【導(dǎo)讀】開關(guān)電源一直都是一個(gè)熱點(diǎn)，大家都忙于開關(guān)電源的相關(guān)設(shè)計(jì)，但是基礎(chǔ)打好是設(shè)計(jì)的前提。本文主要講解開關(guān)電源的原理和對各部分電路的詳解，為研發(fā)的同學(xué)們鋪好路。
一、開關(guān)電源的電路組成
開關(guān)電源的主要電路是由輸入電磁干擾濾波器（EMI）、整流濾波電路、功率變換電路、PWM 控制器電路、輸出整流濾波電路組成。輔助電路有輸入過欠壓保護(hù)電路、輸出過欠壓保護(hù)電路、輸出過流保護(hù)電路、輸出短路保護(hù)電路等。
開關(guān)電源的電路組成方框圖如下：
二、輸入電路的原理及常見電路
1、AC 輸入整流濾波電路原理：
① 防雷電路：當(dāng)有雷擊，產(chǎn)生高壓經(jīng)電網(wǎng)導(dǎo)入電源時(shí)，由MOV1、MOV2、MOV3：F1、F2、F3、FDG1 組成的電路進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)加在壓敏電阻兩端的電壓超過其工作電壓時(shí)，其阻值降低，使高壓能量消耗在壓敏電阻上，若電流過大，F(xiàn)1、F2、F3 會燒毀保護(hù)后級電路。
② 輸入濾波電路：C1、L1、C2、C3 組成的雙π型濾波網(wǎng)絡(luò)主要是對輸入電源的電磁噪聲及雜波信號進(jìn)行抑制，防止對電源干擾，同時(shí)也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對電網(wǎng)干擾。當(dāng)電源開啟瞬間，要對C5 充電，由于瞬間電流大，加RT1（熱敏電阻）就能有效的防止浪涌電流。因瞬時(shí)能量全消耗在RT1 電阻上，一定時(shí)間后溫度升高后RT1 阻值減小（RT1 是負(fù)溫系數(shù)元件），這時(shí)它消耗的能量非常小，后級電路可正常工作。
③ 整流濾波電路：交流電壓經(jīng)BRG1 整流后，經(jīng)C5 濾波后得到較為純凈的直流電壓。若C5 容量變小，輸出的交流紋波將增大。
2、DC 輸入濾波電路原理：
① 輸入濾波電路：C1、L1、C2 組成的雙π型濾波網(wǎng)絡(luò)主要是對輸入電源的電磁噪聲及雜波信號進(jìn)行抑制，防止對電源干擾，同時(shí)也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對電網(wǎng)干擾。C3C4 為安規(guī)電容，L2、L3 為差模電感。
② R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7 組成抗浪涌電路。在起機(jī)的瞬間，由于C6 的存在Q2 不導(dǎo)通，電流經(jīng)RT1 構(gòu)成回路。當(dāng)C6 上的電壓充至Z1 的穩(wěn)壓值時(shí)Q2 導(dǎo)通。如果C8 漏電或后級電路短路現(xiàn)象，在起機(jī)的瞬間電流在RT1 上產(chǎn)生的壓降增大，Q1 導(dǎo)通使Q2 沒有柵極電壓不導(dǎo)通，RT1 將會在很短的時(shí)間燒毀，以保護(hù)后級電路。
三、功率變換電路
1、MOS 管的工作原理：目前應(yīng)用最廣泛的絕緣柵場效應(yīng)管是MOSFET（MOS 管），是利用半導(dǎo)體表面的電聲效應(yīng)進(jìn)行工作的。也稱為表面場效應(yīng)器件。由于它的柵極處于不導(dǎo)電狀態(tài)，所以輸入電阻可以大大提高，最高可達(dá)105 歐姆，MOS 管是利用柵源電壓的大小，來改變半導(dǎo)體表面感生電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。
2、常見的原理圖：
