幾種常見的開關(guān)電源的工作原理及電路圖詳解

開關(guān)電源簡(jiǎn)介

開關(guān)電源又稱交換式電源、開關(guān)變換器，是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置，是電源供應(yīng)器的一種。其功能是將一個(gè)位準(zhǔn)的電壓，透過不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為用戶端所需求的電壓或電流。

開關(guān)電源的基本組成

1主電路

沖擊電流限幅：限制接通電源瞬間輸入側(cè)的沖擊電流。

輸入濾波器：其作用是過濾電網(wǎng)存在的雜波及阻礙本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋回電網(wǎng)。

整流與濾波：將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電。

逆變：將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開關(guān)電源的核心部分。

輸出整流與濾波：根據(jù)負(fù)載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。

2控制電路

一方面從輸出端取樣，與設(shè)定值進(jìn)行比較，然后去控制逆變器，改變其脈寬或脈頻，使輸出穩(wěn)定，另一方面，根據(jù)測(cè)試電路提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)保護(hù)電路鑒別，提供控制電路對(duì)電源進(jìn)行各種保護(hù)措施。

3測(cè)電路

提供保護(hù)電路中正在運(yùn)行中各種參數(shù)和各種儀表數(shù)據(jù)。

4輔助電源

實(shí)現(xiàn)電源的軟件(遠(yuǎn)程)啟動(dòng)，為保護(hù)電路和控制電路(PWM等芯片)工作供電。

開關(guān)電源原理圖詳解

(一)開關(guān)式穩(wěn)壓電源的基本工作原理

開關(guān)式穩(wěn)壓電源接控制方式分為調(diào)寬式和調(diào)頻式兩種，在實(shí)際的應(yīng)用中，調(diào)寬式使用得較多，在目前開發(fā)和使用的開關(guān)電源集成電路中，絕大多數(shù)也為脈寬調(diào)制型(PWM)。因此下面就主要介紹調(diào)寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源。

調(diào)寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本原理可參見下圖。

圖1 調(diào)寬式示意圖

對(duì)于單極性矩形脈沖來(lái)說，其直流平均電壓 Uo 取決于矩形脈沖的寬度，脈沖越寬，其直流平均電壓值就越高。直流平均電壓U?？捎晒接?jì)算，即

Uo=Um×T1/T

式中 Um為矩形脈沖最大電壓值;T為矩形脈沖周期;T1為矩形脈沖寬度。從上式可以看出，當(dāng) Um與T不變時(shí)，直流平均電壓 Uo 將與脈沖寬度T1成正比。這樣，只要我們?cè)O(shè)法使脈沖寬度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄，就可以達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。

開關(guān)式穩(wěn)壓電源的原理電路-開關(guān)電源原理圖

1基本電路

圖2 開關(guān)電源基本電路框圖

交流電壓經(jīng)整流電路及濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動(dòng)成份的直流電壓，該電壓進(jìn)人高頻變換器被轉(zhuǎn)換成所需電壓值的方波，最后再將這個(gè)方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?/p>

控制電路為一脈沖寬度調(diào)制器，它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調(diào)制及基準(zhǔn)電壓等電路構(gòu)成。這部分電路目前已集成化，制成了各種開關(guān)電源用集成電路。控制電路用來(lái)調(diào)整高頻開關(guān)元件的開關(guān)時(shí)間比例，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

2開關(guān)電源原理圖-單端反激式開關(guān)電源

單端反激式開關(guān)電源的典型電路如圖三所示。電路中所謂的單端是指高頻變換器的磁芯僅工作在磁滯回線的一側(cè)。所謂的反激，是指當(dāng)開關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時(shí)，高頻變壓器T初級(jí)繞組的感應(yīng)電壓為上正下負(fù)，整流二極管 VD1 處于截止?fàn)顟B(tài)，在初級(jí)繞組中儲(chǔ)存能量。

當(dāng)開關(guān)管 VT1 截止時(shí)，變壓器T初級(jí)繞組中存儲(chǔ)的能量，通過次級(jí)繞組及 VD1 整流和電容C濾波后向負(fù)載輸出。

圖3 單端反激式開關(guān)電源

單端反激式開關(guān)電源是一種成本最低的電源電路，輸出功率為20 - 100W，可以同時(shí)輸出不同的電壓，且有較好的電壓調(diào)整率。唯一的缺點(diǎn)是輸出的紋波電壓較大，外特性差，適用于相對(duì)固定的負(fù)載。

單端反激式開關(guān)電源使用的開關(guān)管VT1承受的最大反向電壓是電路工作電壓值的兩倍，工作頻率在20 - 200kHz之間。

3開關(guān)電源原理圖-單端正激式開關(guān)電源

單端正激式開關(guān)電源的典型電路如圖四所示。這種電路在形式上與單端反激式電路相似，但工作情形不同。當(dāng)開關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時(shí)， VD2 也導(dǎo)通，這時(shí)電網(wǎng)向負(fù)載傳送能量，濾波電感L儲(chǔ)存能量;當(dāng)開關(guān)管 VT1 截止時(shí)，電感L通過續(xù)流二極管 VD3 繼續(xù)向負(fù)載釋放能量。

圖4 單端正激式開關(guān)電源

在電路中還設(shè)有鉗位線圈與二極管 VD2 ，它可以將開關(guān)管 VT1 的最高電壓限制在兩倍電源電壓之間。為滿足磁芯復(fù)位條件，即磁通建立和復(fù)位時(shí)間應(yīng)相等，所以電路中脈沖的占空比不能大于50%。由于這種電路在開關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時(shí)，通過變壓器向負(fù)載傳送能量，所以輸出功率范圍大，可輸出 50 - 200 W的功率。電路使用的變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積也較大，正因?yàn)檫@個(gè)原因，這種電路的實(shí)際應(yīng)用較少。

