開關(guān)電源原理及各功能電路詳解，多種電路圖深入了解

設(shè)備WX 2022-11-12

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開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新。目前，開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應(yīng)用幾乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式,因為開關(guān)電源種類較多線路原理也會有區(qū)別。

一、開關(guān)電源的電路組成, 開關(guān)電源的主要電路是由輸入電磁干擾濾波器（EMI）、整流濾波電路、功率變換電路、PWM 控制器電路、輸出整流濾波電路組成。輔助電路有輸入過欠壓保護(hù)電路、輸出過欠壓保護(hù)電路、輸出過流保護(hù)電路、輸出短路保護(hù)電路等。

開關(guān)電源的電路組成方框圖如下：

二、輸入電路的原理及常見電路：

1、AC 輸入整流濾波電路原理：

① 防雷電路：當(dāng)有雷擊，產(chǎn)生高壓經(jīng)電網(wǎng)導(dǎo)入電源時，由 MOV1、MOV2、MOV3：F1、F2、F3、 FDG1 組成的電路進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)加在壓敏電阻兩端的電壓超過其工作電壓時，其阻值降低，使高壓能量消耗在壓敏電阻上，若電流過大，F(xiàn)1、F2、F3 會燒毀保護(hù)后級電路。

② 輸入濾波電路：C1、L1、C2、C3 組成的雙 π 型濾波網(wǎng)絡(luò)主要是對輸入電源的電磁噪聲及雜波信號進(jìn)行抑制，防止對電源干擾，同時也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對電網(wǎng)干擾。當(dāng)電源開啟瞬間，要對 C5 充電，由于瞬間電流大，加 RT1（熱敏電阻）就能有效的防止浪涌電流。因瞬時能量全消耗在 RT1 電阻上，一定時間后溫度升高后 RT1 阻值減小（RT1 是負(fù) 溫系數(shù)元件），這時它消耗的能量非常小，后級電路可正常工作。

③ 整流濾波電路：交流電壓經(jīng) BRG1 整流后，經(jīng) C5 濾波后得到較為純凈的直流電壓。若 C5 容量變小，輸出的交流紋波將增大。

2、 DC 輸入濾波電路原理：

① 輸入濾波電路：C1、L1、C2 組成的雙 π 型濾波網(wǎng)絡(luò)主要是對輸入電源的電磁噪聲及雜波信號進(jìn)行抑制，防止對電源干擾，同時也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對電網(wǎng)干擾。C3、 C4 為安規(guī)電容，L2、L3 為差模電感。

② R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7 組成抗浪涌電路。在起機(jī)的瞬間，由于 C6 的存在 Q2 不導(dǎo)通，電流經(jīng) RT1 構(gòu)成回路。當(dāng) C6 上的電壓充至 Z1 的穩(wěn)壓值時 Q2 導(dǎo) 通。如果 C8 漏電或后級電路短路現(xiàn)象，在起機(jī)的瞬間電流在 RT1 上產(chǎn)生的壓降增大，Q1 導(dǎo) 通使 Q2 沒有柵極電壓不導(dǎo)通，RT1 將會在很短的時間燒毀，以保護(hù)后級電路。

三、功率變換電路

1、 MOS 管的工作原理：目前應(yīng)用最廣泛的絕緣柵場效應(yīng)管是 MOSFET（MOS 管），是利用半導(dǎo)體表面的電聲效應(yīng)進(jìn)行工作的。也稱為表面場效應(yīng)器件。由于它的柵極處于不導(dǎo)電狀態(tài)，所以輸入電阻可以大大提高，最高可達(dá) 105 歐姆，MOS 管是利用柵源電壓的大小，來改變半導(dǎo)體表面感生電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。

