋势;或者PC功耗下降的时候,此时输出电压有上升的趋势。 在看下一页前,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设计的电源不需要110V/220V转换器,也没有倍压电路; ★对于没有PFC电路的电源而言,如果110V/220V输入电压被设定为110V,输入电压接入倍压器电路,使输入整流桥的交流电压保持在220V左右。 ★PC电源上的开关管由一对功率MOSFET管构成(或者BJT双极型晶体管)构成,实际上逆变级还有几种不同的组成方式。

之后我们将会详解; ★加在变压器一次侧的电压为方波,所以变压器二次侧输出的也是方波,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控制电路参考电源的输出电压来确定如何控制开关管的开关。如果输出电压有偏离,PWM控制电路改变驱动开关管的波形(改变占空比)来修正输出电压。 下一页我们将通过图片来研究电源的每一个模块和电路,通过实物图形象的告诉你在电源中何处能找到它们。 lPC电源的内部 当你第一次打开一台电源后(确保电源线没有和市电连接,否则会被电到)。

你可能会被里面那些奇奇怪怪的元器件搞得晕头转向,但是有两样东西你肯定认识:电源风扇和散热片。 图6:一台(低端)电源的内部 但是您应该很容易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,如果你看到一个(采用主动式PFC电路的电源)或者两个(无PFC电路的电源)很大的滤波电容的话,那一侧就是一次侧。 【注:关于输入端电解电容的配置方式有几种常见情况。 对于无PFC或无源PFC电源而言,由于需要倍压输入电路,一般使用两个200V左右的大电容串联的接法。对于有源PFC电源,由于不需要倍压输入电路,一般就使用一颗400V左右的电容。 但是对于有源PFC电源而言。

虽然不需要两颗电容组成倍压输入电路,也有可能使用两颗200V电容串联的方案,比如航嘉和Topower的一些电源(宽幅王二代之类),可能是基于与低端型号共用一套方案的考虑。】 一般情况下,在电源的两个散热片之间都会安排3个变压器,比如说图7所示,主开关变压器是最大个的那颗;中等“体型”的那颗【待机变压器】往往负责+5VSB输出【属于线性电源】;而最小的变压器(驱动变压器)用于PWM控制电路,用于隔离一次侧和二次侧部分(这也是为什么在上文图3和图4中的变压器上贴着“隔离器”的标签)。有些电源并不使用变压器作为“隔离器”,而是采用一颗或者多颗光耦(看起来像是IC整合芯片),也即说采用这种设计方案的电源只有两个变压器——主变压器和辅变压器。

【2个变压器+光耦】 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。如果是一台主动式PFC电源,那么它的在一次侧的散热片上,你可以看到开关管、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管,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。 在二次侧的散热片旁边,你还会看到很多电容和电感线圈,共同共同组成了低压滤波模块——找到它们也就找到了二次侧。 区分一次侧和二次侧更简单的方法就是跟着电源的线走。一般来讲,与输出线相连的往往是二次侧。

而与输入线相连的是一次侧(从市电接入的输入线)。如图7所示。 图7:区分一次侧和二次侧 以上我们从宏观的角度大致介绍了一下一台电源内部的各个模块。下面我们细化一下,将话题转移到电源各个模块的元器件上来…… l瞬变滤波电路 PC电源的第一级电路是瞬变滤波电路(TransientFiltering),也就是我们常说的EMI电路。下图8描述的是一台PC电源的“推荐的”的瞬变滤波电路的电路图。 图8:推荐的二级LC瞬变滤波电路 【注:瞬变滤波电路不仅能保护电源及设备不受市电突波的侵害,也能抑制开关电源产生的传导骚扰窜入市电。在交流输入端的这一组电路实际上是两级,一级负责交流滤波而一级负责抑制电压突波。

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