開關(guān)電源工作原理詳細(xì)解析

1、開關(guān)電源工作原理詳細(xì)解析個人PC所采用的電源都是基于一種名為一開關(guān)模式|的技術(shù)，所以 我們經(jīng)常會將個人PC電源稱之為一一開關(guān)電源（SwitchingModePowerSupplie,簡稱 SMPS）,它還有一個綽號 DC- DC轉(zhuǎn)化器。本次文章我們將會為您解讀開關(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 （witching） o線性電源的工作原理是首先將127V或者220V市電通過變 壓器轉(zhuǎn)為低壓電，比方說12V,而且經(jīng)過轉(zhuǎn)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(jìn)行矯正和整

2、流，并將低壓AC交流電轉(zhuǎn)化為 脈動電壓（配圖1和2中的一3 II ）；下一步需要對脈動電壓進(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中的一4 11）；此時得到的低壓直流電依然不夠純潔，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(jìn)行矯正。最后，我們就可以得到純潔的低壓DC直流電輸 出了（配圖1和2中的一5 II ）配圖L標(biāo)準(zhǔn)的線性電源設(shè)計(jì)圖第1頁共26頁配圖2：線性電源的波形對于線性電源而言，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，線性電源就需要越大的電容 和變壓

3、器，反之亦然。由于當(dāng)前一直采用的是60Hz （有些國家是50Hz）第14頁共26頁當(dāng)然了，我們只是分析某種模式下到底需要多少元器件，事實(shí)上當(dāng)工 程師們在考慮采用哪種模式時還會收到很多因素制約。第15頁共26頁以下是這五種模式的設(shè)計(jì)圖：單端正激(Single-tranitorforwardconfiguration)雙管正激 (Two-tranitorforwardconfiguration)第16頁共26頁半橋(Halfbridgeconfiguration)全橋 (Fullbridgeconfiguration)第17頁共26頁推挽 (Puh-pu 11 configuration)變壓器和

4、PWM控制電路先前我們已經(jīng)提到，一太PC電源一般都會配備3個變壓器：個頭最 大的那顆是之前圖3、4和圖19-23上標(biāo)示出來的主變壓器，它的一次側(cè) 與開關(guān)管相連，二次側(cè)與整流電路與濾波電路相連，可以提供電源的低壓 直流輸出(+12V, +5V, +3. 3V, -12V, -5V)。最小的那顆變壓器負(fù)載+5VSB輸出，通常也成為待機(jī)變壓器，隨時處 于一待命狀態(tài)II,因?yàn)檫@局部輸出始終是開啟的，即便是PC電源處于關(guān) 閉狀態(tài)也是如此。第三個變壓器室隔離器，將PWM控制電路和開關(guān)管相連。并不是所有 的電源都會裝備這個變壓器，因?yàn)橛行╇娫赐鶗鋫渚邆湎嗤δ艿墓?耦整合電路。第18頁共26頁變壓器這臺

5、電源采用的是光耦整合電路，而不是變壓器第19頁共26頁P(yáng)WM控制電路基于一塊整合電路。一般情況下，沒有裝備主動式PFC 的電源都會采用TL494整合電路（下列圖26中采用的是可兼容的DBL494整 合芯片）。具備主動式PFC電路的電源里，有時候也會采用一種用來取代 PWM芯片和PFC控制電路的芯片。CM6800芯片就是一個很好的例子，它可 以很好的集成PWM芯片和PFC控制電路的所有功能。PWM控制電路二次側(cè)最后要介紹的是二次側(cè)。在二次側(cè)局部，主變壓器的輸出將會被整流 和過濾，然后輸出PC所需要的電壓。-5V和-12V的整流是只需要有普通 的二極管就能完成，因?yàn)樗麄儾恍枰吖β屎痛箅娏?。不過+

6、3.3V,+5V以 及+12V等正壓的整流任務(wù)需要由大功率肖特基整流橋才行。這種肖特基 有三個針腳，外形和功率二極管比擬相似，但是它們的內(nèi)部集成了兩個大 功率二極管。二次側(cè)整流工作能否完成是由電源電路結(jié)構(gòu)決定，一般有可 能會有兩種整流電路結(jié)構(gòu)，如圖27所示：第20頁共26頁整流模式模式A更多的會被用于低端入門級電源中，這種模式需要從變壓器引 出三個針腳。模式B那么多用于高端電源中，這種模式一般只需要配備兩個 變壓器，但是鐵素體電感必須夠大才行，所以這種模式本錢較高，這也是 為什么低端電源不采用這種模式的主要原因。此外，對于高端電源而言，為了提升最大電流輸出能力，這些電源往 往會采用兩顆二極管串

7、聯(lián)的方式將整流電路的最大電流輸出提升一倍。無論是高端還是低端電源，其+12V和+5V的輸出都配備了完整的整流 電路和濾波電路，所以所有的電源至少都需要2組圖27所示的整流電路。對于3. 3V輸出而言，有三種選項(xiàng)可供選擇：在+5V輸出局部增加一個3. 3V的電壓穩(wěn)壓器，很多低端電源都是 采用的這種設(shè)計(jì)方案；為3. 3V輸出增加一個像圖27所示的完整的整流電路和濾波電路， 但是需要和5V整流電路共享一個變壓器。這是高端電源比擬普通的一種 設(shè)計(jì)方案。采用一個完整的獨(dú)立的3. 3V整流電路和濾波電路。這種方案非常 罕見，僅在少數(shù)發(fā)燒級頂級電源中才可能出現(xiàn)，比方說安耐美的銀河 lOOOWo由于3.3V輸

