开关电源原理

开关电源原理

一、      开关电源的电路组成：

开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。开关电源的电路组成方框图如下：

二、 输入电路的原理及常见电路：1、AC输入整流滤波电路原理：

① 防雷电路：当有雷击，产生高压经电网导入电源时，由MOV1、MOV2、MOV3：F1、F2、F3、FDG1组成的电路进行保护。当加在压敏电阻两端的电压超过其工作电压时，其阻值降低，使高压能量消耗在压敏电阻上，若电流过大，F1、F2、F3会烧毁保护后级电路。② 输入滤波电路：C1、L1、C2、C3组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。当电源开启瞬间，要对C5充电，由于瞬间电流大，加RT1（热敏电阻）就能有效的防止浪涌电流。因瞬时能量全消耗在RT1电阻上，一定时间后温度升高后RT1阻值减小（RT1是负温系数元件），这时它消耗的能量非常小，后级电路可正常工作。③ 整流滤波电路：交流电压经BRG1整流后，经C5滤波后得到较为纯净的直流电压。若C5容量变小，输出的交流纹波将增大。2、 DC输入滤波电路原理：

① 输入滤波电路：C1、L1、C2组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。C3、C4为安规电容，L2、L3为差模电感。② R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7组成抗浪涌电路。在起机的瞬间，由于C6的存在Q2不导通，电流经RT1构成回路。当C6上的电压充至Z1的稳压值时Q2导通。如果C8漏电或后级电路短路现象，在起机的瞬间电流在RT1上产生的压降增大，Q1导通使Q2没有栅极电压不导通，RT1将会在很短的时间烧毁，以保护后级电路。三、 功率变换电路：1、 MOS管的工作原理：目前应用最广泛的绝缘栅场效应管是MOSFET（MOS管），是利用半导体表面的电声效应进行工作的。也称为表面场效应器件。由于它的栅极处于不导电状态，所以输入电阻可以大大提高，最高可达105欧姆，MOS管是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。2、 常见的原理图：

3、工作原理：

R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2组成缓冲器，和开关MOS管并接，使开关管电压应力减少，EMI减少，不发生二次击穿。在开关管Q1关断时，变压器的原边线圈易产生尖峰电压和尖峰电流，这些元件组合一起，能很好地吸收尖峰电压和电流。从R3测得的电流峰值信号参与当前工作周波的占空比控制，因此是当前工作周波的电流限制。当R5上的电压达到1V时，UC3842停止工作，开关管Q1立即关断 。    R1和Q1中的结电容CGS、CGD一起组成RC网络，电容的充放电直接影响着开关管的开关速度。R1过小，易引起振荡，电磁干扰也会很大；R1过大，会降低开关管的开关速度。Z1通常将MOS管的GS电压限制在18V以下，从而保护了MOS管。    Q1的栅极受控电压为锯形波，当其占空比越大时，Q1导通时间越长，变压器所储存的能量也就越多；当Q1截止时，变压器通过D1、D2、R5、R4、C3释放能量，同时也达到了磁场复位的目的，为变压器的下一次存储、传递能量做好了准备。IC根据输出电压和电流时刻调整着⑥脚锯形波占空比的大小，从而稳定了整机的输出电流和电压。    C4和R6为尖峰电压吸收回路。4、推挽式功率变换电路：    Q1和Q2将轮流导通。

5、有驱动变压器的功率变换电路：T2为驱动变压器，T1为开关变压器，TR1为电流环。

四、 输出整流滤波电路：1、 正激式整流电路：

T1为开关变压器，其初极和次极的相位同相。D1为整流二极管，D2为续流二极管， R1、C1、R2、C2为削尖峰电路。L1为续流电感，C4、L2、C5组成π型滤波器。2、 反激式整流电路：

T1为开关变压器，其初极和次极的相位相反。D1为整流二极管，R1、C1为削尖峰电路。L1为续流电感，R2为假负载，C4、L2、C5组成π型滤波器。3、 同步整流电路：

