開關電源電路圖及原理

開關電源電路圖及原理

隨著全球對能源問題的重視，電子產品的耗能問題將愈來愈突出，如何降低其待機功耗，提高供電效率成為一個急待解決的問題。傳統的線性穩壓電源雖然電路結構簡單、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，工作溫度高及調整范圍小等缺點。為了提高效率，人們研制出了開關式穩壓電源，它的效率可達85%以上，穩壓范圍寬，除此之外，還具有穩壓精度高、不使用電源變壓器等特點，是一種較理想的穩壓電源。正因為如此，開關式穩壓電源已廣泛應用于各種電子設備中，本文對各類開關電源的工作原理作一闡述。

一、開關式穩壓電源的基本工作原理

開關式穩壓電源接控制方式分為調寬式和調頻式兩種，在實際的應用中，調寬式使用得較多，在目前開發和使用的開關電源集成電路中，絕大多數也為脈寬調制型。因此下面就主要介紹調寬式開關穩壓電源。

調寬式開關穩壓電源的基本原理可參見下圖。

開關電源工作原理及電路圖

對于單極性矩形脈沖來說，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接嬎?，

即Uo=Um×T1/T

式中Um為矩形脈沖大電壓值；T為矩形脈沖周期；T1為矩形脈沖寬度。

從上式可以看出，當Um與T不變時，直流平均電壓Uo將與脈沖寬度T1成正比。這樣，只要我們設法使脈沖寬度隨穩壓電源輸出電壓的增高而變窄，就可以達到穩定電壓的目的。

二、開關式穩壓電源的原理電路

1、基本電路

開關電源工作原理及電路圖

開關式穩壓電源的基本電路框圖如圖二所示。

交流電壓經整流電路及濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動成份的直流電壓，該電壓進人高頻變換器被轉換成所需電壓值的方波，后再將這個方波電壓經整流濾波變為所需要的直流電壓。

控制電路為一脈沖寬度調制器，它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調制及基準電壓等電路構成。這部分電路目前已集成化，制成了各種開關電源用集成電路?？刂齐娐酚脕碚{整高頻開關元件的開關時間比例，以達到穩定輸出電壓的目的。

２、單端反激式開關電源

單端反激式開關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。所謂的反激，是指當開關管VT1導通時，高頻變壓器Ｔ初級繞組的感應電壓為上正下負，整流二極管VD1處于截止狀態，在初級繞組中儲存能量。當開關管VT1截止時，變壓器Ｔ初級繞組中存儲的能量，通過次級繞組及VD1整流和電容Ｃ濾波后向負載輸出。

開關電源工作原理及電路圖

單端反激式開關電源是一種成本低的電源電路，輸出功率為20－100Ｗ，可以同時輸出不同的電壓，且有較好的電壓調整率。唯一的缺點是輸出的紋波電壓較大，外特性差，適用于相對固定的負載。

單端反激式開關電源使用的開關管VT1承受的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、單端正激式開關電源

單端正激式開關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。當開關管VT1導通時，VD2也導通，這時電網向負載傳送能量，濾波電感Ｌ儲存能量；當開關管VT1截止時，電感Ｌ通過續流二極管VD3繼續向負載釋放能量。

開關電源工作原理及電路圖

在電路中還設有鉗位線圈與二極管VD2，它可以將開關管VT1的高電壓限制在兩倍電源電壓之間。為滿足磁芯復位條件，即磁通建立和復位時間應相等，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管VT1導通時，通過變壓器向負載傳送能量，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構復雜，體積也較大，正因為這個原因，這種電路的實際應用較少。

４、自激式開關穩壓電源

自激式開關穩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電源，也是目前廣泛使用的基本電源之一。

開關電源工作原理及電路圖

當接入電源后在R1給開關管VT1提供啟動電流，使VT1開始導通，其集電極電流Ic在L1中線性增長，在L2中感應出使VT1基極為正，發射極為負的正反饋電壓，使VT1很快飽和。與此同時，感應電壓給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，Ic開始減小，在L2中感應出使VT1基極為負、發射極為正的電壓，使VT1迅速截止，這時二極管VD1導通，高頻變壓器Ｔ初級繞組中的儲能釋放給負載。在VT1截止時，L2中沒有感應電壓，直流供電輸人電壓又經R1給C1反向充電，逐漸提高VT1基極電位，使其重新導通，再次翻轉達到飽和狀態，電路就這樣重復振蕩下去。這里就像單端反激式開關電源那樣，由變壓器Ｔ的次級繞組向負載輸出所需要的電壓。