2、常見的原理圖：

3、工作原理：R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2 組成緩沖器，和開關(guān) MOS 管并接，使開關(guān)管電壓應(yīng)力減少， EMI 減少，不發(fā)生二次擊穿。在開關(guān)管 Q1 關(guān)斷時，變壓器的原邊線圈易產(chǎn)生尖峰電壓和尖峰電流，這些元件組合一起，能很好地吸收尖峰電壓和電流。從 R3 測得的電流峰值信號參與當(dāng)前工作周波的占空比控制，因此是當(dāng)前工作周波的電流限制。當(dāng) R5 上的電壓達(dá)到 1V 時，UC3842 停止工作，開關(guān)管 Q1 立即關(guān)斷。R1 和 Q1 中的結(jié)電容 CGS、CGD 一起組成 RC 網(wǎng)絡(luò)，電容的充放電直接影響著開關(guān)管的開關(guān)速度。R1 過小，易引起振蕩，電磁干擾也會很大；R1 過大，會降低開關(guān)管的開關(guān)速度。Z1 通常將 MOS 管的 GS 電壓限制在 18V 以下，從而保護(hù)了 MOS 管。Q1 的柵極受控電壓為鋸形波，當(dāng)其占空比越大時，Q1 導(dǎo)通時間越長，變壓器所儲存的能量也就越多；當(dāng) Q1 截止時，變壓器通過 D1、D2、R5、R4、C3 釋放能量，同時也達(dá)到了磁場復(fù) 位的目的，為變壓器的下一次存儲、傳遞能量做好了準(zhǔn)備。IC 根據(jù)輸出電壓和電流時刻調(diào) 整著⑥腳鋸形波占空比的大小，從而穩(wěn)定了整機(jī)的輸出電流和電壓。C4 和 R6 為尖峰電壓吸收回路。

4、推挽式功率變換電路：Q1 和 Q2 將輪流導(dǎo)通。

5、有驅(qū)動變壓器的功率變換電路：

T2 為驅(qū)動變壓器，T1 為開關(guān)變壓器，TR1 為電流環(huán)。四、輸出整流濾波電路. 1、正激式整流電路：

T1 為開關(guān)變壓器，其初極和次極的相位同相。D1 為整流二極管，D2 為續(xù)流二極管，R1、C1、 R2、C2 為削尖峰電路。L1 為續(xù)流電感，C4、L2、C5 組成 π 型濾波器。

2、反激式整流電路：

T1 為開關(guān)變壓器，其初極和次極的相位相反。D1 為整流二極管，R1、C1 為削尖峰電路。L1 為續(xù)流電感，R2 為假負(fù)載，C4、L2、C5 組成 π 型濾波器。

3、同步整流電路：

工作原理：當(dāng)變壓器次級上端為正時，電流經(jīng) C2、R5、R6、R7 使 Q2 導(dǎo)通，電路構(gòu)成回路， Q2 為整流管。Q1 柵極由于處于反偏而截止。當(dāng)變壓器次級下端為正時，電流經(jīng) C3、R4、R2 使 Q1 導(dǎo)通，Q1 為續(xù)流管。Q2 柵極由于處于反偏而截止。L2 為續(xù)流電感，C6、L1、C7 組成 π 型濾波器。R1、C1、R9、C4 為削尖峰電路。

五、穩(wěn)壓環(huán)路原理

1、反饋電路原理圖：

2、工作原理：當(dāng)輸出 U0 升高，經(jīng)取樣電阻 R7、R8、R10、VR1 分壓后，U1③腳電壓升高，當(dāng)其超過 U1② 腳基準(zhǔn)電壓后 U1①腳輸出高電平，使 Q1 導(dǎo)通，光耦 OT1 發(fā)光二極管發(fā)光，光電三極管導(dǎo)通， UC3842①腳電位相應(yīng)變低，從而改變 U1⑥腳輸出占空比減小，U0 降低。當(dāng)輸出 U0 降低時，U1③腳電壓降低，當(dāng)其低過 U1②腳基準(zhǔn)電壓后 U1①腳輸出低電平，Q1 不導(dǎo)通，光耦 OT1 發(fā)光二極管不發(fā)光，光電三極管不導(dǎo)通，UC3842①腳電位升高，從而改變 U1⑥腳輸出占空比增大，U0 降低。周而復(fù)始，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。調(diào)節(jié) VR1 可改變輸出電壓值。反饋環(huán)路是影響開關(guān)電源穩(wěn)定性的重要電路。如反饋電阻電容錯、漏、虛焊等，會產(chǎn)生自激振蕩，故障現(xiàn)象為：波形異常，空、滿載振蕩，輸出電壓不穩(wěn)定等。

