【文章內(nèi)容簡介】 300~415V 左右，因而不需要倍壓電路，電容是耐壓值 400V 左右的規(guī)格。 】 開關(guān)電源工作原理詳細(xì)解析 第 12 頁 共 101 頁 圖 13： 兩顆巨大的電解電容組成的倍壓器 圖 14： 拆下來看看 在倍壓器的一側(cè)可以看到整流橋。整流橋可以是由 4 顆二極管組成，也可以是有單個(gè)元器件組成，如圖 15 所示。高 瓦數(shù) 電源的整流橋一般都會(huì)安置在專門的散熱片上。 開關(guān)電源工作原理詳細(xì)解析 第 13 頁 共 101 頁 圖 15： 整流橋 在一次側(cè)部分通常還會(huì)配備一個(gè) NTC 熱敏電阻 ——一種可以根據(jù)溫度的變化改變電 阻值的電阻器。NTC 熱敏電阻是 Negative Temperature Coefficient 的縮寫形式。它的作用主要是用來當(dāng)溫度很低或者很高時(shí)重新匹配供電，和陶瓷圓盤電容比較相似，通常是橄欖色。 【 注： NTC 熱敏電阻的工作原理如下。 在計(jì)算機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的浪涌電流，可能燒毀電源和主機(jī)內(nèi)部，而 NTC 熱敏電阻具有負(fù)的溫度系數(shù)，阻值對(duì)溫度呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，零功率下有一個(gè)較高的阻值而工作溫度下阻值接近零。因而在冷啟動(dòng)初始時(shí) NTC 電阻串入電路可以將浪涌電流大部分抑制掉。當(dāng)計(jì)算機(jī)工作少許時(shí)間后， NTC 電阻溫度上 升到工作區(qū)間，自身阻值下降到很低的數(shù)值可以忽略不計(jì)，不會(huì)對(duì)輸出電流產(chǎn)生影響，可以避免過多功耗。 采用熱敏電阻抑制浪涌的一個(gè)缺點(diǎn)是，當(dāng)?shù)谝淮瓮姇r(shí)需要花一些時(shí)間讓其電阻下降到工作阻值。如果此時(shí)交流輸入過小，調(diào)整也就無法形成足夠的升溫期。再者，當(dāng)關(guān)斷電源后快速地重新接通時(shí)，熱敏電阻還未完全冷卻，將部分喪失浪涌抑制功能。這也就是為何短暫地關(guān)掉又開啟電源是有害操作的原因，除非有針對(duì)這種情況的專門設(shè)計(jì)。 電源的防浪涌電流設(shè)計(jì)還有其它幾種方式。串聯(lián)普通電阻而非熱敏電阻是小功率應(yīng)用中的一種簡單做法，但是在電流增大時(shí)顯然導(dǎo) 通損耗會(huì)比較大。對(duì)于大功率變換器可采用有源抑制電路，在啟動(dòng)之后使用雙向三極晶閘管或繼電器將抑制電阻旁路掉，對(duì)晶閘管或繼電器的工作方式需要合適的電路來控制。 】 ? 主動(dòng)式 PFC【有源 PFC】 電路 毫無疑問，這種電路僅可以在配有主動(dòng) PFC 電路的 電源 中才能看到。圖 16 描述的正是典型的 PFC 電路： 開關(guān)電源工作原理詳細(xì)解析 第 14 頁 共 101 頁 圖 16： 主動(dòng)式 PFC 電路圖 主動(dòng)式 PFC 電路通常使用兩個(gè)功率 MOSFET開關(guān)管 。這些開關(guān)管一般都會(huì)安置在一次側(cè)的散熱片上。為了易于理解，我們用在字母標(biāo)記了每一顆 MOSFET 開關(guān)管： S 表示源極（ Source）、 D 表示漏極 （ Drain）、G 表示柵極（ Gate）。 PFC 二極管是一顆 功率二極管 ，通常采用的是和功率晶體管類似的封裝技術(shù)，兩者長的很像，同樣被安置在一次側(cè)的散熱片上，不過 PFC 二極管只有兩根針腳。 PFC 電路中的電感是電源中最大的 電感 ；一次側(cè)的濾波電容是主動(dòng)式 PFC 電源一次側(cè)部分最大的電解電容 ； 圖 16 中的電阻器是一顆 NTC 熱敏電阻 ，可以更加溫度的變化而改變電阻值，和二級(jí) EMI 的 NTC熱敏電阻起相同的作用。 【 PFC 輸出電容 ：容量通常要比被動(dòng)式的主電容要小很多】 主動(dòng)式 PFC 控制電路通?；谝活w IC 集成電路 ，有時(shí)候這種 集成電路 同時(shí)會(huì)負(fù)責(zé)控制 PWM 電路（用于控制開關(guān)管的閉合）。