开关电源原理图及基本组成详解（8款开关电源电路图）

开关电源简介

开(kai)(kai)关(guan)(guan)电(dian)源(yuan)原理图详解，开(kai)(kai)关(guan)(guan)电(dian)源(yuan)又(you)称(cheng)交换(huan)式电(dian)源(yuan)、开(kai)(kai)关(guan)(guan)变换(huan)器，是一(yi)种高(gao)频化(hua)电(dian)能(neng)转换(huan)装置，是电(dian)源(yuan)供应器的(de)(de)一(yi)种。其功能(neng)是将一(yi)个(ge)位准的(de)(de)电(dian)压，透过不同形式的(de)(de)架(jia)构转换(huan)为用(yong)户(hu)端(duan)所(suo)需求的(de)(de)电(dian)压或(huo)电(dian)流。

开关电源的基本组成

1、主(zhu)电路

冲击电流限幅：限制接通电源瞬间输(shu)入侧的(de)冲击电流。

输(shu)入(ru)滤(lv)(lv)波(bo)器：其作用是(shi)过(guo)滤(lv)(lv)电网(wang)存(cun)在的(de)杂(za)波(bo)及(ji)阻碍本机产生的(de)杂(za)波(bo)反馈回电网(wang)。

整流(liu)与滤波(bo)：将(jiang)电(dian)网交流(liu)电(dian)源直(zhi)接整流(liu)为较(jiao)平滑(hua)的直(zhi)流(liu)电(dian)。

逆变(bian)：将(jiang)整流(liu)后的直流(liu)电变(bian)为高(gao)频交流(liu)电，这是(shi)高(gao)频开关电源的核心(xin)部分。

输出整(zheng)流(liu)与滤波：根(gen)据负载需要，提供稳定(ding)可(ke)靠的直流(liu)电源。

2、控制电(dian)路

一(yi)方(fang)面从输(shu)(shu)出(chu)端取样，与设定值(zhi)进行比较，然后去控制逆变(bian)器，改变(bian)其(qi)脉宽或脉频，使(shi)输(shu)(shu)出(chu)稳定，另一(yi)方(fang)面，根据(ju)测试电(dian)路提供的数据(ju)，经保护电(dian)路鉴别，提供控制电(dian)路对电(dian)源进行各种(zhong)保护措施。

3、测电路

提供保护电路中(zhong)正在运行中(zhong)各种参数和各种仪表(biao)数据(ju)。

4、辅(fu)助电源

实现电源(yuan)的软(ruan)件（远程）启(qi)动，为保护电路和控制电路（PWM等(deng)芯(xin)片(pian)）工作供电。

开关电源原理图详解

（一）开关式稳压电源的基本工作原理

开关式(shi)(shi)(shi)稳(wen)压电(dian)(dian)源(yuan)(yuan)接控(kong)制方式(shi)(shi)(shi)分为调(diao)(diao)(diao)宽式(shi)(shi)(shi)和调(diao)(diao)(diao)频式(shi)(shi)(shi)两种(zhong)，在实际的(de)应用中(zhong)，调(diao)(diao)(diao)宽式(shi)(shi)(shi)使(shi)用得(de)较多(duo)，在目前开发和使(shi)用的(de)开关电(dian)(dian)源(yuan)(yuan)集成电(dian)(dian)路(lu)中(zhong)，绝大多(duo)数也为脉宽调(diao)(diao)(diao)制型(PWM)。因此下面就(jiu)主要介(jie)绍调(diao)(diao)(diao)宽式(shi)(shi)(shi)开关稳(wen)压电(dian)(dian)源(yuan)(yuan)。

调宽式开(kai)关稳压(ya)电源的基本原理可(ke)参见下图(tu)。

图(tu)1 调宽(kuan)式示(shi)意图(tu)

对于(yu)单极性矩形(xing)(xing)脉冲(chong)来说，其直(zhi)(zhi)流(liu)平均电压 Uo 取决于(yu)矩形(xing)(xing)脉冲(chong)的宽度，脉冲(chong)越(yue)宽，其直(zhi)(zhi)流(liu)平均电压值就越(yue)高。直(zhi)(zhi)流(liu)平均电压Ｕ。可由公式计(ji)算，即(ji)

Uo=Um×T1/T

式(shi)中 Um 为矩(ju)形脉冲最大电(dian)压值；T 为矩(ju)形脉冲周期；T1 为矩(ju)形脉冲宽(kuan)度(du)。从上式(shi)可以看出，当(dang) Um  与 T  不变时，直流平均电(dian)压 Uo 将与脉冲宽(kuan)度(du) T1  成正比(bi)。这样，只要我们设法(fa)使脉冲宽(kuan)度(du)随稳压电(dian)源输出电(dian)压的(de)增高(gao)而变窄(zhai)，就可以达(da)到稳定电(dian)压的(de)目的(de)。