六、短路保護(hù)電路：

1、在輸出端短路的情況下，

PWM 控制電路能夠把輸出電流限制在一個安全范圍內(nèi)，它可以用多種方法來實現(xiàn)限流電路，當(dāng)功率限流在短路時不起作用時，只有另增設(shè)一部分電路。

2、短路保護(hù)電路通常有兩種，下圖是小功率短路保護(hù)電路，其原理簡述如下：當(dāng)輸出電路短路，輸出電壓消失，光耦 OT1 不導(dǎo)通，UC3842①腳電壓上升至 5V 左右，R1 與 R2 的分壓超過 TL431 基準(zhǔn)，使之導(dǎo)通，UC3842⑦腳 VCC 電位被拉低，IC 停止工作。UC3842 停止工作后①腳電位消失，TL431 不導(dǎo)通 UC3842⑦腳電位上升，UC3842 重新啟動，周而復(fù) 始。當(dāng)短路現(xiàn)象消失后，電路可以自動恢復(fù)成正常工作狀態(tài)。

3、下圖是中功率短路保護(hù)電路，其原理簡述如下：

當(dāng)輸出短路，UC3842①腳電壓上升,U1 ③腳電位高于②腳時，比較器翻轉(zhuǎn)①腳輸出高電位，給 C1 充電，當(dāng) C1 兩端電壓超過⑤腳基準(zhǔn)電壓時 U1⑦腳輸出低電位，UC3842①腳低于 1V，UCC3842 停止工作，輸出電壓為 0V，周而復(fù)始，當(dāng)短路消失后電路正常工作。R2、C1 是充放電時間常數(shù)，阻值不對時短路保護(hù)不起作用。

4、下圖是常見的限流、短路保護(hù)電路。

其工作原理簡述如下：當(dāng)輸出電路短路或過流，變壓器原邊電流增大，R3 兩端電壓降增大，③腳電壓升高，UC3842⑥腳輸出占空比逐漸增大，③腳電壓超過 1V 時，UC3842 關(guān)閉無輸出。

5、下圖是用電流互感器取樣電流的保護(hù)電路，

有著功耗小，但成本高和電路較為復(fù)雜，其工作原理簡述如下：

輸出電路短路或電流過大，TR1 次級線圈感應(yīng)的電壓就越高，當(dāng) UC3842③腳超過 1 伏，UC3842 停止工作，周而復(fù)始，當(dāng)短路或過載消失，電路自行恢復(fù)。

七、輸出端限流保護(hù)：上圖是常見的輸出端限流保護(hù)電路，

其工作原理簡述如上圖：當(dāng)輸出電流過大時，RS （錳銅絲）兩端電壓上升，U1③腳電壓高于②腳基準(zhǔn)電壓，U1①腳輸出高電壓，Q1 導(dǎo)通，光耦發(fā)生光電效應(yīng)，UC3842①腳電壓降低，輸出電壓降低，從而達(dá)到輸出過載限流的目的。

八、輸出過壓保護(hù)電路的原理：輸出過壓保護(hù)電路的作用是：當(dāng)輸出電壓超過設(shè)計值時，把輸出電壓限定在一安全值的范圍內(nèi)。當(dāng)開關(guān)電源內(nèi)部穩(wěn)壓環(huán)路出現(xiàn)故障或者由于用戶操作不當(dāng)引起輸出過壓現(xiàn)象時，過壓保護(hù)電路進(jìn)行保護(hù)以防止損壞后級用電設(shè)備。應(yīng)用最為普遍的過壓保護(hù)電路有如下幾種：