4開關(guān)電源原理圖-自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源

自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源的典型電路如圖五所示。這是一種利用間歇振蕩電路組成的開關(guān)電源，也是目前廣泛使用的基本電源之一。

圖5 自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源

當(dāng)接入電源后在 R1 給開關(guān)管 VT1 提供啟動(dòng)電流，使 VT1 開始導(dǎo)通，其集電極電流 Ic 在L1中線性增長(zhǎng)，在 L2 中感應(yīng)出使 VT1 基極為正，發(fā)射極為負(fù)的正反饋電壓，使 VT1 很快飽和。

與此同時(shí)，感應(yīng)電壓給C1充電，隨著C1充電電壓的增高， VT1基極電位逐漸變低，致使 VT1退出飽和區(qū)， Ic 開始減小，在 L2中感應(yīng)出使VT1基極為負(fù)、發(fā)射極為正的電壓，使 VT1迅速截止，這時(shí)二極管VD1導(dǎo)通，高頻變壓器T初級(jí)繞組中的儲(chǔ)能釋放給負(fù)載。在VT1截止時(shí)， L2中沒有感應(yīng)電壓，直流供電輸人電壓又經(jīng)R1給C1反向充電，逐漸提高VT1基極電位，使其重新導(dǎo)通，再次翻轉(zhuǎn)達(dá)到飽和狀態(tài)，電路就這樣重復(fù)振蕩下去。

這里就像單端反激式開關(guān)電源那樣，由變壓器T的次級(jí)繞組向負(fù)載輸出所需要的電壓。自激式開關(guān)電源中的開關(guān)管起著開關(guān)及振蕩的雙重作從，也省去了控制電路。電路中由于負(fù)載位于變壓器的次級(jí)且工作在反激狀態(tài)，具有輸人和輸出相互隔離的優(yōu)點(diǎn)。這種電路不僅適用于大功率電源，亦適用于小功率電源。

5開關(guān)電源原理圖-推挽式開關(guān)電源

推挽式開關(guān)電源的典型電路如圖六所示。它屬于雙端式變換電路，高頻變壓器的磁芯工作在磁滯回線的兩側(cè)。電路使用兩個(gè)開關(guān)管VT1和VT2 ，兩個(gè)開關(guān)管在外激勵(lì)方波信號(hào)的控制下交替的導(dǎo)通與截止，在變壓器T次級(jí)統(tǒng)組得到方波電壓，經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?/p>

圖6 推挽式開關(guān)電源

這種電路的優(yōu)點(diǎn)是兩個(gè)開關(guān)管容易驅(qū)動(dòng)，主要缺點(diǎn)是開關(guān)管的耐壓要達(dá)到兩倍電路峰值電壓。電路的輸出功率較大，一般在 100-500W范圍內(nèi)。

6開關(guān)電源原理圖-降壓式開關(guān)電源

降壓式開關(guān)電源的典型電路如圖七所示。當(dāng)開關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時(shí)，二極管 VD1 截止，輸人的整流電壓經(jīng) VT1 和 L 向C充電，這一電流使電感L中的儲(chǔ)能增加。當(dāng)開關(guān)管 VT1 截止時(shí)，電感L感應(yīng)出左負(fù)右正的電壓，經(jīng)負(fù)載 RL 和續(xù)流二極管 VD1 釋放電感L中存儲(chǔ)的能量，維持輸出直流電壓不變。電路輸出直流電壓的高低由加在 VT1 基極上的脈沖寬度確定。

圖7 降壓式開關(guān)電源

這種電路使用元件少，它同下面介紹的另外兩種電路一樣，只需要利用電感、電容和二極管即可實(shí)現(xiàn)。

7開關(guān)電源原理圖-升壓式開關(guān)電源

升壓式開關(guān)電源的穩(wěn)壓電路如圖八所示。當(dāng)開關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時(shí)，電感L儲(chǔ)存能量。當(dāng)開關(guān)管 VT1 截止時(shí)，電感L感應(yīng)出左負(fù)右正的電壓，該電壓疊加在輸人電壓上，經(jīng)二極管 VD1 向負(fù)載供電，使輸出電壓大于輸人電壓，形成升壓式開關(guān)電源。

圖8 升壓式開關(guān)電源

8開關(guān)電源原理圖-反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源

反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源的典型電路如圖九所示。這種電路又稱為升降壓式開關(guān)電源。無(wú)論開關(guān)管 VT1 之前的脈動(dòng)直流電壓高于或低于輸出端的穩(wěn)定電壓，電路均能正常工作。

圖9 反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源

當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí)，電感L儲(chǔ)存能量，二極管VD1截止，負(fù)載RL靠電容C上次的充電電荷供電。當(dāng)開關(guān)管VT1截止時(shí)，電感L中的電流繼續(xù)流通，并感應(yīng)出上負(fù)下正的電壓，經(jīng)二極管 VD1向負(fù)載供電，同時(shí)給電容C充電。

開關(guān)電源發(fā)展方向分析

開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關(guān)電源小型化，并使開關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)了開關(guān)電源的發(fā)展前進(jìn)，每年以超過兩位數(shù)字的增長(zhǎng)率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。

開關(guān)電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類，DC/DC變換器現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)模塊化，且設(shè)計(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國(guó)內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，并已得到用戶的認(rèn)可，但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進(jìn)程中，遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問題。

另外，開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。開關(guān)電源中應(yīng)用的電力電子器件主要為二極管、IGBT和MOSFET、變壓器。

審核編輯：湯梓紅

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