開關電源工作原理
導讀：記得上大學那會，特別熱衷DIY電腦，配電源必用長城、航嘉等高大上品牌，這些電源都是基于一種名為“開關模式”的技術，此種電源稱之為開關電源(Switching Mode Power Supplies，簡稱SMPS)。本文將為您解讀開關電源的原理~
一、開關電源工作原理—簡介
顧名思義，開關電源就是利用電子開關器件(如晶體管、場效應管、可控硅閘流管等)，通過控制電路，使電子開關器件不停地“接通”和“關斷”，讓電子開關器件對輸入電壓進行脈沖調制，從而實現DC/AC、DC/DC電壓變換，以及輸出電壓可調和自動穩壓。
開關電源一般由脈沖寬度調制(PWM)控制IC和MOSFET構成。開關電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關電源，這一點稱為成本反轉點。隨著電力電子技術的發展和創新，使得開關電源技術也在不斷地創新，這一成本反轉點日益向低輸出電力端移動，這為開關電源提供了廣闊的發展空間。
二、開關電源工作原理—結構
開關電源大致由主電路、開關電源控制電路、檢測電路、輔助電源四大部份組成。
1、主電路
沖擊電流限幅：限制接通電源瞬間輸入側的沖擊電流。
輸入濾波器：其作用是過濾電網存在的雜波及阻礙本機產生的雜波反饋回電網。
整流與濾波：將電網交流電源直接整流為較平滑的直流電。
逆變：將整流后的直流電變為高頻交流電，這是高頻開關電源的核心部分。
輸出整流與濾波：根據負載需要，提供穩定可靠的直流電源。
2、控制電路
一方面從輸出端取樣，與設定值進行比較，然后去控制逆變器，改變其脈寬或脈頻，使輸出穩定，另一方面，根據測試電路提供的數據，經保護電路鑒別，提供控制電路對電源進行各種保護措施。
3、檢測電路
提供保護電路中正在運行中各種參數和各種儀表數據。
4、輔助電源
實現電源的軟件(遠程)啟動，為保護電路和控制電路(PWM等芯片)工作供電。
三、開關電源工作原理—分類
開關電源一般有三種工作模式：頻率、脈沖寬度固定模式，頻率固定、脈沖寬度可變模式，頻率、脈沖寬度可變模式。前一種工作模式多用于DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換;后兩種工作模式多用于開關穩壓電源。另外，開關電源輸出電壓也有三種工作方式：直接輸出電壓方式、平均值輸出電壓方式、幅值輸出電壓方式。同樣，前一種工作方式多用于DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換;后兩種工作方式多用于開關穩壓電源。
開關電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類，DC/DC變換器現已實現模塊化，且設計技術及生產工藝在國內外均已成熟和標準化;AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進程中，遇到較為復雜的技術和工藝制造問題。
DC/DC變換
DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調制方式Ts不變，改變ton(通用)，二是頻率調制方式，ton不變，改變Ts(易產生干擾)。其具體的電路由以下幾類：
1) Buck電路——降壓斬波器，其輸出平均電壓U0小于輸入電壓Ui，極性相同。
2) Boost電路——升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于輸入電壓Ui，極性相同。
3) Buck-Boost電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電感傳輸。
4) Cuk電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電容傳輸。
當今軟開關技術使得DC/DC發生了質的飛躍，美國VICOR公司設計制造的多種ECI軟開關DC/DC變換器，其最大輸出功率有300W、600W、 800W等，相應的功率密度為(6.2、10、17)W/cm3，效率為(80～90)%。日本NemicLambda公司最新推出的一種采用軟開關技術的高頻開關電源模塊RM系列，其開關頻率為(200～300)kHz，功率密度已達到27W/cm3，采用同步整流器(MOSFET代替肖特基二極管)，使整個電路效率提高到90%。
AC/DC變換
