開關電源的工作原理和電路圖

本文開關電源的工作原理是開關電源技術人員全力整理的原理分析，通過對豐富的開關電源盒的分析，介紹了單個開關電源、自激式開關電源、推挽式開關電源、降壓式開關電源、升壓式開關電源和反轉式開關電源

隨著世界對能源問題的重視，電子產品的能源問題越來越突出，如何降低待機電力、提高能效成為亟待解決的問題。 現有線性穩壓電源電路結構簡單可靠，但存在效率低(僅40%~50% )、體積大、銅鐵消耗量大、工作溫度高、調整范圍小等缺點。

為了提高效率，研制了開關式穩壓電源。 其效率達85%以上，穩定范圍廣，穩定精度高，具有不使用電源變壓器等特點，是理想的穩定電源。 因此，開關式穩壓電源廣泛應用于各種電子設備，闡述了各種開關電源的工作原理。

開關式穩壓電源的基本工作原理

開關式穩壓電源連接操縱方式分為振幅調制方式和頻率調制方式，在實際應用中多采納振幅調制方式，目前開發的開關電源集成電路中脈寬調制型占大部分。 因此，以下主要對振幅調制式開關調節器的電源進行說明。

振幅調制式開關穩壓電源的基本原理

對于單極性矩形脈沖，其直流平均電壓Uo依賴于矩形脈沖的寬度，脈沖越寬，其直流平均電壓值越高，直流平均電壓為u。 根據式可計算Uo=Um×T1/T，式中Um為矩形脈沖的大電壓值，t為矩形脈沖周期，T1為矩形脈沖寬度。

從上式可知，在Um和t不變的情況下，直流平均電壓Uo和脈沖寬度T1成比例。 如此，只要設法使脈沖寬度隨著穩定化電源的輸出電壓變高而變窄，就能夠使電壓穩定化。

開關式穩壓電源原理電路

圖2是開關電源基本電路框圖

交流電壓由整流電路及濾波電路進行整流濾波，成為含有肯定脈動成分的直流電壓，該電壓在高頻轉換器中被轉換為所需電壓值的方波，后，對該方波電壓進行整流濾波，轉換為所需的直流電壓。

操縱電路是脈沖寬度調制器，主要由采樣器、比較器、振蕩器、脈沖寬度調制和基準電壓等電路構成。 該部分的電路現在被集成化，制作出各種開關電源用集成電路。 操縱電路用于調整高頻開關元件的開關時間比例，使輸出電壓穩定。

單端回掃開關電源

單端回掃開關電源的典型電路如下圖所示。 電路的一端是指高頻轉換器的磁芯僅作用于磁滯環的一側。 所謂回掃，在開關管VT1導通時，高頻變壓器t的初級線圈的感應電壓成為上下負，整流二極管VD1成為截止狀態，在初級線圈中儲存能量。 當開關管VT1斷開時，在變壓器t的初級線圈中累積的能量被次級線圈以及VD1整流和電容器c平滑化，并被輸出到負載。

單端回掃開關電源

單端回掃開關電源是成本低的電源電路，輸出功率為20~100W，可同時輸出不同的電壓，具有良好的電壓調整率。

唯一的缺點是輸出脈動電壓大，外部特性差，適用于相對固定的負載。 單端反激式開關電源中使用的開關管VT1受到的大反電壓是電路動作電壓值的2倍，動作頻率在20~200kHz之間。

單端正激式開關電源

單端正激式開關電源的典型電路如下圖所示。 該電路在形式上和單端反激式電路相似，但工作狀況不同。 當開關管VT1被接通時，VD2也被接通，此時電力網向負載傳遞能量，當存儲能量的開關管VT1被關斷時，電感器l經由反饋二極管VD3繼續向負載釋放能量。

單端正激式開關電源

電路中還具有鉗位線圈和二極管VD2，能夠將開關管VT1的高電壓限制為2倍的電源電壓。 為了滿足磁芯的復位條件，磁通的建站和復位時間必須相等，因此電路中脈沖的占空比不能超過50%。

