開關電源的工作原理和詳細電路圖

1。 開關電源的基本工作原理

開關電源的連接操縱方法分為寬度調節和頻率調制兩種。 在實際應用中，更多地使用寬度調節類型。 在電流開關電源集成電路的開發和使用中，大多數也被脈寬調制。因此，以下主要介紹寬度可調的開關電源。

可調寬度開關電源的基本原理如下圖所示。

對于單極性矩形脈沖，DC平均電壓Uo取決于矩形脈沖的寬度。 脈沖越寬，直流平均電壓值越高。平均直流電壓U可通過以下公式計算

那就是Uo = Um×T1 / T

其中，Um是矩形脈沖的大電壓值； T是矩形脈沖周期； T1是矩形脈沖寬度。

從上式可以看出，當Um和T不變時，平均直流電壓Uo和脈沖寬度T1成正比。這樣，只要我們嘗試隨著穩壓電源的輸出電壓的增加而使脈沖寬度變窄，就可以達到穩定電壓的目的。

二，開關電源的原理電路

1。 基本電路

圖2開關電源的基本電路框圖

開關電源的基本電路框圖如圖2所示。

經過整流電路和濾波電路的整流濾波后，交流電壓變為包含肯定脈動重量的直流電壓。 通過高頻轉換器將該電壓轉換成期望電壓值的方波，后對該方波電壓進行整流。濾波成為所需的直流電壓。

操縱電路是一個脈寬調制器，主要由采樣器，比較器，振蕩器，脈寬調制和參考電壓等電路組成?，F在，電路的這一部分已集成在一起，從而形成了用于開關電源的各種集成電路。操縱電路用于調節高頻開關元件的開關時間比，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3所示。電路中所謂的單端意味著高頻轉換器的磁芯僅在磁滯回路的一側工作。所謂反激是指當開關VT1接通時，高頻變壓器T的初級繞組的感應電壓為正和負，整流二極管VD1處于截止狀態，能量存儲在 初級繞組。當開關管VT1斷開時，存儲在變壓器T的初級繞組中的能量將在通過次級繞組和VD1整流并由電容器C濾波后輸出到負載。

單端反激式開關電源是成本低的電源電路，輸出功率為20-100W，可以同時輸出不同的電壓，并具有更好的穩壓率。唯一的缺點是輸出紋波電壓大且外部特性差，因此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的大反向電壓是電路工作電壓值的兩倍，工作頻率在20到200 kHz之間。

3。單端正向開關電源

單端正向開關電源的典型電路如圖4所示。該電路的形式類似于單端反激電路，但工作條件不同。當開關管VT1打開時，VD2也

開啟，然后電網將能量傳輸到負載，濾波電感L儲存能量； 當開關管VT1被切斷時，電感器L繼續通過續流二極管VD3向負載釋放能量。

電路中還有一個鉗位線圈和一個二極管VD2，可將開關VT1的大電壓限制為電源電壓的兩倍。為了滿足鐵心復位條件，即建站了磁通量并

復位時間應相等，以使電路中脈沖的占空比不能大于50％。因為當開關管VT1接通時，電路通過變壓器將能量傳輸到負載，所以輸出功率范圍特別大，并且可以輸出50-200 W的功率。電路中使用的變壓器結構復雜且體積大。 因此，該電路的實際應用較少。

4。自激式開關電源

自激式開關電源的典型電路如圖5所示。這是一種由間歇振蕩電路和廣泛使用的基本電源組成的開關電源。

當連接電源時，啟動電流在R1處提供給開關VT1，因此VT1開始導通，其集電極電流Ic在L1中線性增加，并且VT1的基極被感應為正，而負值為負。 正反饋電壓在L2中傳輸?？焖偈筕T1飽和。同時，感應電壓為C1充電。 隨著C1的充電電壓增加，VT1的基極電勢逐漸變低，導致VT1離開飽和區，Ic開始下降，并且VT1的基極被感應為負，并且在L2中感應出發射極。正電壓使VT1快速截止。 此時，二極管VD1導通，并且存儲在高頻變壓器T的一次繞組中的能量被釋放給負載。當VT1關閉時，L2中沒有感應電壓，并且直流電源輸入電壓通過R1反向充電至C1，逐漸增加VT1的基極電勢，將其打開，然后再次翻轉以達到飽和，因此 電路將反復振蕩。在此，和單端反激式開關電源一樣，所需的電壓從變壓器T的次級繞組輸出到負載。

