开关电源工作原理如何理解？及其电路图详细解析

开关模式电源(Switch Mode Power Supply，简称SMPS)，又称交换式电源、开关变换器，是一种高频化电能转换装置，是电源供应器的一种。其功能是将一个位准的电压，透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。开关电源的输入多半是交流电源(例如市电)或是直流电源，而输出多半是需要直流电源的设备，例如个人电脑，而开关电源就进行两者之间电压及电流的转换。

开关模式电源(Switch Mode Power Supply，简称SMPS)，又称交换式电源、开关变换器，是一种高频化电能转换装置，是电源供应器的一种。其功能是将一个位准的电压，透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。开关电源的输入多半是交流电源(例如市电)或是直流电源，而输出多半是需要直流电源的设备，例如个人电脑，而开关电源就进行两者之间电压及电流的转换。

开关电源不同于线性电源，开关电源利用的切换晶体管多半是在全开模式(饱和区)及全闭模式(截止区)之间切换，这两个模式都有低耗散的特点，切换之间的转换会有较高的耗散，但时间很短，因此比较节省能源，产生废热较少。理想上，开关电源本身是不会消耗电能的。电压稳压是透过调整晶体管导通及断路的时间来达到。相反的，线性电源在产生输出电压的过程中，晶体管工作在放大区，本身也会消耗电能。开关电源的高转换效率是其一大优点，而且因为开关电源工作频率高，可以使用小尺寸、轻重量的变压器，因此开关电源也会比线性电源的尺寸要小，重量也会比较轻。

若电源的高效率、体积及重量是考虑重点时，开关电源比线性电源要好。不过开关电源比较复杂，内部晶体管会频繁切换，若切换电流尚加以处理，可能会产生噪声及电磁干扰影响其他设备，而且若开关电源没有特别设计，其电源功率因数可能不高。

主要用途

开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，电子冰箱，液晶显示器，LED灯具，通讯设备，视听产品，安防监控，LED灯带，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。

现代开关电源有两种：一种是直流开关电源;另一种是交流开关电源。

开关电源内部结构 这里主要介绍的只是直流开关电源，其功能是将电能质量较差的原生态电源(粗电)，如市电电源或蓄电池电源，转换成满足设备要求的质量较高的直流电压(精电)。直流开关电源的核心是DC/DC转换器。因此直流开关电源的分类是依赖DC/DC转换器分类的。也就是说，直流开关电源的分类与DC/DC转换器的分类是基本相同的，DC/DC转换器的分类基本上就是直 流开关电源的分类。

直流DC/DC转换器按输入与输出之间是否有电气隔离可以分为两类：一类是有隔离的称为隔离式DC/DC转换器;另一类是没有隔离的称为非隔离 式DC/DC转换器。

隔离式DC/DC转换器也可以按有源功率器件的个数来分类。单管的DC/DC转换器有正激式(Forward)和反激式(Flyback)两种。双管DC/DC转换器 有双管正激式(DoubleTransistor Forward Converter)，双管反激式(Double Transistor Flyback Converter)、推挽式(Push-Pull Converter) 和半桥式(Half-Bridge Converter)四种。四管DC/DC转换器就是全桥DC/DC转换器(Full-Bridge Converter)。

非隔离式DC/DC转换器，按有源功率器件的个数，可以分为单管、双管和四管三类。

开关电源内部结构图 单管DC/DC转换器共有六种，即降压式(Buck)DC/DC转换器 ，升压式(Boost)DC/DC转换器、升压降压式(Buck Boost)DC/DC转换器、Cuk DC/DC转换器、Zeta DC/DC转换器和SEPIC DC/DC转换器。在这六种 单管DC/DC转换器中，Buck和Boost式DC/DC转换器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC转换器是从中派生出来的。双管DC/DC转换 器有双管串接的升压式(Buck-Boost)DC/DC转换器。四管DC/DC转换器常用的是全桥DC/DC转换器(Full-Bridge Converter)。

隔离式DC/DC转换器在实现输出与输入电气隔离时，通常采用变压器来实现，由于变压器具有变压的功能，所以有利于扩大转换器的输出应用 范围，也便于实现不同电压的多路输出，或相同电压的多种输出。

