開關電源工作原理解析及電路圖

開關電源可以通過高頻開關模式很好的解決這一問題。對於高頻開關電源而言，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）。隨著輸入電源的升高，變壓器以及電容等元器件的個頭就不用像線性電源那麼的大。現在就來瞭解一下開關電源工作原理。

開關電源工作原理1：倍壓器和一次側整流電路
開關電源主要包括主動式PFC電源和被動式PFC電源，後者沒有PFC電路，但是配備了倍壓器（voltage doubler）。倍壓器採用兩顆巨大的電解電容，也就是說，如果你在電源內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。前面我們已經提到，倍壓器只適合於127V電壓的地區。
在倍壓器的一側可以看到整流橋。整流橋可以是由4顆二極體組成，也可以是有單個元器件組成，如圖15所示。高端電源的整流橋一般都會安置在專門的散熱片上。
在一次側部分通常還會配備一個NTC熱敏電阻——一種可以根據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溫度很低或者很高時重新匹配供電，和陶瓷圓盤電容比較相似，通常是橄欖色。
開關電源工作原理2：主動式PFC電路
毫無疑問，這種電路僅可以在配有主動PFC電路的電源中才能看到。圖16描述的正是典型的PFC電路：
主動式PFC電路通常使用兩個功率MOSFET開光管。這些開光管一般都會安置在一次側的散熱片上。為了易於理解，我們用在字母標記了每一顆MOSFET開光管：S表示源極（Source）、D表示漏極（Drain）、G表示柵極（Gate）。
PFC二極體是一顆功率二極體，通常採用的是和功率電晶體類似的封裝技術，兩者長的很像，同樣被安置在一次側的散熱片上，不過PFC二極體只有兩根針腳。
PFC電路中的電感是電源中最大的電感；一次側的濾波電容是主動式PFC電源一次側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EMI的NTC熱敏電阻起相同的作用。
主動式PFC控制電路通常基於一顆IC整合電路，有時候這種整合電路同時會負責控制PWM電路（用於控制開光管的閉合）。這種整合電路通常被稱為 “PFC／PWM combo”。

照舊，先看一些實例。在圖17中，我們將一次側的散熱片去除之後可以更好的看到元器件。左側是瞬變濾波電路的二級EMI電路，上文已經詳細介紹過；再看左側，全部都是主動式PFC電路的元件。由於我們已經將散熱片去除，所以在圖片上已經看不到PFC電晶體以及PFC二極體了。此外，稍加留意的話可以看到，在整流橋和主動式PFC電路之間有一個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有橡膠皮包裹。

開關電源工作原理3：開光管
開關電源的開關逆變級可以有多種模式，我們總結了一下幾種情況：
模式開光管數量二極體數量電容數量變壓器針腳單端正激1114雙管正激2202半橋2022
全橋4002
推挽2003
當然了，我們只是分析某種模式下到底需要多少元器件，事實上當工程師們在考慮採用哪種模式時還會收到很多因素制約。
目前最流行的兩種模式時雙管正激（two－transistor forward）和全橋式（push－pull）設計，兩者均使用了兩顆開光管。這些被安置在一次側散熱片上的開光管我們已經在上一頁有所介紹，這裡就不做過多贅述。
開關電源工作原理4：變壓器和PWM控制電路
先前我們已經提到，一太PC電源一般都會配備3個變壓器：個頭最大的那顆是之前圖3、4和圖19－23上標示出來的主變壓器，它的一次側與開關管相連，二次側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，＋3。3V，－12V，－5V）。
最小的那顆變壓器負載＋5VSB輸出，通常也成為待機變壓器，隨時處於“待命狀態”，因為這部分輸出始終是開啟的，即便是PC電源處於關閉狀態也是如此。
第三個變壓器室隔離器，將PWM控制電路和開光管相連。並不是所有的電源都會裝備這個變壓器，因為有些電源往往會配備具備相同功能的光耦整合電路。

PWM控制電路基於一塊整合電路。一般情況下，沒有裝備主動式PFC的電源都會採用TL494整合電路（下圖26中採用的是可相容的DBL494整合晶片）。具備主動式PFC電路的電源裡，有時候也會採用一種用來取代PWM晶片和PFC控制電路的晶片。CM6800晶片就是一個很好的例子，它可以很好的集成PWM晶片和PFC控制電路的所有功能。

開關電源工作原理5：二次側
最後要介紹的是二次側。在二次側部分，主變壓器的輸出將會被整流和過濾，然後輸出PC所需要的電壓。－5 V和–12 V的整流是只需要有普通的二極體就能完成，因為他們不需要高功率和大電流。不過＋3。3 V， ＋5 V以及＋12 V等正壓的整流任務需要由大功率肖特基整流橋才行。這種肖特基有三個針腳，外形和功率二極體比較相似，但是它們的內部集成了兩個大功率二極體。二次側整流工作能否完成是由電源電路結構決定，一般有可能會有兩種整流電路結構，如圖27所示：
模式A更多的會被用於低端入門級電源中，這種模式需要從變壓器引出三個針腳。模式B則多用於高端電源中，這種模式一般只需要配備兩個變壓器，但是鐵素體電感必須夠大才行，所以這種模式成本較高，這也是為什麼低端電源不採用這種模式的主要原因。
此外，對於高端電源而言，為了提升最大電流輸出能力，這些電源往往會採用兩顆二極體串聯的方式將整流電路的最大電流輸出提升一倍。
無論是高端還是低端電源，其＋12 V和＋5 V的輸出都配備了完整的整流電路和濾波電路，所以所有的電源至少都需要2組圖27所示的整流電路。
對於3。3V輸出而言，有三種選項可供選擇：