這種 集成電路 通常被稱為 ―PFC/PWM bo‖. 照舊，先看一些實(shí)例。在圖 17 中，我們將一次側(cè)的散熱片去除之后可以更好的看到元器件。 右 側(cè)是瞬變?yōu)V波電路的二級(jí) EMI 電路，上文已經(jīng)詳細(xì)介紹過； 左側(cè)，全部都是主動(dòng)式 PFC 電路的組件。由于我們已經(jīng)將散熱片去除，所以在圖片上已經(jīng)看不到 PFC 晶體管以及 PFC 二極管了。此外，稍加留意的話可以看到，在整流橋和主動(dòng)式 PFC 電路之間有一個(gè) X 電容（整流橋散熱片底部的棕色元件）。 通常情況下，外形酷似陶制圓盤電容的橄欖 色熱敏電阻都會(huì) 包著熱縮管 。 我們剛剛提到，這個(gè)電源當(dāng)中能找到的最大個(gè)的線圈通常是有源 PFC 的線圈。 開關(guān)電源工作原理詳細(xì)解析 第 15 頁 共 101 頁 圖 17： 主動(dòng)式 PFC 元器件 圖 18 是一次側(cè)散熱片上的元件。 左邊是 PFC 電路的一對(duì)功率 MOSFET 和功率二極管 ； 右側(cè)還能看到這臺(tái)電源的兩個(gè)主開關(guān)管（這里是 MOSFET） ， 下面我們將重點(diǎn)介紹開關(guān)管 …… 圖 18： 開關(guān)管、功率二極管 開關(guān)電源工作原理詳細(xì)解析 第 16 頁 共 101 頁 ? 開關(guān) 晶體 管 開關(guān) 電源 的開關(guān)逆變級(jí)可以有多種模式，我們總結(jié)了 下面最常見的 幾種 模式 ： 模式 開關(guān)管數(shù)量 二極管數(shù)量 電容數(shù)量 變壓器針腳 （原邊） 單端正激 1 1 1 4 雙管正激 2 2 0 2 半橋 2 0 2 2 全橋 4 0 0 2 推挽 2 0 0 3 當(dāng)然了，我們只是分析某種模式下到底需要多少元器件，事實(shí)上當(dāng)工程師們?cè)诳紤]采用哪種模式時(shí)還會(huì)收到很多因素制約。 目前最流行的兩種模式 是 雙管正激（ twotransistor forward）和 半 橋式（ 原文是 pushpull）設(shè)計(jì)，兩者均使用了兩顆開 關(guān) 管。這些被 安置在一次側(cè)散熱片上的開 關(guān) 管我們已經(jīng)在上一頁有所介紹，這里就不做過多贅述。 以下是這五種模式的設(shè)計(jì)圖： 圖 19： 單端正激（ Singletransistor forward configuration） 開關(guān)電源工作原理詳細(xì)解析 第 17 頁 共 101 頁 圖 20： 雙管正激（ Twotransistor forward configuration） 圖 21： 半橋（ Half bridge configuration） 開關(guān)電源工作原理詳細(xì)解析 第 18 頁 共 101 頁 圖 22： 全橋（ Full bridge configuration） 圖 23： 推挽（ Pushpull configuration） 【 通常情況下單端反激式的用得比較多，而單端正激式的用得少。 單端正激式開關(guān)電源中通常用繞組復(fù)位，而也加 CD 來進(jìn)行尖峰吸收。至于為什么要用繞組復(fù)位 ，因?yàn)閱味说拈_關(guān)電源繞組中的電流是脈沖，單向，而非雙向的交流。 因此，正激式變壓器開關(guān)電源的變壓器的體積要比反激式變壓器開關(guān)電源的變壓器的體積大。 單端反激式的開關(guān)電源由于原邊產(chǎn)生的磁通與副邊產(chǎn)生的磁通方向正好相反，所以可以抵消。但當(dāng)原邊截副邊導(dǎo)通的時(shí)候原邊會(huì)產(chǎn)生反射電壓，為了防止反射電壓的疊加引起開關(guān)管（ MOS 管）損壞，因?yàn)橐由香Q位二極管。 單端正激式的開關(guān)電源由于原邊與副邊是同時(shí)導(dǎo)通和截止的，輸出端要加一個(gè)電感器儲(chǔ)存能量，輸出這個(gè)電感量越大，折算到原邊的電感量也大使原邊電流越小。在原邊必須附加一個(gè) 去磁繞組加二極管進(jìn)行去磁開關(guān)電源工作原理詳細(xì)解析 第 19 頁 共 101 頁 復(fù)位，因?yàn)閱味苏な介_關(guān)電源的高頻變壓器磁通工作在磁滯回線的一側(cè)必須要遵循磁通復(fù)位的原則。