開關電源工作原理

開關電源工作原理

第1頁：前言：PC電源知多少

個人PC所采用的電源都是基于一種名為“開關模式”的技術，所以我們經(jīng)常會將個人PC電源稱之為——開關電源（Switching Mode Power Supplies，簡稱SMPS），它還有一個綽號——DC-DC轉化器。本次文章我們將會為您解讀開關電源的工作模式和原理、開關電源內(nèi)部的元器件的介紹以及這些元器件的功能。

●線性電源知多少

目前主要包括兩種電源類型：線性電源（linear）和開關電源（switching）。線性電源的工作原理是首先將127 V或者220 V市電通過變壓器轉為低壓電，比如說12V開關電源，而且經(jīng)過轉換后的低壓依然是AC交流電；然后再通過一系列的二極管進行矯正和整流，并將低壓AC交流電轉化為脈動電壓（配圖1和2中的“3”）；下一步需要對脈動電壓進行濾波，通過電容完成，然后將經(jīng)過濾波后的低壓交流電轉換成DC直流電（配圖1和2中的“4”）；此時得到的低壓直流電依然不夠純凈，會有一定的波動（這種電壓波動就是我們常說的紋波），所以還需要穩(wěn)壓二極管或者電壓整流電路進行矯正。后，我們就可以得到純凈的低壓DC直流電輸出了（配圖1和2中的“5”）

配圖1：標準的線性電源設計圖

配圖2：線性電源的波形

盡管說線性電源非常適合為低功耗設備供電，比如說無繩電話、PlayStation/Wii/Xbox等游戲主機等等，但是對于高功耗設備而言，線性電源將會力不從心。

對于線性電源而言，其內(nèi)部電容以及變壓器的大小和AC市電的頻率成反比：也即說如果輸入市電的頻率越低時，線性電源就需要越大的電容和變壓器，反之亦然。由于當前一直采用的是60Hz（有些是50Hz）頻率的AC市電，這是一個相對較低的頻率，所以其變壓器以及電容的個頭往往都相對比較大。此外，AC市電的浪涌越大，線性電源的變壓器的個頭就越大。

由此可見，對于個人PC領域而言，制造一臺線性電源將會是一件瘋狂的舉動，因為它的體積將會非常大、重量也會非常的重。所以說個人PC用戶并不適合用線性電源。

●開關電源知多少

開關電源可以通過高頻開關模式很好的解決這一問題。對于高頻開關電源而言，AC輸入電壓可以在進入變壓器之前升壓（升壓前一般是50-60 KHz）。隨著輸入電壓的升高，變壓器以及電容等元器件的個頭就不用像線性電源那么的大。這種高頻開關電源正是我們的個人PC以及像VCR錄像機這樣的設備所需要的。需要說明的是，我們經(jīng)常所說的“開關電源”其實是“高頻開關電源”的縮寫形式，和電源本身的關閉和開啟式?jīng)]有任何關系的。

事實上，終端用戶的PC的電源采用的是一種更為優(yōu)化的方案：閉回路系統(tǒng)（closed loop system）——負責控制開關管的電路，從電源的輸出獲得反饋信號，然后根據(jù)PC的功耗來增加或者降低某一周期內(nèi)的電壓的頻率以便能夠適應電源的變壓器（這個方法稱作PWM，Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制）。所以說，開關電源可以根據(jù)與之相連的耗電設備的功耗的大小來自我調整，從而可以讓變壓器以及其他的元器件帶走更少量的能量，而且降低發(fā)熱量。

反觀線性電源，它的設計理念就是功率至上，即便負載電路并不需要很大電流。這樣做的后果就是所有元件即便非必要的時候也工作在滿負荷下，結果產(chǎn)生高很多的熱量。

第2頁：看圖說話：圖解開關電源

下圖3和4描述的是開關電源的PWM反饋機制。圖3描述的是沒有PFC(Power Factor Correction，功率因素校正) 電路的廉價電源，圖4描述的是采用主動式PFC設計的中高端電源。

圖3：沒有PFC電路的電源

圖4：有PFC電路的電源

通過圖3和圖4的對比我們可以看出兩者的不同之處：一個具備主動式PFC電路而另一個不具備，前者沒有110/220 V轉換器，而且也沒有電壓倍壓電路。下文我們的重點將會是主動式PFC電源的講解。

為了讓讀者能夠更好的理解電源的工作原理，以上我們提供的是非?；镜膱D解，圖中并未包含其他額外的電路，比如說短路保護、待機電路以及PG信號發(fā)生器等等。當然了，如果您還想了解一下更加詳盡的圖解，請看圖5。如果看不懂也沒關系，因為這張圖本來就是為那些專業(yè)電源設計人員看的。