自激式開關電源中的開關管起著開關和振蕩的雙重作用，因此省略了操縱電路。由于負載位于變壓器的次級側，并且工作在反激狀態，因此具有將輸入和輸出彼此隔離的優點。該電路不僅適用于大功率電源，還適用于低功率電源。

5， 推挽式開關電源

推挽式開關電源的典型電路如圖6所示。它屬于雙端轉換電路，高頻變壓器的磁芯作用于磁滯回線的兩側。該電路使用兩個開關管VT1和VT2。 在外部激勵方波信號的操縱下，兩個開關管交替打開和關閉。 在變壓器T次級組中獲得方波電壓，整流后的濾波器變為所需的DCVoltage。

該電路的優點是兩個開關管易于驅動。 主要缺點是開關管的耐壓應達到電路峰值電壓的兩倍。電路的輸出功率特別大，通常在100-500 W的范圍內。

6。降壓開關電源

降壓開關電源的典型電路如圖7所示。當開關管VT1導通時，二極管VD1截止，并且輸入的整流電壓通過VT1和L充電至C。 該電流增加了電感器L中的能量存儲。當開關管VT1斷開時，電感器L感應出左正負電壓，并且通過負載RL和續流二極管VD1釋放存儲在電感器L中的能量，以保持輸出DC電壓不變。電路輸出的直流電壓的電平由施加到VT1的基極的脈沖寬度確定。

該電路使用更少的組件，并且和下面描述的其他兩個電路相同，這只能通過使用電感器，電容器和二極管來實現。

7。升壓開關電源

升壓型開關電源穩壓電路如圖8所示。當開關VT1導通時，電感器L存儲能量。當開關管VT1關斷時，電感器L感測到左負右正電壓，該正負電壓疊加在輸入電壓上，并通過二極管VD1向負載供電，從而輸出電壓大于輸入電壓， 從而形成升壓開關電源。

8。反向開關電源

反相開關電源的典型電路如圖9所示。該電路也稱為降壓-升壓開關電源。無論開關管VT1之前的脈動直流電壓高于還是低于輸出端的穩定電壓，電路都可以正常工作。

當開關VT1接通時，電感器L儲存能量，二極管VD1斷開，并且負載RL由電容器C的后一次充電供電。當開關VT1截止時，電感器L中的電流繼續循環，并且感應出負電壓和正電壓以通過二極管VD1向負載供電，并同時為電容器C充電。

圖1開關電源采樣電路的原理圖設計

隨著印刷電路板制造工藝的不斷改進和完善，一般加工廠的生產線之間的距離等于或小于零。1mm沒問題，它可以完全滿足大多數應用的要求?？紤]到開關電源中使用的組件和生產過程，一般雙面板的小行距設置為0。3mm，單個面板的小行距設置為0。焊盤和焊盤，焊盤和通孔或通孔和通孔為5mm，小間距設置為0。5mm，幸免在焊接過程中出現“橋接”現象。這樣，大多數電路板制造商可以輕松滿足生產要求，并且可以將良率操縱在很高的水平，并且還可以實現合理的布線密度并具有更經濟的成本。

小行間距僅適用于電壓低于63V的信號操縱電路和低壓電路。 當線間電壓大于該值時，通?？梢愿鶕?00V / 1mm的經驗確定線間距。

方法1：上述電路板開槽方法適用于間距不夠的場合。 順便說一句，該方法也通常用作愛護性放電間隙，這在電視顯像管的后面板和電源的交流輸入中特別常見。該方法已廣泛用于模塊電源，在灌封條件下可以獲得很好的效果。

方法二：墊絕緣紙，可以使用綠色外殼紙，聚酯薄膜，聚四氟乙烯取向薄膜等絕緣材料。通用電源在電路板和金屬外殼之間使用綠色外殼紙或聚酯薄膜墊。 該材料機械強度高，具有肯定的耐濕性。PTFE定向薄膜由于其耐高溫性而廣泛用于模塊電源中。也可以在組件和四周的導體之間放置絕緣膜，以提高絕緣性和電阻。