在＋5 V輸出部分增加一個3。3V的電壓穩壓器，很多低端電源都是採用的這種設計方案；☆為3。3 V輸出增加一個像圖27所示的完整的整流電路和濾波電路，但是需要和5 V整流電路共用一個變壓器。這是高端電源比較普通的一種設計方案。

採用一個完整的獨立的3。3V整流電路和濾波電路。這種方案非常罕見，僅在少數發燒級頂級電源中才可能出現，比如說安耐美的銀河1000W。
由於3。3V輸出通常是完全公用5V整流電路（常見於低端電源）或者部分共用（常見於高端電源中），所以說3。3V輸出往往會受到5V輸出的限制。這就是為什麼很多電源要在銘牌中著名“3。3V和5V聯合輸出”。
此外，我們還可以看到一些電解電容（這些電容的個頭和倍壓器或者主動式PFC電路的電容相比要小的多）和電感，這些元件主要是負責濾波功能。
為了更清晰的觀察這款電源，我們將電源上的飛線以及濾波線圈全部移除，如圖29所示。在這裡我們能看到一些小的二極體，主要用於－12 V and –5 V的整流，通過的電流非常小（這款電源只要0。5A）。其他的電壓輸出的電流至少要1A，這需要功率二極體負責整流。
開關電源工作原理6：二次側（2）
穩壓器IC晶片——儘管它有三個針腳而且看起來和三極管非常相似，但是它卻是可IC晶片。這款電源採用的是7805穩壓器（5V穩壓器），負責＋5VSB的穩壓。之前我們已經提到過，＋5VSB採用的是獨立的輸出電路，因為它即便是在PC處於斷電狀態時依然需要向＋5VSB提供＋5 V輸出。這就是為什麼＋5VSB輸出也通常會被稱之為“待機輸出”。7805 IC最大可以提供1A的電流輸出。
功率MOSFET電晶體，主要負責3。3V輸出。這款電源的MOSFET型號為PHP45N03LT，最大可允許45A的電流通過。上一頁我們已經提到，只有低端電源才會採用和5V共用的3。3V穩壓器。
功率肖特基整流器，由兩個二極體整合而成。這款電源的肖特基型號為STPR1620CT，它的每顆二極體最大可允許8A的電流通過（總共為16A）。這種功率肖特基整流器通常被用於12V輸出。

另一顆功率肖特基整流器。這款電源採用的型號是E83－004，最大可允許60A電流通過。這種功率整流器常被用於＋5 V和＋ 3。3 V輸出。因為＋5 V和＋ 3。3 V輸出採用的是同一個整流器，所以它們的總和不能超過整流器的電流限制。這就是我們常說的聯合輸出的概念。換句話說就是3。3V輸出來自5V輸出。和其他各路輸出不同，變壓器沒有3。3V輸出。這種設計常用於低端電源。高端電源一般都會採用獨立的＋3。3 V和＋5 V輸出。

開關電源工作原理之晶閘管保護法
採用晶閘管V和限流電阻R1組成的防浪湧電流電路。在電源接通瞬間，輸入電壓經整流橋（D1～D4）和限流電阻R1對電容器C充電，限制浪湧電流。當電容器C充電到約80％額定電壓時，逆變器正常工作。經主變壓器輔助繞組產生晶閘管的觸發信號，使晶閘管導通並短路限流電阻R1，開關電源處於正常運行狀態。
開關電源工作原理之繼電器保護法
採用繼電器K和限流電阻R1構成的防浪湧電流電路。電源接通瞬間，輸入電壓經整流（D1～D4）和限流電阻R1對濾波電容器C1充電，防止接通瞬間的浪湧電流，同時輔助電源Vcc經電阻R2對並接於繼電器K線包的電容器C2充電，當C2上的電壓達到繼電器K的動作電壓時，K動作，其觸點K1。1閉合而旁路限流電阻R1，電源進入正常運行狀態。限流的延遲時間取決於時間常數（R2C2），通常選取為0。3～0。5s。為了提高延遲時間的準確性及防止繼電器動作抖動振盪，延遲電路可採用圖3所示電路替代R2C2延遲電路。
開關電源工作原理
開關式穩壓電源接控制方式分為調寬式和調頻式兩種，在實際的應用中，調寬式使用得較多，在目前開發和使用的開關電源積體電路中，絕大多數也為脈寬調製型。因此下面就主要介紹調寬式開關穩壓電源。
對於單極性矩形脈衝來說，其直流平均電壓Uo取決於矩形脈衝的寬度，脈衝越寬，其直流平均電壓值就越高。直流平均電壓Ｕ。可由公式計算，即Uo＝Um×T1／T
式中Um為矩形脈衝最大電壓值；T為矩形脈衝週期；T1為矩形脈衝寬度。
從上式可以看出，當Um 與T 不變時，直流平均電壓Uo 將與脈衝寬度T1 成正比。這樣，只要我們設法使脈衝寬度隨穩壓電源輸出電壓的增高而變窄，就可以達到穩定電壓的目的。