工作原理：当变压器次级上端为正时，电流经C2、R5、R6、R7使Q2导通，电路构成回路，Q2为整流管。Q1栅极由于处于反偏而截止。当变压器次级下端为正时，电流经C3、R4、R2使Q1导通，Q1为续流管。Q2栅极由于处于反偏而截止。L2为续流电感，C6、 L1、C7组成π型滤波器。R1、C1、R9、C4为削尖峰电路。五、 稳压环路原理：1、反馈电路原理图：

2、工作原理：

当输出U0升高，经取样电阻R7、R8、R10、VR1分压后，U1③脚电压升高，当其超过U1②脚基准电压后U1①脚输出高电平，使Q1导通，光耦OT1发光二极管发光，光电三极管导通，UC3842①脚电位相应变低，从而改变U1⑥脚输出占空比减小，U0降低。    当输出U0降低时，U1③脚电压降低，当其低过U1②脚基准电压后U1①脚输出低电平，Q1不导通，光耦OT1发光二极管不发光，光电三极管不导通，UC3842①脚电位升高，从而改变U1⑥脚输出占空比增大，U0降低。周而复始，从而使输出电压保持稳定。调节VR1可改变输出电压值。    反馈环路是影响开关电源稳定性的重要电路。如反馈电阻电容错、漏、虚焊等，会产生自激振荡，故障现象为：波形异常，空、满载振荡，输出电压不稳定等。六、短路保护电路：1、在输出端短路的情况下，PWM控制电路能够把输出电流限制在一个安全范围内，它可以用多种方法来实现限流电路，当功率限流在短路时不起作用时，只有另增设一部分电路。2、短路保护电路通常有两种，下图是小功率短路保护电路，其原理简述如下：

当输出电路短路，输出电压消失，光耦OT1不导通，UC3842①脚电压上升至5V左右，R1与R2的分压超过TL431基准，使之导通，UC3842⑦脚VCC电位被拉低，IC停止工作。UC3842停止工作后①脚电位消失，TL431不导通UC3842⑦脚电位上升，UC3842重新启动，周而复始。当短路现象消失后，电路可以自动恢复成正常工作状态。3、下图是中功率短路保护电路，其原理简述如下：

当输出短路，UC3842①脚电压上升,U1 ③脚电位高于②脚时，比较器翻转①脚输出高电位，给C1充电，当C1两端电压超过⑤脚基准电压时U1⑦脚输出低电位，UC3842①脚低于1V，UCC3842停止工作，输出电压为0V，周而复始，当短路消失后电路正常工作。 R2、C1是充放电时间常数，阻值不对时短路保护不起作用。4、 下图是常见的限流、短路保护电路。其工作原理简述如下：

当输出电路短路或过流，变压器原边电流增大，R3两端电压降增大，③脚电压升高，UC3842⑥脚输出占空比逐渐增大，③脚电压超过1V时，UC3842关闭无输出。5、下图是用电流互感器取样电流的保护电路，

有着功耗小，但成本高和电路较为复杂，其工作原理简述如下：

输出电路短路或电流过大，TR1次级线圈感应的电压就越高，当UC3842③脚超过1伏，UC3842停止工作，周而复始，当短路或过载消失，电路自行恢复。七、输出端限流保护：

上图是常见的输出端限流保护电路，其工作原理简述如上图：当输出电流过大时，RS（锰铜丝）两端电压上升，U1③脚电压高于②脚基准电压，U1①脚输出高电压，Q1导通，光耦发生光电效应，UC3842①脚电压降低，输出电压降低，从而达到输出过载限流的目的。八、输出过压保护电路的原理：    输出过压保护电路的作用是：当输出电压超过设计值时，把输出电压限定在一安全值的范围内。当开关电源内部稳压环路出现故障或者由于用户操作不当引起输出过压现象时，过压保护电路进行保护以防止损坏后级用电设备。应用最为普遍的过压保护电路有如下几种：1、可控硅触发保护电路：