圖5：典型的低端ATX電源設計圖

你可能會問，圖5設計圖中為什么沒有電壓整流電路？事實上，PWM電路已經(jīng)肩負起了電壓整流的工作。輸入電壓在經(jīng)過開關管之前將會再次校正，而且進入變壓器的電壓已經(jīng)成為方形波。所以，變壓器輸出的波形也是方形波，而不是正弦波。由于此時波形已經(jīng)是方形波，所以電壓可以輕而易舉的被變壓器轉換為DC直流電壓。也就是說，當電壓被變壓器重新校正之后，輸出電壓已經(jīng)變成了DC直流電壓。這就是為什么很多時候開關電源經(jīng)常會被稱之為DC-DC轉換器。

饋送PWM控制電路的回路負責所有需要的調節(jié)功能。如果輸出電壓錯誤時，PWM控制電路就會改變工作周期的控制信號以適應變壓器，終將輸出電壓校正過來。這種情況經(jīng)常會發(fā)生在PC功耗升高的時，此時輸出電壓趨于下降，或者PC功耗下降的時，此時輸出電壓趨于上升。

在看下一頁是，我們有必要了解一下以下信息：

★在變壓器之前的所有電路及模塊稱為“primary”（一次側），在變壓器之后的所有電路及模塊稱為“secondary”（二次側）；

★采用主動式PFC設計的電源不具備110 V/ 220 V轉換器，同時也沒有電壓倍壓器；

★對于沒有PFC電路的電源而言，如果110 V / 220 V被設定為110 V時，電流在進入整流橋之前，電源本身將會利用電壓倍壓器將110 V提升至220 V左右；

★PC電源上的開關管由一對功率MOSFET管構成，當然也有其他的組合方式，之后我們將會詳解；

★變壓器所需波形為方形波，所以通過變壓器后的電壓波形都是方形波，而非正弦波；

★PWM控制電流往往都是集成電路，通常是通過一個小的變壓器與一次側隔離，而有時候也可能是通過耦合芯片（一種很小的帶有LED和光電晶體管的IC芯片）和一次側隔離；

★PWM控制電路是根據(jù)電源的輸出負載情況來控制電源的開關管的閉合的。如果輸出電壓過高或者過低時，PWM控制電路將會改變電壓的波形以適應開關管，從而達到?！镎敵鲭妷旱哪康模?

下一頁我們將通過圖片來研究電源的每一個模塊和電路，通過實物圖形象的告訴你在電源中何處能找到它們。

第3頁：看圖說話：電源內(nèi)部揭秘

當你次打開一臺電源后（確保電源線沒有和市電連接，否則會被電到），你可能會被里面那些奇奇怪怪的元器件搞得暈頭轉向，但是有兩樣東西你肯定認識：電源風扇和散熱片。

開關電源內(nèi)部

但是您應該很容易就能分辨出電源內(nèi)部哪些元器件屬于一次側，哪些屬于二次側。一般來講，如果你看到一個（采用主動式PFC電路的電源）或者兩個（無PFC電路的電源）很大的濾波電容的話，那一側就是一次側。

一般情況下，再電源的兩個散熱片之間都會安排3個變壓器，比如說圖7所示，主變壓器是大個的那顆；中等“體型”的那顆往往負責+5VSB輸出，而小的那顆一般用于PWM控制電路，主要用于隔離一次側和二次側部分（這也是為什么在上文圖3和圖4中的變壓器上貼著“隔離器”的標簽）。有些電源并不把變壓器當“隔離器”來用，而是采用一顆或者多顆光耦（看起來像是IC整合芯片），也即說采用這種設計方案的電源只有兩個變壓器——主變壓器和輔變壓器。

電源內(nèi)部一般都有兩個散熱片，一個屬于一次側，另一個屬于二次側。如果是一臺主動式PFC電源，那么它的在一次側的散熱片上，你可以看到開關管、PFC晶體管以及二極管。這也不是的，因為也有些廠商可能會選擇將主動式PFC組件安裝到獨立的散熱片上，此時在一次側會有兩個散熱片。