3、工作原理：
R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2 組成緩沖器，和開關(guān)MOS 管并接，使開關(guān)管電壓應(yīng)力減少，EMI 減少，不發(fā)生二次擊穿。在開關(guān)管Q1 關(guān)斷時(shí)，變壓器的原邊線圈易產(chǎn)生尖峰電壓和尖峰電流，這些元件組合一起，能很好地吸收尖峰電壓和電流。從R3 測得的電流峰值信號參與當(dāng)前工作周波的占空比控制，因此是當(dāng)前工作周波的電流限制。當(dāng)R5 上的電壓達(dá)到1V 時(shí)，UC3842 停止工作，開關(guān)管Q1 立即關(guān)斷。R1 和Q1 中的結(jié)電容CGS、CGD一起組成RC 網(wǎng)絡(luò)，電容的充放電直接影響著開關(guān)管的開關(guān)速度。R1 過小，易引起振蕩，電磁干擾也會很大；R1 過大，會降低開關(guān)管的開關(guān)速度。Z1 通常將MOS 管的GS 電壓限制在18V 以下，從而保護(hù)了MOS 管。Q1的柵極受控電壓為鋸形波，當(dāng)其占空比越大時(shí)，Q1 導(dǎo)通時(shí)間越長，變壓器所儲存的能量也就越多；當(dāng)Q1 截止時(shí)，變壓器通過D1、D2、R5、R4、C3 釋放能量，同時(shí)也達(dá)到了磁場復(fù)位的目的，為變壓器的下一次存儲、傳遞能量做好了準(zhǔn)備。IC 根據(jù)輸出電壓和電流時(shí)刻調(diào)整著⑥腳鋸形波占空比的大小，從而穩(wěn)定了整機(jī)的輸出電流和電壓。C4和R6 為尖峰電壓吸收回路。
4、推挽式功率變換電路：Q1 和Q2 將輪流導(dǎo)通。
5、有驅(qū)動(dòng)變壓器的功率變換電路：T2 為驅(qū)動(dòng)變壓器，T1 為開關(guān)變壓器，TR1 為電流環(huán)。
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四、輸出整流濾波電路：
1、正激式整流電路：
T1 為開關(guān)變壓器，其初極和次極的相位同相。D1 為整流二極管，D2 為續(xù)流二極管，R1、C1、R2、C2 為削尖峰電路。L1 為續(xù)流電感，C4、L2、C5 組成π型濾波器。
2、反激式整流電路：
T1 為開關(guān)變壓器，其初極和次極的相位相反。D1 為整流二極管，R1、C1 為削尖峰電路。L1 為續(xù)流電感，R2 為假負(fù)載，C4、L2、C5 組成π型濾波器。
3、同步整流電路：
工作原理：當(dāng)變壓器次級上端為正時(shí)，電流經(jīng)C2、R5、R6、R7 使Q2 導(dǎo)通，電路構(gòu)成回路，Q2 為整流管。Q1 柵極由于處于反偏而截止。當(dāng)變壓器次級下端為正時(shí)，電流經(jīng)C3、
R4、R2 使Q1 導(dǎo)通，Q1 為續(xù)流管。Q2 柵極由于處于反偏而截止。L2 為續(xù)流電感，C6、L1、C7 組成π 型濾波器。R1、C1、R9、C4 為削尖峰電路。
五、穩(wěn)壓環(huán)路原理
1、反饋電路原理圖：
2、工作原理：
當(dāng)輸出U0 升高，經(jīng)取樣電阻R7、R8、R10、VR1 分壓后，U1③腳電壓升高，當(dāng)其超過U1②腳基準(zhǔn)電壓后U1①腳輸出高電平，使Q1 導(dǎo)通，光耦OT1 發(fā)光二極管發(fā)光，光電三極管導(dǎo)通，UC3842①腳電位相應(yīng)變低，從而改變U1⑥腳輸出占空比減小，U0 降低。當(dāng)輸出U0降低時(shí)，U1③腳電壓降低，當(dāng)其低過U1②腳基準(zhǔn)電壓后U1①腳輸出低電平，Q1 不導(dǎo)通，光耦OT1 發(fā)光二極管不發(fā)光，光電三極管不導(dǎo)通，UC3842①腳電位升高，從而改變U1⑥腳輸出占空比增大，U0 降低。周而復(fù)始，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。調(diào)節(jié)VR1 可改變輸出電壓值。反饋環(huán)路是影響開關(guān)電源穩(wěn)定性的重要電路。如反饋電阻電容錯(cuò)、漏、虛焊等，會產(chǎn)生自激振蕩，故障現(xiàn)象為：波形異常，空、滿載振蕩，輸出電壓不穩(wěn)定等。
