圖解開關(guān)電源工作原理

★★★★★【文章導(dǎo)讀】：圖解開關(guān)電源工作原理具體內(nèi)容是：●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127v或者220v市電通過變壓器轉(zhuǎn)為低壓電，比如說12v，而且經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的低壓依然是ac交流電;然后再通過…

來源：日期：2013-11-18 21:53:48 人氣：標(biāo)簽：

●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。后，我們就可以得到純凈的低壓dc直流電輸出了(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/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。此外，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，從電源的輸出獲得反饋信號，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(gè)方法稱作pwm，pulse width modulation，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(shí)候也工作在滿負(fù)荷下，結(jié)果產(chǎn)生高很多的熱量。

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) 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的對比我們可以看出兩者的不同之處：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常基本的圖解，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：典型的低端atx電源設(shè)計(jì)圖

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，變壓器輸出的波形也是方形波，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，輸出電壓已經(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。如果輸出電壓錯(cuò)誤時(shí)，pwm控制電路就會(huì)改變工作周期的控制信號以適應(yīng)變壓器，終將輸出電壓校正過來。這種情況經(jīng)常會(huì)發(fā)生在pc功耗升高的時(shí)，此時(shí)輸出電壓趨于下降，或者pc功耗下降的時(shí)，此時(shí)輸出電壓趨于上升。

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;

★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l(wèi)ed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(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(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。