如果不加去磁繞組，在變壓器中儲(chǔ)存的能量將導(dǎo)致開關(guān)管（ MOS 管）承受很高的電壓幅值，并且在瞬態(tài)過程中高頻變壓器的漏感引起的關(guān)斷電壓尖峰值也會(huì)疊加在開關(guān)管上，這樣很容易就將功率開關(guān)管擊穿了。所以必須加去磁繞組電路將原邊的高壓限制在允許范圍內(nèi)。 12V/15A開關(guān)電源如果不做 PFC最好用反激式，做起來簡單，不用復(fù)位繞組，輸出也無需加續(xù)流二極管。而且輸入電壓范圍可以很寬，如 60V300VAC 都可以正常工 作。 通 常做的開關(guān)電源，反激式一般做到 250W 以下， 250W 到 2500W 用半橋，再大就用全橋 【也有 說 100W內(nèi)用反激 ,500W 內(nèi)用正激 ,500W 以上用諧振 】 。 正激管子耐壓也要比反激的用得高，成本也會(huì)更高，還要加續(xù)流。 反激式可做小功率 , 成本低 , 調(diào)試相對(duì)簡單些 , 所以在小功率電源中常用 . 原理 ： 就是一個(gè)通過儲(chǔ)能再通過變比進(jìn)行變壓的，一個(gè)是直接通過變比進(jìn)行變壓的。 正激初級(jí)繞組同名端都是正極所以叫正激 ； 反激一個(gè)在正，一個(gè)在負(fù)所以叫反激。 輸出 ： 正激須增加輸出儲(chǔ)能電感 , 且整流部分需增加續(xù)流二極管 ； 反激不 用增加輸出儲(chǔ)能電感 , 因?yàn)槟芰磕軆?chǔ)存在次級(jí)線圈中 ； 正激和反激最重要的區(qū)別是變壓器初次級(jí)的相位是反相的 ； 正激與反激的工作最大區(qū)別是 ， 當(dāng)開關(guān)管關(guān) 斷時(shí)， 正激的輸出主要靠儲(chǔ)能電感和續(xù)流二級(jí)管來維持輸出 ； 而反激的輸出主要靠變壓器次級(jí)釋放能量來維持輸出 （ 方波電壓加到變壓器的一次時(shí)，變壓器的二次不輸出電壓 ） 正激電路是在初級(jí)電流的上升過程，次級(jí)的電流也跟著上升，這時(shí)的電路圖同名端個(gè)相同。反激電路的初級(jí)電流上升作為磁勢(shì)儲(chǔ)存在磁芯內(nèi)部，當(dāng)初級(jí)電流下降，所儲(chǔ)存磁勢(shì)通過次級(jí)二極管釋放。即初級(jí)有電時(shí)次級(jí)沒有電。初級(jí)沒有電時(shí)次 級(jí)有電。 簡單說：開關(guān)管與整流管同時(shí)開的是正激，因此變壓器不需要存磁能，可以降低體積提高功率； 反之是反激，主繞組先保存磁能，在開關(guān)管關(guān)閉后通過整流管泄放磁能，因此變壓器要大； 正激在電流不連續(xù)時(shí)會(huì)使輸出電壓不穩(wěn)，因此不能空載工作； 主要就是變壓器工作方式不同。簡單的說就是開關(guān)管打開的時(shí)候工作的是正激。關(guān)斷時(shí)工作的是反激。 ? 【 半橋，全橋，反激，正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的區(qū)別和特點(diǎn) 】 單端正激式 開關(guān)電源工作原理詳細(xì)解析 第 20 頁 共 101 頁 單端 ——通過一只開關(guān)器件單向驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器； 正激 ——脈沖變壓器的原 /付邊相位關(guān)系，確保在開關(guān)管導(dǎo)通， 驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器原邊時(shí)，變壓器付邊同時(shí)對(duì)負(fù)載供電。 該電路的最大問題是：開關(guān)管 T 交替工作于通 /斷兩種狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，脈沖變壓器處于 “空載 ”狀態(tài)，其中儲(chǔ)存的磁能將被積累到下一個(gè)周期，直至電感器飽和，使開關(guān)器件燒毀。圖中的 D3 與 N3 構(gòu)成的磁通復(fù)位電路，提供了泄放多余磁能的渠道。 單端反激式 反激式電路與正激式電路相反，脈沖變壓器的原 /付邊相位關(guān)系，確保當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器原邊時(shí)，變壓器付邊不對(duì)負(fù)載供電，即原 /付邊交錯(cuò)通斷。