六、短路保護(hù)電路
1、在輸出端短路的情況下，PWM 控制電路能夠把輸出電流限制在一個(gè)安全范圍內(nèi)，它可以用多種方法來實(shí)現(xiàn)限流電路，當(dāng)功率限流在短路時(shí)不起作用時(shí)，只有另增設(shè)一部分電路。
2、短路保護(hù)電路通常有兩種，下圖是小功率短路保護(hù)電路，其原理簡述如下：
當(dāng)輸出電路短路，輸出電壓消失，光耦OT1 不導(dǎo)通，UC3842①腳電壓上升至5V 左右，R1 與R2 的分壓超過TL431 基準(zhǔn)，使之導(dǎo)通，UC3842⑦腳VCC 電位被拉低，IC 停止工作。UC3842停止工作后①腳電位消失，TL431 不導(dǎo)通UC3842⑦腳電位上升，UC3842 重新啟動(dòng)，周而復(fù)始。當(dāng)短路現(xiàn)象消失后，電路可以自動(dòng)恢復(fù)成正常工作狀態(tài)。
3、下圖是中功率短路保護(hù)電路，其原理簡述如下：
當(dāng)輸出短路，UC3842①腳電壓上升，U1 ③腳電位高于②腳時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)①腳輸出高電位，給C1 充電，當(dāng)C1 兩端電壓超過⑤腳基準(zhǔn)電壓時(shí)U1⑦腳輸出低電位，UC3842①腳低于1V，UCC3842 停止工作，輸出電壓為0V，周而復(fù)始，當(dāng)短路消失后電路正常工作。R2、C1 是充放電時(shí)間常數(shù)， 阻值不對時(shí)短路保護(hù)不起作用。
4、下圖是常見的限流、短路保護(hù)電路。其工作原理簡述如下：
當(dāng)輸出電路短路或過流，變壓器原邊電流增大，R3 兩端電壓降增大，③腳電壓升高，UC3842⑥腳輸出占空比逐漸增大，③腳電壓超過1V 時(shí)，UC3842 關(guān)閉無輸出。
5、下圖是用電流互感器取樣電流的保護(hù)電路，有著功耗小，但成本高和電路較為復(fù)雜，
其工作原理簡述如下：
輸出電路短路或電流過大，TR1 次級線圈感應(yīng)的電壓就越高，當(dāng)UC3842③腳超過1 伏，UC3842 停止工作，周而復(fù)始，當(dāng)短路或過載消失，電路自行恢復(fù)。
七、輸出端限流保護(hù)
上圖是常見的輸出端限流保護(hù)電路，其工作原理簡述如上圖：當(dāng)輸出電流過大時(shí)，RS（錳銅絲）兩端電壓上升，U1③腳電壓高于②腳基準(zhǔn)電壓，U1①腳輸出高電壓，Q1 導(dǎo)通，
光耦發(fā)生光電效應(yīng)，UC3842①腳電壓降低，輸出電壓降低，從而達(dá)到輸出過載限流的目的。
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八、輸出過壓保護(hù)電路的原理
輸出過壓保護(hù)電路的作用是：當(dāng)輸出電壓超過設(shè)計(jì)值時(shí)，把輸出電壓限定在一安全值的范圍內(nèi)。當(dāng)開關(guān)電源內(nèi)部穩(wěn)壓環(huán)路出現(xiàn)故障或者由于用戶操作不當(dāng)引起輸出過壓現(xiàn)象時(shí)，過