8、出通常是完全公用5V整流電路（常見于低端電源）或者 局部共用（常見于高端電源中），所以說3. 3V輸出往往會受到5V輸出的 限制。這就是為什么很多電源要在銘牌中著名一3. 3V和5V聯(lián)合輸出| o第21頁共26頁 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 頭往往都相比照擬大。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(lǐng)域而言，制造一臺線性電源將會是一件瘋 狂的舉動，因?yàn)樗捏w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(guān)電源知多少開關(guān)電源可以通過高頻開關(guān)模式很好的解決這一問題。對于高頻開關(guān) 電源而言，A

9、C輸入電壓可以在進(jìn)入變壓器之前升壓（升壓前一般是50- 60KHz） o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(guān)電源正是我們的個人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)常所說的一開關(guān)電 源II其實(shí)是一高頻開關(guān)電源II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。第2頁共26頁事實(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)（cloedloopytem）負(fù)責(zé)控制開關(guān)管的電路，從電源的輸出獲 得反應(yīng)信號，然后根據(jù)PC的功耗來增加或者降低某一周期內(nèi)的電壓的頻 率以便能夠適應(yīng)電源的變壓器（這個方法稱作

10、PWM, PuleWidthModulation,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便非必要的時候也工作在滿負(fù)荷 下，結(jié)果產(chǎn)生高很多的熱量。下列圖3和4描述的是開關(guān)電源的PWM反應(yīng)機(jī) 制。圖3描述的是沒有PFC（PowerFactorCorrection,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(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

11、通過圖3和圖4的比照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110/220V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，比方說短路保護(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。第3頁共26頁圖5：典型的低端AT某電源設(shè)計(jì)圖你可能會問，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

12、的工作。輸入電壓在經(jīng)過開關(guān)管之前將會再次 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(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(guān)電源經(jīng)常會被稱之為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(yīng)變壓器，最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

13、。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一primaiy | （一次側(cè)），在 變壓器之后的所有電路及模塊稱為一econdary II （二次側(cè)）；采用主動式PFC設(shè)計(jì)的電源不具備110V/220V轉(zhuǎn)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HOV/220V被設(shè)定為110V時, 電流在進(jìn)入整流橋之前，電源本身將會利用電壓倍壓器將U0V提升至 220V左右；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；第4頁共26頁P(yáng)W

14、M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(cè)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(cè)隔離；*PWM控制電路是根據(jù)電源的輸出負(fù) 載情況來控制電源的開關(guān)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(yīng)開關(guān)管，從而到達(dá)校止輸出電 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(shí)物圖 形象的告訴你在電源中何處能找到它們。當(dāng)你第一次翻開一臺電源后（確保電源線沒有和市電連接，否那么會被 電到），你可能會被里面那些奇奇怪怪的元器件搞得暈頭轉(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

15、關(guān)電源內(nèi)部但是您應(yīng)該很容易就能分辨出電源內(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（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(cè)就是一次側(cè)。第5頁共26頁電源內(nèi)部一般都有兩個散熱片，一個屬于一次側(cè)，另一個屬于二次側(cè)。 如果是一臺主動式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 會選擇將主動式PFC組件安裝到獨(dú)立的散熱片上，此時在一次側(cè)會有兩個 散熱片。在二次側(cè)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(diǎn)像，但事實(shí)上，它們都是有兩顆功率二極

16、管組合而成的。在二次側(cè)的散熱片旁邊，你還會看到很多電容和電感線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)。在二次側(cè)的散熱片旁邊，你還會看到很多電容和電感線共同共同區(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,與輸出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電源內(nèi)部的各個模塊。下 面我們細(xì)化一下，將話題轉(zhuǎn)移到電源各個模塊的元器件上來市電接入PC開關(guān)電源之后，首先進(jìn)入瞬變?yōu)V波電路 (TranientFiltering),也就是我們常說的EMI電路。下列圖8描述的是 一臺PC電

17、源的一推薦的II的瞬變?yōu)V波電路的電路圖。第6頁共26頁瞬變?yōu)V波電路的電路圖為什么要強(qiáng)調(diào)是一推薦的口的呢？因?yàn)槭忻嫔虾芏嚯娫?，尤其是低?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(zhì)的優(yōu)劣。EMI電路電路的主要部件是 MOV(MetalO某ideVaritor,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(urgeuppreor)。盡管如此，許多低端電源為了節(jié)省本錢往往會 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?yàn)殡娫匆呀?jīng)有了抑制

18、浪涌的功能。圖8中的LlandL2是鐵素體線圈；ClandC2為圓盤電容，通常是藍(lán)色 的，這些電容通常也叫一Y II電容；C3是金屬化聚酯電容，通常容量為 100nF. 470nF或680nF,也叫一某II電容；有些電源配備了兩顆某電容， 和市電并聯(lián)相接，如圖8RV1所示。某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(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。一起來看幾個實(shí)際的例子。如圖9所示，你能看到一些奇怪之處嗎？ 這個電

19、源居然沒有瞬變?yōu)V波電路！這是一款低廉的一山寨H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。第7頁共26頁這款低廉的一山寨II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，而且只有一個鐵素體線圈；不過這款電源配備了一個額外的某電容。第8頁共26頁低端電源的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(dú)立的PCB板上，靠近市電接口局部，二級EMI那么被安置在 電源的主PCB板上，如下

20、列圖11和12所示。第9頁共26頁一級EMI配備了一個某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(diǎn)奇怪，位于第二個鐵素體的后面?？傮w而言，應(yīng)該說這款 電源的EMI電路是非常完整的。第10頁共26頁完整的二級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 大局部MOV都是深藍(lán)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(nèi)的保險絲已經(jīng)燒斷了，那么可以肯定的 是，電源內(nèi)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(dāng)你開機(jī)之后很可能再次被燒斷。倍壓器和一次側(cè)整 流電路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 (voltagedoubler) o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1