如上图，当Uo1输出升高，稳压管（Z3）击穿导通，可控硅（SCR1）的控制端得到触发电压，因此可控硅导通。Uo2电压对地短路，过流保护电路或短路保护电路就会工作，停止整个电源电路的工作。当输出过压现象排除，可控硅的控制端触发电压通过R对地泄放，可控硅恢复断开状态。2、光电耦合保护电路：

如上图，当Uo有过压现象时，稳压管击穿导通，经光耦（OT2）R6到地产生电流流过，光电耦合器的发光二极管发光，从而使光电耦合器的光敏三极管导通。Q1基极得电导通， 3842的③脚电降低，使IC关闭，停止整个电源的工作，Uo为零，周而复始，。3、输出限压保护电路：    输出限压保护电路如下图，当输出电压升高，稳压管导通光耦导通，Q1基极有驱动电压而导通，UC3842③电压升高，输出降低，稳压管不导通，UC3842③电压降低，输出电压升高。周而复始，输出电压将稳定在一范围内（取决于稳压管的稳压值）。

4、输出过压锁死电路：

图A的工作原理是，当输出电压Uo升高，稳压管导通，光耦导通，Q2基极得电导通，由于Q2的导通Q1基极电压降低也导通，Vcc电压经R1、Q1、R2使Q2始终导通，    UC3842③脚始终是高电平而停止工作。在图B中，UO升高U1③脚电压升高，①脚输出高电平，由于D1、R1的存在，U1①脚始终输出高电平Q1始终导通，UC3842①脚始终是低电平而停止工作。九、功率因数校正电路（PFC）：1、原理示意图：

2、工作原理：

输入电压经L1、L2、L3等组成的EMI滤波器，BRG1整流一路送PFC电感，另一路经R1、R2分压后送入PFC控制器作为输入电压的取样，用以调整控制信号的占空比，即改变Q1的导通和关断时间，稳定PFC输出电压。L4是PFC电感，它在Q1导通时储存能量，在Q1关断时施放能量。D1是启动二极管。D2是PFC整流二极管，C6、C7滤波。PFC电压一路送后级电路，另一路经R3、R4分压后送入PFC控制器作为PFC输出电压的取样，用以调整控制信号的占空比，稳定PFC输出电压。十、输入过欠压保护：    1、 原理图：

2、 工作原理：

AC输入和DC输入的开关电源的输入过欠压保护原理大致相同。保护电路的取样电压均来自输入滤波后的电压。    取样电压分为两路，一路经R1、R2、R3、R4分压后输入比较器3脚，如取样电压高于2脚基准电压，比较器1脚输出高电平去控制主控制器使其关断，电源无输出。另一路经R7、R8、R9、R10分压后输入比较器6脚，如取样电压低于5脚基准电压，比较器7脚输出高电平去控制主控制器使其关断，电源无输出。十一、电池管理：    1、 电池管理原理图：