鋁基板的結構具有以下特性：導熱性好，單面銅鍵合，只能放置在銅鍵合面上，電連接孔不能打開，跳線不能作為面板放置。

SMD設備，開關管和輸出整流器通常放置在鋁基板上，以通過基板傳導熱量。 熱阻特別低，可以實現更高的可靠性。該變壓器采納平面貼片結構，還可以通過基板輻射熱量，其溫升低于常規變壓器。 相同規格的變壓器使用鋁基板結構以獲得更大的輸出功率。鋁基板上的跳線可以通過橋接進行處理。鋁基板的電源通常由兩塊印刷板組成，另一塊板放置有操縱電路，并且這兩塊板通過物理連接集成在一起。

由于鋁基板的優異的導熱性，在少量的手工中進行焊接變得更加困難，焊料的冷卻速度太快，并且簡單出現問題。 有一種簡單有用的方法用一般熨斗（好具有溫度調節功能）熨燙衣服。 將其翻轉過來，熨燙面朝上固定，將溫度調節至約150℃，將鋁板放在熨斗上，如果溫度過高則高度可能會損壞設備，甚至鋁制表皮 可以將鋁基板剝離，也可以將鋁基板的鋁皮剝離。 如果溫度太低，則焊接效果不好。

3印刷電路板銅布線的一些事項

電路的電流密度：如今，大多數電子電路是由帶有絕緣板的銅制成的。公共電路板的厚度為35μm。 可以根據1A / mm的接線經驗獲得電流密度值。 有關具體計算，請參閱教科書。為了確保布線的機械強度，線寬應大于或等于0。開關電源中也常見厚度為70μm的3mm銅，因此電流密度會更高。

模塊功率等級的某些產品也使用多層板，主要方便集成功率器件，例如變壓器電感，優化布線和功率管冷卻。它具有良好的工藝美學一致性和良好的變壓器散熱性能，但缺點是成本較高，柔韌性差，僅適用于工業化大規模生產。

市場上幾乎全部的單板通用開關電源都使用單面電路板，具有成本低廉的優勢，設計和生產過程中的一些措施也可以確保其性能。

為了確保良好的焊接機械結構性能，單面焊墊應稍大一些，以確保銅皮和基底之間的良好粘合，以免在振動過程中剝落并損壞銅皮。通常，焊環的寬度應大于零。3mm焊盤孔的直徑應略大于設備引腳的直徑，但不應太大。 確保引腳和焊盤之間的連接距離短。 板孔的大小不應阻礙正常檢查。 墊孔的直徑通常大于銷的直徑0。1-0。2mm多針設備也可以更大，以確保搜索更加順暢。

單個面板上的組件應靠近電路板。對于需要架空散熱的設備，請在設備和電路板之間的引腳上添加套管，可以插入該套管以支撐設備并增加絕緣的雙重作用。 減少或幸免外力對插入件和銷釘之間連接的影響增強了焊接的牢固性。電路板上較重的組件可以增加支撐連接點，從而可以增強和電路板的連接強度，例如變壓器和功率設備散熱器。

由于雙面板上的孔已被金屬化，因此焊接環可以比單面板小，并且孔之間的間距可以略大于銷的直徑，因為在焊接過程中，焊料溶液 會穿透孔到達頂部以增加焊接?？煽啃?。

4大電流走線的處理

線寬可以根據上一篇文章進行處理。 如果寬度不夠，通?？梢允褂缅a來增加跡線的厚度來解決它。 有很多方法。

a將走線設置為pad屬性，以便在制造電路板時走線不會被阻焊劑覆蓋，而在熱空氣平坦時將被鍍錫。

b。 將焊盤放在布線上，將焊盤設置為需要布線的形狀，并注意將焊盤孔設置為零。

c這種方法是將導線放置在阻焊層上的靈敏的方法，但是并非全部電路板制造商都能理解您的意圖，需要使用文字進行解釋。沒有將阻焊層應用于將電線放置在阻焊層上的部分

上面描述了幾種鍍錫方法。通常，鍍錫條的寬度可以為1？2。1。5mm，長度可根據線條確定，鍍錫部分之間的間隔為0。5？1mm雙面電路板是布局和布線的絕佳選擇，可以使布線更合理。關于接地，電源接地和信號接地必須分開。 可以在濾波電容器處將這兩個接地端合并在一起，以幸免由于流過信號接地端的大脈沖電流而引起的意外不穩定。 信號操縱回路完可能使用單點接地方法。