1、可控硅觸發(fā)保護(hù)電路：如上圖，

當(dāng) Uo1 輸出升高，穩(wěn)壓管（Z3）擊穿導(dǎo)通，可控硅（SCR1）的控制端得到觸發(fā)電壓，因此可控硅導(dǎo)通。Uo2 電壓對地短路，過流保護(hù)電路或短路保護(hù)電路就會工作，停止整個電源電路的工作。當(dāng)輸出過壓現(xiàn)象排除，可控硅的控制端觸發(fā)電壓通過 R 對地泄放，可控硅恢復(fù)斷開狀態(tài)。

2、光電耦合保護(hù)電路：如上圖，

當(dāng) Uo 有過壓現(xiàn)象時，穩(wěn)壓管擊穿導(dǎo)通，經(jīng)光耦（OT2）R6 到地產(chǎn)生電流流過，光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光，從而使光電耦合器的光敏三極管導(dǎo)通。Q1 基極得電導(dǎo)通， 3842 的③腳電降低，使 IC 關(guān)閉，停止整個電源的工作，Uo 為零，周而復(fù)始。

3、輸出限壓保護(hù)電路：輸出限壓保護(hù)電路如下圖，

當(dāng)輸出電壓升高，穩(wěn)壓管導(dǎo)通光耦導(dǎo)通，Q1 基極有驅(qū)動電壓而道通，UC3842③電壓升高，輸出降低，穩(wěn)壓管不導(dǎo)通，UC3842③電壓降低，輸出電壓升高。周而復(fù)始，輸出電壓將穩(wěn)定在一范圍內(nèi)（取決于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值）。

4、輸出過壓鎖死電路：圖 A 的工作原理是，

當(dāng)輸出電壓 Uo 升高，穩(wěn)壓管導(dǎo)通，光耦導(dǎo)通，Q2 基極得電導(dǎo)通，由于 Q2 的導(dǎo)通 Q1 基極電壓降低也導(dǎo)通，Vcc 電壓經(jīng) R1、Q1、R2 使 Q2 始終導(dǎo)通，UC3842③ 腳始終是高電平而停止工作。在圖 B 中，UO 升高 U1③腳電壓升高，①腳輸出高電平，由于 D1、R1 的存在，U1①腳始終輸出高電平 Q1 始終導(dǎo)通，UC3842①腳始終是低電平而停止工作。正反饋.

九、功率因數(shù)校正電路（PFC）：

1、原理示意圖：

2、工作原理：輸入電壓經(jīng) L1、L2、L3 等組成的 EMI 濾波器，BRG1 整流一路送 PFC 電感，另一路經(jīng) R1、R2 分壓后送入 PFC 控制器作為輸入電壓的取樣，用以調(diào)整控制信號的占空比，即改變 Q1 的導(dǎo)通和關(guān)斷時間，穩(wěn)定 PFC 輸出電壓。L4 是 PFC 電感，它在 Q1 導(dǎo)通時儲存能量，在 Q1 關(guān)斷時施放能量。D1 是啟動二極管。D2 是 PFC 整流二極管，C6、C7 濾波。PFC 電壓一路送后級電路，另一路經(jīng) R3、R4 分壓后送入 PFC 控制器作為 PFC 輸出電壓的取樣，用以調(diào)整控制信號的占空比，穩(wěn)定 PFC 輸出電壓。

十、輸入過欠壓保護(hù)：

1、原理圖：

2、工作原理：AC 輸入和 DC 輸入的開關(guān)電源的輸入過欠壓保護(hù)原理大致相同。保護(hù)電路的取樣電壓均來自輸入濾波后的電壓。取樣電壓分為兩路，一路經(jīng) R1、R2、R3、R4 分壓后輸入比較器 3 腳，如取樣電壓高于 2 腳基準(zhǔn)電壓，比較器 1 腳輸出高電平去控制主控制器使其關(guān)斷，電源無輸出。另一路經(jīng) R 7、R8、R9、R10 分壓后輸入比較器 6 腳，如取樣電壓低于 5 腳基準(zhǔn)電壓，比較器 7 腳輸出高電平去控制主控制器使其關(guān)斷，電源無輸出。