開關(guān)電源基礎(chǔ)：工作原理和電路圖
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本文開關(guān)電源工作原理是開關(guān)電源工程師全力整理的原理分析，以豐富的開關(guān)電源案例分析，介紹單端正激式開關(guān)電源、自激式開關(guān)電源、推挽式開關(guān)電源、降壓式開關(guān)電源、升壓式開關(guān)電源和反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源。
隨著全球?qū)δ茉磫栴}的重視，電子產(chǎn)品的耗能問題將愈來(lái)愈突出，如何降低其待機(jī)功耗，提高供電效率成為一個(gè)急待解決的問題。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源雖然電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，但它存在著效率低(只有40%~50%)、體積大、銅鐵消耗量大，工作溫度高及調(diào)整范圍小等缺點(diǎn)。為了提高效率，人們研制出了開關(guān)式穩(wěn)壓電源，它的效率可達(dá)85%以上，穩(wěn)壓范圍寬，除此之外，還具有穩(wěn)壓精度高、不使用電源變壓器等特點(diǎn)，是一種較理想的穩(wěn)壓電源。正因?yàn)槿绱耍_關(guān)式穩(wěn)壓電源已廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，本文對(duì)各類開關(guān)電源的工作原理作一闡述。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。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，直流平均電壓為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。
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?/span>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?？刂齐娐酚脕?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。單端反激式開關(guān)電源的典型電路如下圖所示。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。
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。單端正激式開關(guān)電源的典型電路如下圖所示。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。
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50～200Ｗ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。自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源的典型電路如下圖所示。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。
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。推挽式開關(guān)電源的典型電路如下圖所示。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?/span>
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)。降壓式開關(guān)電源的典型電路如下圖所示。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。
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)。
升壓式開關(guān)電源的穩(wěn)壓電路如上圖所示。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。反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源的典型電路如下圖所示。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。
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。以上介紹了脈沖寬度調(diào)制式開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本工作原理和各種電路類型，在實(shí)際應(yīng)用中，會(huì)有各種各樣的實(shí)際控制電路，但無(wú)論怎樣，也都是在這些基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的。
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