開關電源的組成與工作原理

2020-12-07 電子工程師小李

開關穩壓電源的組成

開關穩壓電源通常由電磁幹擾(EMI)濾波器、整流電路、濾波電路和DC/DC變換器電路組成。其典型結構如圖1-2-1所示。

圖1-2-1　開關穩壓電源的組成框圖

交流輸入電壓(通常是220V，50Hz)經過EMI濾波器進入整流電路。EMI濾波器用於減小開關電源的噪聲幹擾，阻止開關電源產生的噪聲傳輸到電網中，避免幹擾電網中的其他電器設備(例如通信設備)。

整流電路直接將交流輸入電壓整流，然後通過濾波電路產生較高的直流電壓(通常是300V左右)，稱為直流高壓。該直流電壓為DC/DC變換器的DC輸入電壓。

DC/DC變換器也稱功率變換電路，是開關電源的核心部分，通常由功率開關管、高頻變壓器和PWM控制器等組成。DC/DC變換器先將DC輸入電壓變為高頻交流電壓，施加到高頻變壓器的初級繞組。高頻變壓器次級繞組感應出的交流電壓再經過高頻整流與濾波電路，最終轉換為DC電壓輸出。因為變壓器的初級繞組和次級繞組相互絕緣，所以通過高頻變壓器實現了AC輸入和DC輸出之間的電氣隔離。

小貼示

DC/DC變換器是開關穩壓電源的核心電路。

開關穩壓電源的工作原理

開關穩壓電源的核心電路是DC/DC變換器，為了和線性穩壓電源對比，下面以降壓式DC/DC變換器為例，介紹開關穩壓電源的基本工作原理。降壓式DC/DC變換器的電路結構與等效電路如圖1-2-2所示。其中圖(a)為電路結構，圖(b)為等效電路。

圖1-2-2

圖中，VT被稱為功率開關管，其作用可等效為能夠高速動作的開關S。VD Z 為穩壓二極體，用於產生基準電壓(也稱參考電壓)U REF 。R 2 和R 3 被稱為取樣電阻，它們用來檢測輸出電壓U O ，並分壓產生反饋電壓U F 。EA為誤差放大器，它可將反饋電壓U F 與基準電壓U REF 進行比較放大，從而產生控制電壓U C 。其中，誤差放大器的工作原理與線性穩壓電源完全相同。VD為續流二極體，用於延續電感L中的電流。L為濾波電感，因為流過較大的負載電流，也稱功率電感。C為輸出濾波電容。R L 為負載電阻。

與線性穩壓電源不同的是，開關穩壓電源具有PWM控制器。PWM控制器將控制電壓U C 的變化轉換為控制信號佔空比D的變化，使功率開關管VT按照不同的佔空比導通與關斷，從而實現輸出電壓的改變。

DC/DC變換器的工作原理可以結合圖1-2-2(b)中的等效電路和圖1-2-3中波形的佔空比變化來解釋。當PWM控制器使功率開關管VT導通時，相當於開關S閉合。此時，輸入電壓U I 加到了濾波電感L左端，電壓U L =U I ；經過一段時間t ON (t ON 稱為導通時間)以後，PWM控制器使功率開關管VT關斷，相當於開關S斷開。此時，續流二極體VD導通，使濾波電感L左端電壓為0V，即U L =0V。經過一段時間t OFF (t OFF 稱為關斷時間)以後，PWM控制器再次使VT導通，進入下一個開關周期，並一直重複下去。

導通時間t ON 與關斷時間t OFF 之和為開關周期T，即T=t ON +t OFF 。通常開關周期T是固定不變的，當導通時間t ON 變長的時候，關斷時間t OFF 就相應的變短。導通時間t ON 與開關周期T的比值叫做佔空比，用D來表示，即D=t ON /T。

圖1-2-3中給出了3種不同佔空比時U L 點的電壓波形，其中圖(a)是D=0.25時的電壓波形，圖(b)和圖(c)分別是D=0.5和D=0.75時的電壓波形。由於電感L和電容C的濾波作用，U L 點的電壓波形經過LC濾波之後，將變為平滑的直流輸出電壓U O 。

圖1-2-3

輸出電壓U O 為輸入電壓U I 與佔空比D的乘積，即U O =U I ×D。改變佔空比D，就能改變導通時間t ON ，進而改變輸出電壓U O 。在相同的輸入電壓下，佔空比越大，對應的輸出電壓就越高。在DC/DC變換器中，PWM控制器就是用來改變佔空比D的。

在圖1-2-2所示的開關電源中，當電路檢測到U O 升高時，誤差放大器EA輸出電壓U C 將降低，通過PWM控制器使佔空比D下降，從而使輸出電壓U O 保持不變。

小貼示

PWM控制器是開關穩壓電源的控制核心。

與線性穩壓電源相比，開關電源的功率開關管VT等效為開關S而不是可變電阻R，當VT導通時，其壓降通常僅為1V左右，VT的導通損耗比線性穩壓電源小得多。線性電源調整管VT的功率損耗為輸入/輸出壓差與負載電流的乘積，即P D =(U I -U O )×I L ，通常(U I -U O )需要3V以上。開關電源功率開關管VT的導通損耗為P D =1×I L ，而與(U I -U O )的大小几乎無關。

例如在12V輸入，5V輸出的線性電源中，如果負載電流為1A，則電源調整管VT的功率損耗為P D =(12-5)×1=7W;如果是相同參數的開關電源，功率開關管VT的功率損耗僅為P D =1×1=1W，比線性電源損耗小得多，這就是開關電源能夠獲得高效率的根本原因。

當然，開關電源除了功率開關管VT的導通損耗以外，還有VT的開關損耗以及續流二極體VD的損耗等。儘管如此，開關電源的總體損耗也比線性電源小很多。

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