文档介绍：开关电源功能原理解析
前言:
电源主要分两种类型:线性电源(linear)和开关电源(switching)。
开关电源(Switching Mode Power Supplies,简称SMPS)。
下文将会为您解读开关电源的工作模式和原理、开关电源内部的元器件的介绍以及这些元器件的功能。
线性电源知多少
线性电源的工作原理:首先将127V或者220V交流市电通过变压器转为低压交流电,如12VAC;然后再通过二极管进行整流,将低压AC交流电转化为脉动的直流电压(配图1和2中的“3”);下一步需要对脉动的直流电压进行滤波,通过电容转换成较为平稳的直流电(配图1和2中的“4”);此时得到的低压直流电依然不够纯净,会有一定的波动(这种电压波动就是我们常说的纹波),若不能满足供电要求,还需要稳压器或者电压整流电路进行矫正。最后,可以得到纯净的低压直流电输出了(配图1和2中的“5”)。

图1:标准的线性电源设计图
图2:线性电源的波形
线性电源适合低功耗设备,如无绳电话等游戏主机等等,但是对于高功耗设备而言,线性电源将会力不从心。
●开关电源知多少
开关电源可以通过高频开关模式很好的解决线性电源无法解决的问题。对于高频开关电源而言,AC输入电压可以在进入变压器之前升压(升压前一般是50-60 KHz)。随着输入电压的升高,变压器以及电容等元器件的个头就不用像线性电源那么的大。需要说明的是,我们经常所说的“开关电源”其实是“高频开关电源”的缩写形式,和电源本身的关闭和开启没有任何关系的。
事实上,终端用户的电源采用的是一种更为优化的方案:闭环系统(closed loop system)——负责控制开关管的电路,从电源的输出获得反馈信号,然后根据PC的功耗来增加或者降低某一周期内的电压的频率以便能够适应电源的变压器(这个方法称作PWM,Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制)。所以说,开关电源可以根据与之相连的耗电设备的功耗的大小来自我调整,从而可以让变压器以及其他的元器件带走更少量的能量,而且降低发热量。
反观线性电源,它的设计理念就是功率至上,即便负载电路并不需要很大电流。这样做的后果就是所有元件即便非必要的时候也工作在满负荷下,结果产生高很多的热量。
第1篇:图解开关电源
下图3和4描述的是开关电源的PWM反馈机制。图3描述的是没有PFC(Power Factor Correction,功率因素校正) 电路的廉价电源;图4描述的是采用主动式PFC设计的中高端电源。
图3:没有PFC电路的电源
图4:有PFC电路的电源
通过图3和图4的对比我们可以看出两者的不同之处:一个具备主动式PFC电路而另一个不具备,前者没有110/220V转换器,而且也没有电压倍压电路。下文我们的重点将会是主动式PFC电源的讲解。
为了让读者能够更好的理解电源的工作原理,以上我们提供的是非常基本的图解,图中并未包含其他额外的电路,如短路保护、待机电路以及PG信号发生器等等。当然了,如果您还想了解一下更加详尽的图解,请看图5,为专业电源设计人员看的图纸。
图5:典型的低端ATX电源设计图
你可能会问,图5设计图中为什么没有电压整流电路?事实上,PWM电路已经肩负起了电压整流的工作。输入电压在经过开关管之前将会再次校正,而且进入变压器的电压已经成为方形波。所以,变压器输出的波形也是方形波,而不是正弦波。由于此时波形已经是方形波,所以电压可以轻而易举的被变压器转换为DC直流电压。也就是说,当电压被变压器重新校正之后,输出电压已经变成了DC直流电压。这就是为什么很多时候开关电源经常会被称之为DC-DC转换器。
馈送PWM控制电路的回路负责所有需要的调节功能。如果输出电压错误时,PWM控制电路就会改变工作周期的控制信号以适应变压器,最终将输出电压校正过来。这种情况经常会发生在PC功耗升高的时,此时输出电压趋于下降,或者PC功耗下降的时,此时输出电压趋于上升。
在看下文是,先了解一下开关电源常用语:
★在变压器之前的所有电路及模块称为“primary”(一次侧),在变压器之后的所有电路及模块称为“secondary”(二次侧);
★采用主动式PFC设计的电源不具备110V/220V转换器,同时也没有电压倍压器;
★对于没有PFC电路的电源而言,如果110V/220V被设定为110V时,电流在进入整流桥之前,电源本身将会利用电压倍压器将110V提升至220V左右;
★PC电源上的开关管由一对功率MOSFET管构成,当然也有其他的组合方式,之后我们将会详解;
★变压器所需波形为方形波,所以通过变压器后的电压波形都是方形波,而非正弦波;
★PWM控制电流往往都是集成电路,通常是通过一个小的变压器