當開關管VT1導通時，這種電路經由變壓器向負載傳送能量，因此輸出功率范圍寬，能夠輸出50~200W的功率。 由于電路中使用的變壓器結構復雜，體積也大，因此這種電路的有用化很少。

自激式開關穩壓電源

自激式開關穩壓電源的典型電路如下圖所示。 這是由間歇振蕩電路構成的開關電源，也是目前廣泛使用的基本電源之一。

自激式開關穩壓電源

接通電源后，在R1中向開關管VT1供給起動電流，使VT1導通，其集電極電流Ic在L1中線性增加，在L2中使VT1基極感應為正，釋放負的正反饋電壓，使VT1急速飽和。

和此同時，感應電壓對C1進行充電，隨著C1的充電電壓變高，VT1基極電位逐漸變低，VT1從飽和區域脫離，Ic開始減少，在L2感應出使VT1基極極端為負、使發射極極端為正的電壓，VT1急速截止時，二極管VD1

VT1截止時，L2沒有感應電壓，直流供電的輸電者電壓通過R1向相反方向充電C1，逐漸提高VT1基極電位再次導通，再次反轉為飽和狀態，電路反復振動。 在此，和單端回掃開關電源相同，從變壓器t的二次繞組輸出負載所需的電壓。

自激式開關電源的開關管具有開關和振蕩的雙重作用，也省略了操縱電路。 電路中的負載位于變壓器的二次側，在逆勵磁狀態下動作，因此具有輸出和輸出相互隔離的優點。 這種電路不僅適用于大功率電源，也適用于小功率電源。

推挽式開關電源

推挽式開關電源的典型電路如下圖所示。 這是雙端子式轉換電路，高頻變壓器的核心在磁滯環的兩側動作。 電路使用2個開關管VT1和vt 2，2個開關管在外部激勵方波信號的操縱下交替接通斷開，在變壓器t的二次系統組得到方波電壓，成為需要整流濾波的直流電壓。

推挽式開關電源

這種電路的優點是兩個開關管易于驅動，主要缺點是開關管耐壓加倍的電路峰值電壓。 電路的輸出較大，一般在100~500W的范圍內。

降壓型開關電源

降壓型開關電源的典型電路如下圖所示。 當開關管VT1被接通時，二極管VD1被關斷，輸電者的整流電壓在VT1和l處被充電至c，并且電感l的電力通過電流而增加。 當開關管VT1斷開時，電感器l感生左右正電壓，經由負載RL和二極管VD1釋放電感器l所存儲的能量，使輸出直流電壓維持恒定。 電路輸出的直流電壓的高低取決于VT1基極上施加的脈沖寬度。

降壓型開關電源

由于該電路使用元件少，因此和以下介紹的其他兩個電路同樣，只要利用電感、電容器、二極管就能夠實現。

升壓式開關電源

升壓式開關電源

升壓式開關電源的穩壓電路如下圖所示。 當開關管VT1導通時，電感l存儲能量。 當開關管VT1斷開時，電感器l感應出左右正電壓，將該電壓疊加在輸出者的電壓上，經由二極管VD1向負載供電，使輸出電壓大于輸出者的電壓，從而形成升壓式開關電源。

反轉式開關電源

反轉式開關電源的典型電路如下圖所示。 這種電路也稱為升降壓式開關電源。 不管開關管VT1以前的紋波直流電壓是比輸出端的穩定電壓高還是低，電路都正常地動作。

反轉式開關電源

當接通開關管VT1時，電感器l存儲能量，并且二極管VD1斷開，從而將負載RL提供到電容器c的從前充電電荷。 當關斷開關管VT1時，電流繼續流過電感器l，感應到上下正電壓，經由二極管VD1向負載供給電力，電容器c被充電。

以上介紹了脈寬調制式開關穩壓電源的基本工作原理和各種電路類型，在實際應用中有各種實際的操縱電路，但無論如何，都是在此基礎上進展起來的。