脈沖變壓器磁能被積累的問題容易解決，但是，由于變壓器存在漏感，將 在原邊形成電壓尖峰，可能擊穿開關(guān)器件，需要設(shè)置電壓鉗位電路予以保護(hù)D N3 構(gòu)成的回路。從電路原理圖上看，反激式與正激式很相象，表面上只是變壓器同名端的區(qū)別，但電路的工作方式不同， D N3 的作用也不同。 推挽（變壓器中心抽頭）式 這種電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：對(duì)稱性結(jié)構(gòu)，脈沖變壓器原邊是兩個(gè)對(duì)稱線圈，兩只開關(guān)管接成對(duì)稱關(guān)系，輪流通斷，工作過程類似于線性放大電路中的乙類推挽功率放大器。 開關(guān)電源工作原理詳細(xì)解析 第 21 頁 共 101 頁 主要優(yōu)點(diǎn)：高頻變壓器磁芯利用率高（與單端電路相比）、電源電壓利用率高（與后面要敘述的半橋電路相比）、輸出功率大、 兩管基極均為低電平，驅(qū)動(dòng)電路簡單。 主要缺點(diǎn)：變壓器繞組利用率低、對(duì)開關(guān)管的耐壓要求比較高（至少是電源電壓的兩倍）。 全橋式 這種電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：由四只相同的開關(guān)管接成電橋結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器原邊。 圖中 T T4 為一對(duì)，由同一組信號(hào)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)導(dǎo)通 /關(guān)端； T T3 為另一對(duì)，由另一組信號(hào)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)導(dǎo)通 /關(guān)端。兩對(duì)開關(guān)管輪流通 /斷，在變壓器原邊線圈中形成正 /負(fù)交變的脈沖電流。 主要優(yōu)點(diǎn)：與推挽結(jié)構(gòu)相比，原邊繞組減少了一半，開關(guān)管耐壓降低一半。 主要缺點(diǎn)：使用的開關(guān)管數(shù)量多，且要求參數(shù)一致 性好，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)同步比較困難。這種電路結(jié)構(gòu)通常使用在 1KW 以上超大功率開關(guān)電源電路中。 半橋式 電路的結(jié)構(gòu)類似于全橋式，只是把其中的兩只開關(guān)管（ T T4）換成了兩只等值大電容 C C2。 開關(guān)電源工作原理詳細(xì)解析 第 22 頁 共 101 頁 主要優(yōu)點(diǎn)：具有一定的抗不平衡能力，對(duì)電路對(duì)稱性要求不很嚴(yán)格；適應(yīng)的功率范圍較大，從幾十瓦到千瓦都可以；開關(guān)管耐壓要求較低；電路成本比全橋電路低等。這種電路常常被用于各種非穩(wěn)壓輸出的 DC變換器，如電子熒光燈驅(qū)動(dòng)電路中。 ? 變壓器和 PWM控制電路 先前我們已經(jīng)提到，一 臺(tái) PC 電源 一般都會(huì)配備 3 個(gè)變壓器：個(gè) 頭最大的那顆是之前圖 4 和圖 1923上標(biāo)示出來的主變壓器，它的一次側(cè)與開關(guān)管相連，二次側(cè)與整流電路與濾波電路相連，可以提供電源的低壓直流輸出（ +12V， +5V， +， 12V， 5V）。 最小的那顆變壓器負(fù)載 +5VSB 輸出，通常也成為待機(jī)變壓器，隨時(shí)處于 ―待命狀態(tài) ‖，因?yàn)檫@部分輸出始終是開啟的，即便是 PC 電源處于關(guān)閉狀態(tài)也是如此。 第三個(gè)變壓器 是隔離 器，將 PWM 控制 信號(hào)耦合到 開關(guān)管 上 。并不是所有的電源都會(huì)裝備這個(gè)變壓器，因?yàn)橛行╇娫赐鶗?huì)配備具備相同功能的光耦 集成電路 。 圖 24： 三 變壓器 結(jié)構(gòu)【 被動(dòng) 式 PFC 常用】 開關(guān)電源工作原理詳細(xì)解析 第 23 頁 共 101 頁 圖 25： 這臺(tái)電源采用的是光耦 集成電路 ，而不是變壓器 【雙