在功率开关管的电压和电流定额相同时，转换器的输出功率通常与所用开关管的数量成正比。所以开关管数越多，DC/DC转换器的输出功率越大，四管式比两管式输出功率大一倍，单管式输出功率只有四管式的1/4。

非隔离式转换器与隔离式转换器的组合，可以得到单个转换器所不具备的一些特性。

按能量的传输来分，DC/DC转换器有单向传输和双向传输两种。具有双向传输功能的DC/DC转换器，既可以从电源侧向负载侧传输功率，也可 以从负载侧向电源侧传输功率。

DC/DC转换器也可以分为自激式和他控式。借助转换器本身的正反馈信号实现开关管自持周期性开关的转换器，叫做自激式转换器，如洛耶尔 (Royer)转换器就是一种典型的推挽自激式转换器。他控式DC/DC转换器中的开关器件控制信号，是由外部专门的控制电路产生的。

按照开关管的开关条件，DC/DC转换器又可以分为硬开关(Hard Switching)

开关电源 和软开关(Soft Switching)两种。硬开关DC/DC转换器的开关器件 是在承受电压或流过电流的情况下，开通或关断电路的，因此在开通或关断过程中将会产生较大的交叠损耗，即所谓的开关损耗(Switching loss)。当转换器的工作状态一定时开关损耗也是一定的，而且开关频率越高，开关损耗越大，同时在开关过程中还会激起电路分布电感和寄生 电容的振荡，带来附加损耗，因此，硬开关DC/DC转换器的开关频率不能太高。

软开关DC/DC转换器的开关管，在开通或关断过程中，或是加于 其上的电压为零，即零电压开关(Zero-Voltage-Switching，ZVS)，或是通过开关管的电流为零，即零电流开关(Zero-Current·Switching，ZCS)。这种软开关方式可以显着地减小开关损耗，以及开关过程中激起的振荡，使开关频率可以大幅度提高，为转换器的小型化和模块化创造 了条件。功率场效应管(MOSFET)是应用较多的开关器件，它有较高的开关速度，但同时也有较大的寄生电容。

它关断时，在外电压的作用下， 其寄生电容充满电，如果在其开通前不将这一部分电荷放掉，则将消耗于器件内部，这就是容性开通损耗。为了减小或消除这种损耗，功率场 效应管宜采用零电压开通方式(ZVS)。绝缘栅双极性晶体管(Insulated Gate Bipolar tansistor，IGBT)是一种复合开关器件，关断时的电流拖 尾会导致较大的关断损耗，如果在关断前使流过它的电流降到零，则可以显着地降低开关损耗，因此IGBT宜采用零电流(ZCS)关断方式。

IGBT在 零电压条件下关断，同样也能减小关断损耗，但是MOSFET在零电流条件下开通时，并不能减小容性开通损耗。谐振转换器(ResonantConverter ，RC)、准谐振转换器(Qunsi-Tesonant Converter，QRC)、多谐振转换器(Multi-ResonantConverter，MRC)、零电压开关PWM转换器(ZVS PWM Converter)、零电流开关PWM转换器(ZCS PWM Converter)、零电压转换(Zero-Voltage-Transition，ZVT)PWM转换器和零电流转换(Zero- Voltage-Transition，ZVT)PWM转换器等，均属于软开关直流转换器。电力电子开关器件和零开关转换器技术的发展，促使了高频开关电源的发展。

基本组成

开关电源大致由主电路、

开关电源 控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成。

1、主电路

冲击电流限幅：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。

输入滤波器：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。

整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。

逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分。

输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。

2、控制电路

一方面从输出端取样，与设定值进行比较，然后去控制逆变器，改变其脉宽或脉频，使输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对电源进行各种保护措施。

3、检测电路

提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。

单端正激式开关电源的典型电路如图四所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似，但工作情形不同。当开关管VT1导通时，VD2也

导通，这时电网向负载传送能量，滤波电感L储存能量;当开关管VT1截止时，电感L通过续流二极管VD3 继续向负载释放能量。

 