電壓反饋采樣。 為了幸免流經布線的大電流的影響，必須將反饋電壓的采樣點放在功率輸出的末端，以提高整個機器的負載效果指標。

從一個布線層到另一個布線層的布線通常通過通孔連接，因此不適合通過器件插入實現，因為在插入器件時以及每次1A電流時可能破壞這種連接關系通過，至少應有2個通孔，通孔直徑的原理應大于0。5mm，通常為0。8mm可以保證加工的可靠性。

5鋁基板和多層印刷板在開關電源中的應用

鋁基板（金屬基散熱器（包含鋁基板，銅基板，鐵基板））是獨特的金屬基覆銅層壓板，具有良好的導熱性，電絕緣性能和機械加工性能。鋁基覆銅層壓板是一種金屬電路板材料，由銅箔，導熱絕緣層和金屬基板組成。 其結構分為三層：

Cireuitl。電路層：相當于一般PCB的覆銅板，電路銅箔的厚度為10oz。

DielcctricLayer隔熱層：隔熱層是一層低熱阻和隔熱材料。厚度為：0。003“到0。006英寸是鋁基覆銅層壓板的核心技術，已獲得UL認證。

BaseLayer是金屬基板，通常是鋁或銅。

鋁基覆銅層壓板和傳統環氧玻璃布層壓板等，目前市場上的主流是Foslet鋁基板。通常蝕刻電路層（即銅箔）以形成連接組件各個組件的印刷電路。 通常，電路層需要較大的載流能力，因此應使用較厚的銅箔。 厚度一般為35μm？280微米; 絕緣層是鋁基板的核心技術。 它通常由填充有特別陶瓷的特別聚合物組成。 它具有小的耐熱性，優異的粘彈性和抗熱老化的能力，并且可以承受機械應力和熱應力。公司生產的高性能鋁基板的隔熱層采納該技術，使其具有優良的導熱性和高強度的電絕緣性能； 金屬基層是鋁基板的支撐構件，并且要求高導熱性。通常，也可以使用鋁和銅（銅可以提供更好的導熱性），適用于常規機械加工，例如鉆孔，沖壓和切割。

鋁基板的結構具有以下特性：導熱性好，單面銅鍵合，只能放置在銅鍵合面上，電連接孔不能打開，跳線不能作為面板放置。

SMD設備，開關管和輸出整流器通常放置在鋁基板上，以通過基板傳導熱量。 熱阻特別低，可以實現更高的可靠性。該變壓器采納平面貼片結構，還可以通過基板輻射熱量，其溫升低于常規變壓器。 相同規格的變壓器使用鋁基板結構以獲得更大的輸出功率。鋁基板上的跳線可以通過橋接進行處理。鋁基板的電源通常由兩塊印刷板組成，另一塊板放置有操縱電路，并且這兩塊板通過物理連接集成在一起。

由于鋁基板的優異的導熱性，在少量的手工中進行焊接變得更加困難，焊料的冷卻速度太快，并且簡單出現問題。 有一種簡單有用的方法用一般熨斗（好具有溫度調節功能）熨燙衣服。 將其翻轉過來，熨燙面朝上固定，將溫度調節至約150℃，將鋁板放在熨斗上，如果溫度過高則高度可能會損壞設備，甚至鋁制表皮 可以將鋁基板剝離，也可以將鋁基板的鋁皮剝離。 如果溫度太低，則焊接效果不好。

近年來，隨著多層電路板在開關電源電路中的應用，印刷電路變壓器已成為可能。 由于采納了多層板，因此層間距很小，并且變壓器窗的橫截面也可以得到充分利用。 添加一個或兩個由多層板組成的印刷線圈，以達到使用窗口并降低線電流密度的目的。 通過使用印刷線圈，減少了人工干預。 變壓器具有良好的一致性，扁平的結構，低的漏感和良好的耦合。敞開的磁芯，良好的散熱條件。由于它具有許多優點并且有利于批量生產，因此被廣泛使用。但是，研究和開發的初期投資比較大，不適合小學生。