虚线框A内的零件组成电池启动和关断电路；虚线框B为电池充电线性稳压电路；虚线框C为电子开关电路；虚线框D为电池充电电流限制电路。2、 电池启动原理：    输入电压由INPUT和AGND端输入，分为三路。第一路经D7直接送后级和电池启动、关断电路。R28、R27、R26分压后的电压使U3导通（此电压在设计时已计算好了，正常工作时高于2.5V），光藕OT1导通。R25为U3提供工作电压，R23、R24为光藕的限流及保护电阻。    光藕导通后电源经R22、OT1、D9给Q4提供基极偏置电压，Q4导通，R21为Q4的下偏置电阻。继电器RLY1-A的线圈中有电流流过，继电器触点RLY1-B吸合，将电池BAT接入电路中。D4为阻止在Q4关断时继电器线圈产生的电动势影响后级电路，D5为防止在Q4关断时继电器线圈产生的电动势损坏Q4，将继电器线圈产生的能量释放。3、 电池充电稳压原理：    在通电的初期，由于Q3没有偏置而不导通，D3的正端无电压。电源经R1降压Z1稳压后给U1和U2提供工作电压。R2、U1组成基准电压，R13、R4、R5、R6、VR1组成电池电压检测电路，当U2②脚检测电压低于③脚电压时，其①脚输出高电平，经R14给Q2提供偏置电压，Q2导通、Q3也跟着导通，电源经Q3、D3、继电器触点RLY1-B、F1给电池BAT充电。    当U2②脚检测电压高于③脚电压时，其①脚输出低电平，Q2失去偏置电压而截止，Q3截止，D3的正端无电压，其负极电压下降，U2②脚检测电压也跟着下降，当U2②脚检测电压低于③脚电压时，其①脚输出高电平，Q2、Q3导通继续充电，如此周而复始，使D3的负端电压维持在某一设定值。调节VR1可以改变充电电压值。4、 电池充电限流原理：

在充电的过程中，电流经Q3、RLY1-B、F1、BAT、R20回到地（AGND）。在电池充电的初期，因电池电压比较低，流经Q3、RLY1-B、F1、BAT、R20的电流就会增大，那么在R20上产生的压降就会增大(R20为电流取样电阻)。电阻R20的上端S点经R11连接到U2B的同相输入端⑤脚，U2B的反相输入端⑥脚有一固定参考电压，当R20上的压降超过参考电压时，U2⑦脚输出高电平，经D2、R15给Q1提供偏置电压，Q1因此导通。Q1导通后Q2因失去基极电压而截止，将使线性稳压器的输出关断，Q3、RLY1-B、F1、BAT、R20回路中就没有电流流过，R20上的压降消失，U2⑦脚输出低电平，Q1截止，Q2、Q3导通继续充电，如此周而复始，就将充电电流限制在某一设定值范围内。调节R10、R11可改变限流点。5、 电池欠压关断原理：    当输入电压没有时，电池电压经D6给后级和电池启动、关断电路供电。当电池电压下降，U3①脚电压也跟着下降，在电池电压下降至设计关断点时（也就是U3①脚电压低于2.5V时），U3不导通，OT1不发生光电藕合，Q4无偏置而截止，继电器RLY1-A的线圈中没有电流流过，继电器触点RLY1-B断开，将电池BAT从电路中断开，防止电池过放电而损坏。改变R26、R27的阻值，可以改变电池欠压关断时的电压值。十二、智能风扇散热：    1、 在开关电源中，对电源进行散热的方式有很多种，智能散热就是其中之一。它是随电源工作时的温度高低，来调节散热风扇的工作电压而改变风力大小，达到最佳散热效果。有着节能的目的。其原理图如下：

