開關(guān)電源工作原理超詳細(xì)解析

1、開關(guān)電源工作原理超詳細(xì)解析第1頁：前言：PC電源知多少個(gè)人PC所采用的電源都是基于一種名為“開關(guān)模式”的 技術(shù)，所以我們經(jīng)常會(huì)將個(gè)人PC電源稱之為一一開關(guān)電源（Switching Mode Power Supplies ,簡稱 SMPS）,它還有一 個(gè)綽號一一DC-DC轉(zhuǎn)化器。本次文章我們將會(huì)為您解讀開關(guān) 電源的工作模式和原理、開關(guān)電源內(nèi)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(guān)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(zhuǎn)為低壓電，比如說 12V,而且經(jīng) 過轉(zhuǎn)換后的低壓依然

2、是 AC交流電；然后再通過一系列的二 極管進(jìn)行矯正和整流，并將低壓AC交流電轉(zhuǎn)化為 脈動(dòng)電壓 （配圖1和2中的3"）下一步需要對脈動(dòng)電壓進(jìn)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(zhuǎn)換成DC直流電（配圖1和2中的4"，此時(shí)得到的低壓直流電依然不夠純凈，會(huì)有一定的波動(dòng)（這種電壓波動(dòng)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(jìn)行矯正。最 后，我們就可以得到純凈的低壓 DC直流電輸由了 （配圖1和2中的5"）配圖1:標(biāo)準(zhǔn)的線性電源設(shè)計(jì)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(shè)備供電，比如說無 繩電話、PlayStation/Wii/

3、Xbox 等游戲主機(jī)等等， 但是對于高 功耗設(shè)備而言，線性電源將會(huì)力不從心。對于線性電源而言，其內(nèi)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(shí)，線 性電源就需要越大的電容和變壓器，反之亦然。由于當(dāng)前一直采用的是60Hz （有些國家是50Hz）頻率的AC市電， 這是一個(gè)相對較低的頻率，所以其變壓器以及電容的個(gè)頭往 往都相對比較大。止匕外，AC市電的浪涌越大，線性電源的變壓器的個(gè)頭就越大。由此可見，對于個(gè)人 PC領(lǐng)域而言，制造一臺(tái)線性電源 將會(huì)是一件瘋狂的舉動(dòng)，因?yàn)樗捏w積將會(huì)非常大、重量也會(huì)非常的重。所以說個(gè)人 PC用戶并不適合用線性電源。開關(guān)電源知多少開關(guān)電源可

4、以通過高頻開關(guān)模式很好的解決這一問題。 對于高頻開關(guān)電源而言，AC輸入電壓可以在進(jìn)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(gè)頭就不用像線性電源那么的 大。這種高頻開關(guān)電源正是我們的個(gè)人PC以及像VCR錄像機(jī)這樣的設(shè) 備所需要的。需要說明的是，我們經(jīng)常所說的“開 關(guān)電源”其實(shí)是“高頻開關(guān)電源”的縮寫形式，和電源本身的關(guān) 閉和開啟式?jīng)]有任何關(guān)系的。事實(shí)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(fù)責(zé)控制開關(guān)管的電路，從電源的輸生獲得反饋信號，然后根據(jù) PC的 功耗來增加或者

5、降低某一周期內(nèi)的電壓的頻率以便能夠適 應(yīng)電源的變壓器（這個(gè)方法稱作 PWM , Pulse WidthModulation，脈沖寬度調(diào)制）。所以說，開關(guān)電源可以根據(jù)與 之相連的耗電設(shè)備的功耗的大小來自我調(diào)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(shè)計(jì)理念就是功率至上，即便負(fù)載 電路并不需要很大電流。這樣做的后果就是所有元件即使非 必要的時(shí)候也工作在滿負(fù)荷下，結(jié)果產(chǎn)生高很多的熱量。第2頁：看圖說話：圖解開關(guān)電源下圖3和4描述的是開關(guān)電源的 PWM反饋機(jī)制。圖3 描述的是沒有 PFC（Power Factor Correction ,功率因素校正）

6、電路的廉價(jià)電源，圖4描述的是采用主動(dòng)式 PFC設(shè)計(jì)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的對比我們可以看由兩者的不同之處： 一個(gè)具備主動(dòng)式PFC電路而另一個(gè)不具備，前者沒有 110/220 V轉(zhuǎn)換器，而且也沒有電壓倍壓電路。下文我們的 重點(diǎn)將會(huì)是主動(dòng)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?；镜膱D解，圖中并未包含其他額外的電路，比如說短路保護(hù)、待機(jī)電路以及PG信 號發(fā)生器等等。當(dāng)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(guān)系，因?yàn)檫@張圖本來就是為那些專業(yè)電源設(shè)計(jì) 人員看的。圖5:典型