在二次側的散熱片上，你會發(fā)現(xiàn)有一些整流器，它們看起來和三極管有點像，但事實上，它們都是有兩顆功率二極管組合而成的。

在二次側的散熱片旁邊，你還會看到很多電容和電感線圈，共同共同組成了低壓濾波模塊——找到它們也就找到了二次側。

區(qū)分一次側和二次側更簡單的方法就是跟著電源的線走。一般來講，與輸出線相連的往往是二次側，而與輸入線相連的是一次側（從市電接入的輸入線）。如圖7所示。

區(qū)分一次側和二次側

以上我們從宏觀的角度大致介紹了一下一臺電源內(nèi)部的各個模塊。下面我們細化一下，將話題轉移到電源各個模塊的元器件上來……

第4頁：瞬變?yōu)V波電路解析

市電接入PC開關電源之后，首入瞬變?yōu)V波電路（Transient Filtering），也就是我們常說的EMI電路。下圖8描述的是一臺PC電源的“推薦的”的瞬變?yōu)V波電路的電路圖。

瞬變?yōu)V波電路的電路圖

為什么要強調是“推薦的”的呢？因為市面上很多電源，尤其是低端電源，往往會省去圖8中的一些元器件。所以說通過檢查EMI電路是否有縮水就可以來判斷你的電源品質的優(yōu)劣。

EMI電路電路的主要部件是MOV (l Oxide Varistor，金屬氧化物壓敏電阻)，或者壓敏電阻（圖8中RV1所示），負責抑制市電瞬變中的尖峰。MOV元件同樣被用在浪涌抑制器上（surge suppressors）。盡管如此，許多低端電源為了節(jié)省成本往往會砍掉重要的MOV元件。對于配備MOV元件電源而言，有無浪涌抑制器已經(jīng)不重要了，因為電源已經(jīng)有了抑制浪涌的功能。

圖8中的L1 and L2是鐵素體線圈；C1 and C2為圓盤電容，通常是藍色的，這些電容通常也叫“Y”電容；C3是金屬化聚酯電容，通常容量為100nF、470nF或680nF，也叫“X”電容；有些電源配備了兩顆X電容，和市電并聯(lián)相接，如圖8 RV1所示。

X電容可以任何一種和市電并聯(lián)的電容；Y電容一般都是兩兩配對，需要串聯(lián)連接到火、零之間并將兩個電容的中點通過機箱接地。也就是說，它們是和市電并聯(lián)的。

瞬變?yōu)V波電路不僅可以起到給市電濾波的作用，而且可以阻止開關管產(chǎn)生的噪聲干擾到同在一根市電上的其他電子設備。

一起來看幾個實際的例子。如圖9所示，你能看到一些奇怪之處嗎？這個電源居然沒有瞬變?yōu)V波電路！這是一款低廉的“山寨”電源。請注意，看看電路板上的標記，瞬變?yōu)V波電路本來應該有才對，但是卻被喪失良知的黑心JS們帶到了市場里。

這款低廉的“山寨”電源沒有瞬變?yōu)V波電路

再看圖10實物所示，這是一款具備瞬變?yōu)V波電路的低端電源，但是正如我們看到的那樣，這款電源的瞬變?yōu)V波電路省去了重要的MOV壓敏電阻，而且只有一個鐵素體線圈；不過這款電源配備了一個額外的X電容。

低端電源的EMI電路

瞬變?yōu)V波電路分為一級EMI和二級EMI，很多電源的一級EMI往往會被安置在一個獨立的PCB板上，靠近市電接口部分，二級EMI則被安置在電源的主PCB板上，如下圖11和12所示。

一級EMI配備了一個X電容和一個鐵素體電感

再看這款電源的二級EMI。在這里我們能看到MOV壓敏電阻，盡管它的安置位置有點奇怪，位于第二個鐵素體的后面?？傮w而言，應該說這款電源的EMI電路是非常完整的。

完整的二級EMI

值得一提的是，以上這款電源的MOV壓敏電阻是黃色的，但是事實上大部分MOV都是深藍色的。

此外，這款電源的瞬變?yōu)V波電路還配備了保險管（圖8中F1所示）。需要注意了，如果你發(fā)現(xiàn)保險管內(nèi)的保險絲已經(jīng)燒斷了，那么可以肯定的是，電源內(nèi)部的某個或者某些元器件是存在缺陷的。如果此時更換保險管的話是沒有用的，當你開機之后很可能再次被燒斷。

第5頁：倍壓器和一次側整流電路

●倍壓器和一次側整流電路

上文已經(jīng)說過，開關電源主要包括主動式PFC電源和被動式PFC電源，后者沒有PFC電路，但是配備了倍壓器（voltage doubler）。倍壓器采用兩顆巨大的電解電容，也就是說，如果你在電源內(nèi)部看到兩顆大號電容的話，那基本可以判斷出這就是電源的倍壓器。前面我們已經(jīng)提到，倍壓器只適合于127V電壓的地區(qū)。

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