AC/DC變換是將交流變換為直流，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負載的稱為“整流”，功率流由負載返回電源的稱為“有源逆變”。AC/DC變換器輸入為50/60Hz 的交流電，因必須經整流、濾波，因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的，同時因遇到安全標準(如UL、CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC、、 FCC、CSA)，交流輸入側必須加EMC濾波及使用符合安全標準的元件，這樣就限制AC/DC電源體積的小型化，另外，由于內部的高頻、高壓、大電流開關動作，使得解決EMC電磁兼容問題難度加大，也就對內部高密度安裝電路設計提出了很高的要求，由于同樣的原因，高電壓、大電流開關使得電源工作損耗增大，限制了AC/DC變換器模塊化的進程，因此必須采用電源系統優化設計方法才能使其工作效率達到一定的滿意程度。
AC/DC變換按電路的接線方式可分為，半波電路、全波電路。按電源相數可分為，單相、三相、多相。按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。
四、開關電源工作原理—原理
開關電源的工作過程相當容易理解，在線性電源中，讓功率晶體管工作在線性模式，與線性電源不同的是，PWM開關電源是讓功率晶體管工作在導通和關斷的狀態，在這兩種狀態中，加在功率晶體管上的伏-安乘積是很小的(在導通時，電壓低，電流大;關斷時，電壓高，電流小)/功率器件上的伏安乘積就是功率半導體器件上所產生的損耗。
與線性電源相比，PWM開關電源更為有效的工作過程是通過“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實現的。
解釋上圖：市電(交流電)入口進去的第一部分稱為一級EMI，主要負責內部電路與外部電源之間的過渡，在一級EMI旁邊還有二級EMI，這些一二級 EMI主要起到電路保護作用，比如當外部電源有波動的時候，一二級EMI會減少內部沖突，從而保護電源內部的硬件不容易受到損壞，另外當電源內部硬件出現不穩定，一二級EMI可以抑制內部波動沖擊外部電路，以免影響其他電器的正常使用，簡單來說一二級EMI相當于一層濾網，防止雙向沖擊，對于一款合格的開關電源來說，一二級EMI都是必要的，當對于山寨低價電源來說，往往為了節省成本，省去了一二級EMI，盡管不影響電源功能，但對于電源的穩定性以及干擾外部電源還是有影響的。
一二級EMI電路過后，就到了整流部分了，這里主要有一個由四個整流二極管組建的整流橋堆，其功能是實現，將交流電轉變成為直流電。其之后就是高壓濾波電路了，這里會看到有一個或者兩個大電容，以電感線圈等，主要負責進來的交流電進行濾波，由于外部交流電頻率可能波動較大，通過電容與線圈進行濾波，可以得到比較平滑的直主流電。
再往下就是中間部分了，在電源的中間是變壓器部分。由于開關電源有多路輸出，包括3.3V、5V、12V等等，因此需要變壓器，將前面的直流電分成幾組輸出電壓。在變壓器之后的下面，就是電源輸出部分了。
五、開關電源工作原理-注意事項
1、選擇開關電源時應注意事項
1) 選用合適的輸入電壓規格;
2) 選擇合適的功率。為了使電源的壽命增長，可選用多30%輸出功率額定的機種。
3) 考慮負載特性。如果負載是馬達、燈泡或電容性負載，當開機瞬間時電流較大，應選用合適電源以免過載。如果負載是馬達時應考慮停機時電壓倒灌。
4) 此外尚需考慮電源的工作環境溫度，及有無額外的輔助散熱設備，在過高的環溫電源需減額輸出。環溫對輸出功率的減額曲線。
5) 根據應用所需選擇各項功能：
保護功能：過電壓保護(OVP)、過溫度保護(OTP)、過負載保護(OLP)等。
應用功能：信號功能(供電正常、供電失效)、遙控功能、遙測功能、并聯功能等。
特殊功能：功因矯正(PFC)、不斷電(UPS)
選擇所需符合的安規及電磁兼容(EMC)認證。
2、使用開關電源之注意事項
6) 使用電源前，先確定輸入輸出電壓規格與所用電源的標稱值是否相符;
7) 通電之前，檢查輸入輸出的引線是否連接正確，以免損壞用戶設備;
8) 檢查安裝是否牢固，安裝螺絲與電源板器件有無接觸，測量外殼與輸入、輸出的絕緣電阻，以免觸電;
9) 為保證使用的安全性和減少干擾，請確保接地端可靠接地;
10) 多路輸出的電源一般分主、輔輸出，主輸出特性優于輔輸出，一般情況下輸出電流大的為主輸出。為保證輸出負載調整率和輸出動態等指標，一般要求每路至少帶10%的負載。若用輔路不用主路，主路一定加適當的假負載。具體參見相應型號的規格書;
11) 請注意:電源頻繁開關將會影響其壽命;
12) 工作環境及帶載程度也會影響其壽命。
編輯：admin 最后修改時間：2018-01-05