7、的低端ATX電源設(shè)計(jì)圖（圖片可能不太清晰建議大 家拖生來看）你可能會(huì)問，圖5設(shè)計(jì)圖中為什么沒有電壓整流電路？ 事實(shí)上，PWM電路已經(jīng)肩負(fù)起了電壓整流的工作。輸入電 壓在經(jīng)過開關(guān)管之前將會(huì)再次校正，而且進(jìn)入變壓器的電壓已經(jīng)成為方形波。所以，變壓器輸由的波形也是方形波， 而不是正弦波。由于此時(shí)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(zhuǎn)換為 DC直流電壓。也就是說，當(dāng)電 壓被變壓器重新校正之后，輸由電壓已經(jīng)變成了DC直流電壓。這就是為什么很多時(shí)候開關(guān)電源經(jīng)常會(huì)被稱之為DC-DC轉(zhuǎn)換器。饋送PWM控制電路的回路負(fù)責(zé)所有需要的調(diào)節(jié)功能。 如果輸由電壓錯(cuò)誤時(shí)，PWM控制電路就會(huì)改變工作周期的 控

8、制信號以適應(yīng)變壓器，最終將輸由電壓校正過來。這種情況經(jīng)常會(huì)發(fā)生在 PC功耗升高的時(shí)，此時(shí)輸由電壓趨于下降， 或者PC功耗下降的時(shí)，此時(shí)輸由電壓趨于上升。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(cè)）, 在變壓器之后的所有電路及模塊稱為“ secondary”（二次側(cè)）；采用主動(dòng)式PFC設(shè)計(jì)的電源不具備110 V/ 220 V轉(zhuǎn)換器， 同時(shí)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(shè) 定為110 V時(shí)，電流在進(jìn)入整流橋之前，電源本身將會(huì)利用 電壓倍壓器將110 V提升至220 V左右；

9、PC電源上的開關(guān)管由一對功率MOSFET管構(gòu)成，當(dāng)然也有其他的組合方式，之后我們將會(huì)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(gè)小的變壓器與一次側(cè)隔離，而有時(shí)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(cè)隔離; PWM控制電路是根據(jù)電源的輸由負(fù)載情況來控制電源的開關(guān)管的閉合的。如果輸由電壓過高或者過低時(shí)，PWM控制電路將會(huì)改變電壓的波形以適應(yīng)開關(guān)管，從而達(dá)到校正 輸由電壓的目的；下一頁我們將通過圖片來研究電源的每一個(gè)模塊和電 路，通過實(shí)物圖形象的告訴你在電源中何處能找到它們。第

10、3頁：看圖說話：電源內(nèi)部揭秘當(dāng)你第一次打開一臺(tái)電源后（確保電源線沒有和市電連接，否則會(huì)被電到），你可能會(huì)被里面那些奇奇怪怪的元器 件搞得暈頭轉(zhuǎn)向，但是有兩樣?xùn)|西你肯定認(rèn)識：電源風(fēng)扇和 散熱片。開關(guān)電源內(nèi)部但是您應(yīng)該很容易就能分辨由電源內(nèi)部哪些元器件屬于一次側(cè)，哪些屬于二次側(cè)。一般來講，如果你看到一個(gè)（采 用主動(dòng)式PFC電路的電源）或者兩個(gè)（無 PFC電路的電源） 很大的濾波電容的話，那一側(cè)就是一次側(cè)。一般情況下，再電源的兩個(gè)散熱片之間都會(huì)安排3個(gè)變壓器，比如說圖7所示，主變壓器是最大個(gè)的那顆；中等“體型”的那顆往往負(fù)責(zé)+5VSB輸 出,而最小的那顆一般用于PWM控制電路，主要用于隔離一次側(cè)和二

11、次側(cè)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(biāo) 簽）。有些電源 并不把變壓器當(dāng)“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(shè)計(jì)方案的電源只有兩個(gè)變壓器一一主變壓器和輔變壓器。電源內(nèi)部一般都有兩個(gè)散熱片，一個(gè)屬于一次側(cè)，另一個(gè)屬于二次側(cè)。如果是一臺(tái)主動(dòng)式PFC電源，那么它的在一次側(cè)的散熱片上，你可以看到開關(guān) 管、PFC晶體管以及二極 管。這也不是絕對的，因?yàn)橐灿行S商可能會(huì)選擇將主動(dòng)式 PFC組件安裝到獨(dú)立的散熱片上，此時(shí)在一次側(cè)會(huì)有兩個(gè)散 熱片。在二次側(cè)的散熱片上，你會(huì)發(fā)現(xiàn)有一些整流器，它們看 起來和三極管有點(diǎn)像，但事實(shí)上，它們

