開關電源基礎：工作原理和電路圖
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本文開關電源工作原理是開關電源工程師全力整理的原理分析，以豐富的開關電源案例分析，介紹單端正激式開關電源、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(zhuǎn)式開關電源。
隨著全球?qū)δ茉磫栴}的重視，電子產(chǎn)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(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源雖然電路結(jié)構(gòu)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(diào)整范圍小等缺點。為了提高效率，人們研制出了開關式穩(wěn)壓電源，它的效率可達85%以上，穩(wěn)壓范圍寬，除此之外，還具有穩(wěn)壓精度高、不使用電源變壓器等特點，是一種較理想的穩(wěn)壓電源。正因為如此，開關式穩(wěn)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。開關式穩(wěn)壓電源接控制方式分為調(diào)寬式和調(diào)頻式兩種，在實際的應用中，調(diào)寬式使用得較多，在目前開發(fā)和使用的開關電源集成電路中，絕大多數(shù)也為脈寬調(diào)制型。因此下面就主要介紹調(diào)寬式開關穩(wěn)壓電源。
調(diào)寬式開關穩(wěn)壓電源的基本原理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，直流平均電壓為Ｕ?？捎晒接嬎悖碪o=Um×T1/T，式中Um為矩形脈沖最大電壓值，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(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄，就可以達到穩(wěn)定電壓的目的。
交流電壓經(jīng)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(zhuǎn)換成所需電壓值的方波，最后再將這個方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?/span>控制電路為一脈沖寬度調(diào)制器，它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調(diào)制及基準電壓等電路構(gòu)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{(diào)整高頻開關元件的開關時間比例，以達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。單端反激式開關電源的典型電路如下圖所示。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(cè)。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(tài)，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。
單端反激式開關電源是一種成本最低的電源電路，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(diào)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承受的最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。單端正激式開關電源的典型電路如下圖所示。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(wǎng)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(xù)流二極管VD3繼續(xù)向負載釋放能量。
在電路中還設有鉗位線圈與二極管VD2，它可以將開關管VT1的最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(jié)構(gòu)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。自激式開關穩(wěn)壓電源的典型電路如下圖所示。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。
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(fā)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(qū)，Ic開始減小，在L2中感應出使VT1基極為負、發(fā)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(jīng)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(zhuǎn)達到飽和狀態(tài)，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(tài)，具有輸人和輸出相互隔離的優(yōu)點。這種電路不僅適用于大功率電源，亦適用于小功率電源。推挽式開關電源的典型電路如下圖所示。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(cè)。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(tǒng)組得到方波電壓，經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?/span>
這種電路的優(yōu)點是兩個開關管容易驅(qū)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(nèi)。降壓式開關電源的典型電路如下圖所示。當開關管VT1導通時，二極管VD1截止，輸人的整流電壓經(jīng)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(jīng)負載RL和續(xù)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。
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(xiàn)。
升壓式開關電源的穩(wěn)壓電路如上圖所示。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(jīng)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。反轉(zhuǎn)式開關電源的典型電路如下圖所示。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(wěn)定電壓，電路均能正常工作。
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(xù)流通，并感應出上負下正的電壓，經(jīng)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(diào)制式開關穩(wěn)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(fā)展出來的。
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