6反激電源的反射電壓也有肯定的因數

軍用開關電源的反射電壓也和參數有關，即輸出電壓。 輸出電壓越低，變壓器的匝數比越大，變壓器的漏感越大，并且開關管的耐壓越高。 它可能會穿過開關管并汲取電路消耗的功率，這可能會使汲取電路的功率器件永久失效。在設計低壓輸出低功率反激電源的優化過程中必須注意。 有幾種醫治方法：

a使用更高功率的磁芯來減少泄漏電感可以提高低壓反激電源的轉換效率，減少損耗，減少輸出紋波，并提高多輸出電源的交叉調節率。 在家用電器的開關電源中很常見。，例如CD播放器，DVB機頂盒等。

b如果條件不同意增加磁芯，則只能降低反射電壓，并可以減小占空比。降低反射電壓可以校正漏感，但可能會降低功率轉換效率。 兩者是矛盾的。 必須進行替換過程以尋到合適的點。 在變壓器更換實驗過程中，可以檢測到變壓器一次側的反接。峰值電壓，小化反向峰值電壓脈沖的寬度和幅度，可以增加逆變器的工作安全裕度。通常，反射電壓更適合110V。

C。 為了增強耦合并減少損耗，使用了新技術和繞組工藝。 為了遵守安全法規，變壓器將在初級側和次級側之間采取絕緣措施，例如墊絕緣帶和絕緣端帶。這些都會影響變壓器的漏感性能。 在實際生產中，初級繞組可用于包裹次級繞組?；蚴褂萌龑咏^緣線纏繞次級，去除初級和次級之間的絕緣，可以增強耦合，甚至可以用寬銅皮包裹。

反激式電源變壓器的磁芯工作在單向磁化狀態，因此磁路需要打開氣隙，類似于脈動直流電感器。磁路的一部分通過氣隙耦合。為什么我了解打開氣隙的原理？ 由于功率鐵氧體還具有近似矩形的工作特性曲線（磁滯回線），因此工作特性曲線上的Y軸表示磁感應強度（B），并且當前的生產過程通常飽和點在400mT以上。 通常，設計中該值應為200-300mT。 X軸代表磁場強度（H）。 該值和勵磁電流強度成正比。打開磁路的氣隙等效于將磁滯回線向X軸傾斜。 在相同的磁感應強度下，它可以承受更大的磁化電流，這相當于在磁芯中存儲更多的能量。 該能量在開關管處被切斷。變壓器的次級緩沖器位于負載電路中，反激式電源芯的氣隙具有兩個功能。

反激式電源的變壓器在單向磁化狀態下工作，該狀態不僅通過磁耦合傳輸能量，而且還承擔電壓轉換輸入和輸出隔離的多種功能。因此，需要特別注意地處理氣隙。 氣隙太大會增加漏感，增加磁滯損耗，增加鐵損和銅損，并影響電源的性能。如果氣隙太小，可能會使變壓器芯飽和并損壞電源。

所謂反激式電源的連續和間歇模式是指變壓器的工作狀態。 在滿載狀態下，變壓器以完全能量傳輸或不完全傳輸的模式工作。通常根據工作環境進行設計。 傳統的反激式電源應以連續模式工作，因此開關和線路的損耗相對較小，可以降低輸入和輸出電容器的工作壓力，但也有一些例外。由于制造工藝的特點，高反向電壓二極管的反向恢復時間長且速度低。 在連續電流狀態下，當存在正向步進時，二極管恢復。 反向恢復過程中的能量消耗特別大，不利于提高轉換性能。在很小的程度上，轉換效率降低，整流管被嚴峻加熱，甚至整流管被燒毀。由于在不連續模式下，二極管的反向偏置為零偏置，因此可以將損耗降低到相對較低的水平。

反激式開關電源變壓器應工作在連續模式下，這需要相對較大的繞組電感，當然，存在肯定程度的連續性，過度追求絕對連續是不現實的，可能需要較大的磁芯，很多線圈匝數， 大的漏感和分布電容可能不值得。那么如何確定這個參數呢？ 通過在同一水平上反復實踐和分析設計，我認為，當輸入標稱電壓時，輸出將從間歇狀態達到變壓器的50％至60％，更適合過渡到連續狀態。 州。

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