12、都是有兩顆功率二極 管組合而成的。在二次側(cè)的散熱片旁邊，你還會(huì)看到很多電容和電感線 圈，共同共同組成了低壓濾波模塊一一找到它們也就找到了 二次側(cè)。區(qū)分一次側(cè)和二次側(cè)更簡單的方法就是跟著電源的線 走。一般來講，與輸由線相連的往往是二次側(cè)，而與輸入線 相連的是一次側(cè)(從市電接入的輸入線)。如圖7所示,區(qū)分一次側(cè)和二次側(cè)以上我們從宏觀的角度大致介紹了一下一臺(tái)電源內(nèi)部 的各個(gè)模塊。下面我們細(xì)化一下，將話題轉(zhuǎn)移到電源各個(gè)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(guān)電源之后，首先進(jìn)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(tái)P

13、C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(qiáng)調(diào)是“推薦的”的呢？因?yàn)槭忻嫔虾芏嚯娫矗?尤其是低端電源，往往會(huì)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(zhì)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(fù) 責(zé)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(huì)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?yàn)殡娫匆呀?jīng)

14、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(lán)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(gè)電容的中 點(diǎn)通過機(jī)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(guān)管產(chǎn)生的噪聲干擾到同在一根市電上的其他電 子設(shè)備。一起來看幾個(gè)實(shí)際的例子。如圖9所示，你能

15、看到一些奇怪之處嗎？這個(gè)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(biāo)記，瞬變?yōu)V波 電路本來應(yīng)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(shí)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(gè)鐵素體線圈; 不過這款電源配備了一個(gè)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(huì)被安置在一個(gè)獨(dú)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

16、上，如下圖11 和12所示。一級EMI配備了一個(gè)X電容和一個(gè)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(diǎn)奇怪，位于第二個(gè)鐵素體的 后面。總體而言，應(yīng)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(shí)上大部分 MOV都是深藍(lán)色的。止匕外，這款電源的瞬變?yōu)V波電路還配備了保險(xiǎn)管（圖 8 中F1所示）。需要注意了，如果你發(fā)現(xiàn)保險(xiǎn)管內(nèi)的保險(xiǎn)絲已 經(jīng)燒斷了，那么可以肯定的是，電源內(nèi)部的某個(gè)或者某些元 器件是存在缺陷的。如果此時(shí)更換保險(xiǎn)管的話是沒有用的，當(dāng)你開機(jī)之后很可能再次被燒斷。第5頁：倍

17、壓器和一次側(cè)整流電路倍壓器和一次側(cè)整流電路上文已經(jīng)說過，開關(guān)電源主要包括主動(dòng)式PFC電源和被動(dòng)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(nèi)部看到兩顆大號電容的話，那基本可 以判斷由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)。兩顆巨大的電解電容組成的 倍壓器拆下來看看在倍壓器的一側(cè)可以看到整流橋。整流橋可以是由4顆二極管組成，也可以是有單個(gè)元器件組成，如圖 15所示。高端電源的整流橋一般都會(huì)安置在專門的散熱片上。整流橋在一次側(cè)部分通常還會(huì)配備一個(gè)NTC熱敏電阻一一一種可

18、以根據(jù)溫度的變化改變電阻值的電阻器。NTC熱敏電阻是 Negative Temperature Coefficient 的縮寫形式。它的作用 主要是用來當(dāng)溫度很低或者很高時(shí)重新匹配供電，和陶瓷圓 盤電容比較相似，通常是橄欖色。第6頁：主動(dòng)式PFC電路主動(dòng)式PFC電路毫無疑問，這種電路僅可以在配有主動(dòng) PFC電路的電源 中才能看到。圖16描述的正是典型的 PFC電路：主動(dòng)式PFC 電路圖主動(dòng)式PFC電路通常使用兩個(gè)功率 MOSFET開關(guān)管。這 些開關(guān)管一般都會(huì)安置在一次側(cè)的散熱片上。為了易于理 解，我們用在字母標(biāo)記了每一顆MOSFET開關(guān)管：S表示源極（Source）、D表示漏極（Drain ）、G表示柵極（Gate）。PFC二極管是一顆功率二極管，通常采用的是和功率晶 體管類似的封裝技術(shù)，兩者長的很像，同樣被安置在一次側(cè) 的散熱片上，不