自激式開關電源中的開關管起著開關及振蕩的雙重作從，也省去了控制電路。電路中由于負載位于變壓器的次級且工作在反激狀態，具有輸人和輸出相互隔離的優點。這種電路不僅適用于大功率電源，亦適用于小功率電源。

５、推挽式開關電源

推挽式開關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。電路使用兩個開關管VT1和VT2，兩個開關管在外激勵方波信號的控制下交替的導通與截止，在變壓器Ｔ次級統組得到方波電壓，經整流濾波變為所需要的直流電壓。

開關電源工作原理及電路圖

這種電路的優點是兩個開關管容易驅動，主要缺點是開關管的耐壓要達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。

６、降壓式開關電源

降壓式開關電源的典型電路如圖七所示。當開關管VT1導通時，二極管VD1截止，輸人的整流電壓經VT1和L向Ｃ充電，這一電流使電感Ｌ中的儲能增加。當開關管VT1截止時，電感Ｌ感應出左負右正的電壓，經負載RL和續流二極管VD1釋放電感Ｌ中存儲的能量，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。

開關電源工作原理及電路圖

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現。

７、升壓式開關電源

升壓式開關電源的穩壓電路如圖八所示。當開關管VT1導通時，電感Ｌ儲存能量。當開關管VT1截止時，電感Ｌ感應出左負右正的電壓，該電壓疊加在輸人電壓上，經二極管VD1向負載供電，使輸出電壓大于輸人電壓，形成升壓式開關電源。

開關電源工作原理及電路圖

８、反轉式開關電源

反轉式開關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電源。無論開關管VT1之前的脈動直流電壓高于或低于輸出端的穩定電壓，電路均能正常工作。

開關電源工作原理及電路圖

當開關管VT1導通時，電感L儲存能量，二極管VD1截止，負載RL靠電容C上次的充電電荷供電。當開關管VT1截止時，電感Ｌ中的電流繼續流通，并感應出上負下正的電壓，經二極管VD1向負載供電，同時給電容Ｃ充電。

以上介紹了脈沖寬度調制式開關穩壓電源的基本工作原理和各種電路類型，在實際應用中，會有各種各樣的實際控制電路，但無論怎樣，也都是在這些基礎上發展出來的。

根據調整管的作業情況，咱們常把穩壓電源分紅兩類：線性偉明電源和開關穩壓電源。偉明電源是一種對比新式的電源。開關穩壓電源(以下簡稱開關電源)面世后，在許多范疇逐步替代了線性穩壓電源和晶閘管相控電源。前期呈現的是串聯型開關電源，其主電路拓撲與偉明電源相仿，但功率晶體管作業于開關情況。跟著脈寬調制(PWM)技能的展開，PWM開關電源面世，它的特點是用20kHz的載波進行脈沖寬度調制，電源的功率可達65%~70%，而線性電源的功率只要30％~40％。因而，用作業頻率為20 kHz的PWM開關電源替代線性電源，可大崎嶇節約能源，然后引起了咱們的廣泛重視，在電源技能展開史上被譽為20kHz改造。

　　跟著超大規模集成芯片規范的不斷減小，電源的規范與微處理器對比要大得多；而航天、潛艇、軍用開關電源以及用電池的便攜式電子設備(如手提計算機、移動電話等)更需求小型化、輕量化的電源。因而，對開關電源提出了小型輕量央求，包括磁性元件和電容的體積重量也要小。此外，還央求開關電源功率要更高，功用非常好，可靠性更高級。這一切高新央求便促進了開關電源的不斷展開和行進。

　　開關穩壓電源原理

　　經過下圖，咱們來簡略的說說降壓型開關電源的作業原理。如圖所示，電路由開關K（實習電路中為三極管或許場效應管），續流二極管D，儲能電感L，濾波電容C等構成。當開關閉合時，電源經過開關K、電感L給負載供電，并將有些電能儲存在電感L以及電容C中。因為電感L的自感，在開關接通后，電流增大得對比緩慢，即輸出不能馬上到達電源電壓值。必定時刻后，開關斷開，因為電感L的自感作用（可以對比形象的認為電感中的電流有慣性作用），將堅持電路中的電流不變，即從左往右持續流。這電流流過負載，從地線回來，流到續流二極管D的正極，經過二極管D，回來電感L的左端，然后形成了一個回路。經過操控開關閉合跟斷開的時刻（即PWM——脈沖寬度調制），就可以操控輸出電壓。假定經過查看輸出電壓來操控開、關的時刻，以堅持輸出電壓不變，這就完成了穩壓的目的。