壓保護(hù)電路進(jìn)行保護(hù)以防止損壞后級用電設(shè)備。應(yīng)用最為普遍的過壓保護(hù)電路有如下幾種：
1、可控硅觸發(fā)保護(hù)電路：
如上圖，當(dāng)Uo1 輸出升高，穩(wěn)壓管（Z3）擊穿導(dǎo)通，可控硅（SCR1）的控制端得到觸發(fā)電壓，因此可控硅導(dǎo)通。Uo2 電壓對地短路，過流保護(hù)電路或短路保護(hù)電路就會工作，停止
整個(gè)電源電路的工作。當(dāng)輸出過壓現(xiàn)象排除，可控硅的控制端觸發(fā)電壓通過R 對地泄放，可控硅恢復(fù)斷開狀態(tài)。
2、光電耦合保護(hù)電路：
如上圖，當(dāng)Uo 有過壓現(xiàn)象時(shí)，穩(wěn)壓管擊穿導(dǎo)通，經(jīng)光耦（OT2）R6 到地產(chǎn)生電流流過，光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光，從而使光電耦合器的光敏三極管導(dǎo)通。Q1 基極得電導(dǎo)通，3842 的③腳電降低，使IC 關(guān)閉，停止整個(gè)電源的工作，Uo 為零，周而復(fù)始。
3、輸出限壓保護(hù)電路：
輸出限壓保護(hù)電路如下圖，當(dāng)輸出電壓升高，穩(wěn)壓管導(dǎo)通光耦導(dǎo)通，Q1 基極有驅(qū)動(dòng)電壓而道通，UC3842③電壓升高，輸出降低，穩(wěn)壓管不導(dǎo)通，UC3842③電壓降低，輸出電壓升高。周而復(fù)始，輸出電壓將穩(wěn)定在一范圍內(nèi)（取決于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值）。
4、輸出過壓鎖死電路：
圖A 的工作原理是，當(dāng)輸出電壓Uo 升高，穩(wěn)壓管導(dǎo)通，光耦導(dǎo)通，Q2 基極得電導(dǎo)通，由于Q2 的導(dǎo)通Q1 基極電壓降低也導(dǎo)通，Vcc 電壓經(jīng)R1、Q1、R2 使Q2 始終導(dǎo)通，UC3842③腳始終是高電平而停止工作。在圖B 中，UO 升高U1③腳電壓升高，①腳輸出高電平，由于D1、R1 的存在，U1①腳始終輸出高電平Q1 始終導(dǎo)通，UC3842①腳始終是低電平而停止工作。正反饋？
九、功率因數(shù)校正電路（PFC）
1、原理示意圖：
2、工作原理：
輸入電壓經(jīng)L1、L2、L3 等組成的EMI 濾波器，BRG1 整流一路送PFC 電感，另一路經(jīng)R1、R2 分壓后送入PFC 控制器作為輸入電壓的取樣，用以調(diào)整控制信號的占空比，即改變Q1 的
導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，穩(wěn)定PFC 輸出電壓。L4 是PFC 電感，它在Q1 導(dǎo)通時(shí)儲存能量，在Q1 關(guān)斷時(shí)施放能量。D1 是啟動(dòng)二極管。D2 是PFC 整流二極管，C6、C7 濾波。PFC 電壓一路送后級電路，另一路經(jīng)R3、R4 分壓后送入PFC 控制器作為PFC 輸出電壓的取樣，用以調(diào)整控制信號的占空比，穩(wěn)定PFC 輸出電壓。
十、輸入過欠壓保護(hù)
1、原理圖：
2、工作原理：
AC 輸入和DC 輸入的開關(guān)電源的輸入過欠壓保護(hù)原理大致相同。保護(hù)電路的取樣電壓均來自輸入濾波后的電壓。取樣電壓分為兩路，一路經(jīng)R1、R2、R3、R4 分壓后輸入比較器3腳，如取樣電壓高于2 腳基準(zhǔn)電壓，比較器1 腳輸出高電平去控制主控制器使其關(guān)斷，電源無輸出。另一路經(jīng)R7、R8、R9、R10 分壓后輸入比較器6 腳，如取樣電壓低于5 腳基準(zhǔn)電壓，比較器7 腳輸出高電平去控制主控制器使其關(guān)斷，電源無輸出。