在电路中还设有钳位线圈与二极管VD2，它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间。为满足磁芯复位条件，即磁通建立和

复位时间应相等，所以电路中脉冲的占空比不能大于50%。由于这种电路在开关管VT1导通时，通过变压器向负载传送能量，所以输出功率范围大，可输出50-200 W的功率。电路使用的变压器结构复杂，体积也较大，正因为这个原因，这种电路的实际应用较少。

推挽式开关电源的典型电路如图六所示。它属于双端式变换电路，高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。电路使用两个开关管VT1和VT2，两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止，在变压器T次级统组得到方波电压，经整流滤波变为所需要的直流电压。

 

这种电路的优点是两个开关管容易驱动，主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大，一般在100-500 W范围内。

电路以UC3842振荡芯片为核心，构成逆变、整流电路。UC3842一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片，相关引脚功能及内部电路原理已有介绍，此处从略。AC220V电源经共模滤波器L1引入，能较好抑制从电网进入的和从电源本身向辐射的高频干扰，交流电压经桥式整流电路、电容C4滤波成为约280V的不稳定直流电压，作为由振荡芯片U1、开关管Q1、开关变压器T1及其它元件组成的逆变电路。逆变电路，可以分为四个电路部分讲解其电路工作原理。

 

图1 CL-A-35-24仪用DC24V开关电源

1、振荡回路：开关变压器的主绕组N1、Q1的漏--源极、R2(工作电流检测电阻)为电源工作电流的通路;本机启动电路与其它开关电源(启动电路由降压限流电阻组成)有所不同，启动电路由C5、D3、D4组成，提供一个“瞬态”的启动电流，二极管D2吸收反向电压，D3具有整流作用，保障加到U1的7脚的启动电流为正电流;电路起振后，由N2自供电绕组、D2、C5整流滤波电路，提供U1芯片的供电电压。这三个环节的正常运行，是电源能够振荡起来的先决条件。

当然，U1的4脚外接定时元件R48、C8和U1芯片本身，也构成了振荡回路的一部分。

电容式启动电路，当过载或短路故障发生时，电路能处于稳定的停振保护状态，不像电阻启动电路，会再现“打嗝”式间歇振荡现象。工作电流检测从电阻R2上取得，当故障状态引起工作过流异常增大时，U1的6脚输出PWM脉冲占空比减小，N1自供电绕组的感应电路也随之降低，当U1的7脚供电电压低于10V时，电路停振，负载电压为0，这是过流(过载或短路)引发U1内部欠电压保护电路动作导致的输出中止;工作电流异常增大时，R2上的电压降大于1V时，内部锁存器动作，电路停振，这是由过流引发U1内部过流保护动作导致输出中止。

2、稳压回路：开关变压器的N3绕组、D6、C13、C14等元件组成的24V电源，基准电压源TL1、光耦合器U2等元件构成了稳压控制回路。U1芯片和1、2脚外围元件R7、C12，也是稳压回路的一部分。实际上，TL1、U1组成了(相对于U1内部电压误差放大器)外部误差放大器，将输出24V的电压变化反馈回U1的反馈电压信号输入端。当24V输出电压上升时，U1的2脚电压上升，1脚电压下降，输出PWM脉冲占空比下降，输出电路回落。当输出电压异常上升时，U1的1脚下降为1V时，内部保护电路动作，电路停振。

3、保护回路：U1芯片本身和3脚外围电路构成过流保护回路;N1绕组上并联的D1、R1、C9元件构成了开关管的反向电压吸收保护电路，以提供Q1截止时的反向电流通路，保障Q1的工作安全;实质上稳压回路的电压反馈信号，也可看作是一路电压保护信号——当反馈电压幅度达一定值时，电路实施停振保护动作;24V的输出端并联有由R18、ZD2、单向晶闸管SCR组成的过压保护电路，当稳压电路失常，引起输出电压异常上升时，稳压二极管ZD2的击穿为SCR提供触发电流，SCR的导通形成一个“短路电流”信号，强制U1内部保护电路产生过流保护动作，电路处于停振状态。