2、 工作原理：    输入电压由INPUT端（12～13V）输入，R6为U2提供工作电压，R7、R8阻值相同，分压后为TL431提供触发电压，使A点的基准电压在+5V；RT1为负温度系数热敏电阻，经R1、R2分压加在U1的反相输入端⑥脚。R5为输出电压取样电阻，与R4分压后加在U1的同相输入端⑤脚；Q1为电子开关管；风扇电压由FANOUT端输出。    在刚通电的时候，由于Q1还没导通，C点无电压，U1的⑥脚电压高于⑤脚，因此U1⑦脚输出低电平，Z1击穿导通，Q1导通，C点有电压输出；应Q1的发射极接输入电压端，因此C点电压约等于输入电压，经R5与R4分压后加在U1的同相输入端⑤脚，使⑤脚电压高于⑥脚电压，U1⑦脚输出高电平，Z1不导通，Q1不导通，C点无电压输出；使⑤脚电压又低于⑥脚电压，U1⑦脚又输出低电平，如此反复最终使C电压稳定在某一值（因⑥脚电压不变）；也就是说C点的电压是随B点的电压变化而变化的。    开关电源工作的初期（或轻载工作），机内温度低，热敏电阻RT1的内阻很大，B点的电压相对较低，因此C点的输出电压也低，风扇因工作电压低而转速慢、风力小。当开关电源机内温度逐渐升高（满载工作），热敏电阻RT1的内阻逐渐减小，B点的电压也升高，因此C点的输出电压也跟着升高，风扇因工作电压升高而转速加快、风力加大。当机内温度下降后，热敏电阻内阻逐渐增大，B点电压下降，C点的输出电压也降低，风扇因工作电压低而转速变慢、风力小。当B点电压（温度）升高到一定程度时，U1③脚电压高于②脚基准电压，U1①脚输出高电平，一路经D1、R13返回到B点，使U1①脚始终输出高电平（也就是自锁）；另一路经D2输出到过温保护电路，实现过温保护功能。十三、均流技术：    1、 在通讯设备或其它用电设备中，为了使系统不间断的工作，对供电系统的要求就很高。除了要求电源本身的性能要稳定外，另一种方法就是采用1+1备分的方式，就是一台设备用两台电源并联供电，当其中的一台损坏，另外一台可继续给系统供电。在正常工作时，每台电源提供的能量相等，也就是它们输出的电压、电流基本一致。为了使每台电源输出的电压、电流基本一致，就要用到均流技术。原理如下图所示：

2、 工作原理：    U1A、R1～R7、C1～C5、VR1组成电流取样电压放大器；U1B、D1组成电压跟随器；R10为均流电压输出电阻；R11～R14、U2A、C6～C10组成平衡电压比较器；R15～R17、Q1为电子开关；R30～R33、C17、C18、U2B组成过流保护电路；R19～28、D2、D3、D4、C12～C14、Q2是电源的输出电压稳压环路，其中D2、D3、R19～R21为输出电压取样电路。D6为输出隔离二极管。    电源在工作时，由电流环或锰铜丝检测的电流取样电压由+IS、-IS加入U1A组成的电压放大器进行放大，经R5、R6、R7、VR1分压后分两路输出，一路送入U1B电压跟随器，D1起隔离作用，防止均流母线上的电压变化对前级电路产生影响，另一路送过流保护电路。    经过电压跟随器后的电流取样电压又分为两路，一路经R10输出作为均流信号电压JL+，另一路经R11送入U2A组成的平衡电压比较器与U2②脚的参考电压进行比较，当U2③脚电压高于②脚电压，其①输出高电平，Q1基极得电导通，将R17、R18并入输出电压取样电路，使输出电压升高，输出电压升高后输出电流就会减小，检测的电流取样电压也就降低，均流信号电压JL+降低，U2③脚电压低于②脚电压，其①输出低电平，Q1截止，R17、R18从输出电压取样电路中退出，输出电压降低。如此循环，最终使输出电压、电流保持稳定。如下图，

当两台电源并机工作时，其输出端是并接在一起的，均流信号线也连接在一起。现在假设电源A的输出电流Io1大于电源B的输出电流Io2，在两台电源内部的电流取样电压就会A高于B，也就是JL1+高于JL2+，而JL1+和JL2+是接在同一条线上（均流母线），因此JL2+升高，通过电源B内部均流电路的控制迫使其输出电压升高，Io2增大，Io1减小（负载电流不变）；Io2高于Io1时，其控制过程刚好相反，如此循环，最终使两台电源的输出电压、电流保持一致。    Q3、C19、R34～R36组成的电路的作用是，在电源启动初期输出电压低或输出欠压时Q3导通，使U2A③脚处于低电位，U2A①脚输出低电平，Q1截止，也就是使均流电路不起作用。VR1可调节均流信号的电压值，也可调节输出限流点