开关式稳压电源的原理电路-开关电源原理图

1．基本电路

图(tu)2 开关电源基本(ben)电路(lu)框图(tu)

交流(liu)电压(ya)经整(zheng)流(liu)电路(lu)及滤(lv)(lv)波(bo)电路(lu)整(zheng)流(liu)滤(lv)(lv)波(bo)后，变成含(han)有(you)一定脉动成份的直(zhi)(zhi)流(liu)电压(ya)，该电压(ya)进人高频变换(huan)器被转换(huan)成所(suo)需电压(ya)值的方(fang)波(bo)，最后再(zai)将这(zhei)个方(fang)波(bo)电压(ya)经整(zheng)流(liu)滤(lv)(lv)波(bo)变为所(suo)需要的直(zhi)(zhi)流(liu)电压(ya)。

控制(zhi)(zhi)电(dian)(dian)路(lu)(lu)为一脉冲宽(kuan)度调制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)，它主要由取(qu)样器(qi)(qi)、比较器(qi)(qi)、振荡器(qi)(qi)、脉宽(kuan)调制(zhi)(zhi)及基准电(dian)(dian)压等电(dian)(dian)路(lu)(lu)构成(cheng)。这部(bu)分电(dian)(dian)路(lu)(lu)目(mu)前已(yi)集成(cheng)化，制(zhi)(zhi)成(cheng)了各种开关电(dian)(dian)源用集成(cheng)电(dian)(dian)路(lu)(lu)。控制(zhi)(zhi)电(dian)(dian)路(lu)(lu)用来调整高频开关元件的(de)开关时间(jian)比例(li)，以(yi)达到稳(wen)定输出电(dian)(dian)压的(de)目(mu)的(de)。

2、开关电源原理图-单端反激式开关电源

单端反(fan)激式开关(guan)电源的典(dian)型电路(lu)如图三所示。电路(lu)中所谓的单端是(shi)指高(gao)频变换器的磁(ci)芯仅工作在(zai)磁(ci)滞回线的一(yi)侧。所谓的反(fan)激，是(shi)指当开关(guan)管 VT1  导通时(shi)，高(gao)频变压器Ｔ初(chu)(chu)级绕(rao)组(zu)(zu)的感应(ying)电压为(wei)上正下负(fu)，整(zheng)流二(er)极(ji)管 VD1 处于截止状(zhuang)态，在(zai)初(chu)(chu)级绕(rao)组(zu)(zu)中储存能量(liang)。

当开关管 VT1 截止(zhi)时，变(bian)压器Ｔ初级绕组中存储的能量，通过次级绕组及 VD1  整流和电容Ｃ滤波(bo)后向负载输出(chu)。

图3 单端反激式开关(guan)电源

单端反激式开关电(dian)(dian)(dian)(dian)源是一种成本最(zui)低的(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)源电(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)，输(shu)出(chu)(chu)功率为 20 － 100 Ｗ，可以同(tong)时输(shu)出(chu)(chu)不同(tong)的(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)压，且有较好(hao)的(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)压调整率。唯一的(de)缺(que)点是输(shu)出(chu)(chu)的(de)纹(wen)波电(dian)(dian)(dian)(dian)压较大，外特性差，适用于相(xiang)对(dui)固定的(de)负载。

单端反激(ji)式(shi)开关(guan)电(dian)源(yuan)使用(yong)的开关(guan)管 VT1  承受的最大反向电(dian)压是电(dian)路工(gong)作(zuo)电(dian)压值(zhi)的两倍(bei)，工(gong)作(zuo)频(pin)率在 20 － 200kHz 之间。

3、开关电源原理图-单端正激式开关电源

单端正激式开(kai)关(guan)电(dian)(dian)源(yuan)的典型电(dian)(dian)路如图四所示。这种电(dian)(dian)路在(zai)形式上与单端反(fan)激式电(dian)(dian)路相似，但工作情形不同。当开(kai)关(guan)管 VT1 导(dao)通时， VD2 也(ye)导(dao)通，这时电(dian)(dian)网向(xiang)负载传送能(neng)量(liang)，滤波电(dian)(dian)感Ｌ储(chu)存能(neng)量(liang)；当开(kai)关(guan)管 VT1 截止时，电(dian)(dian)感Ｌ通过续流二极(ji)管 VD3  ;继续向(xiang)负载释(shi)放能(neng)量(liang)。

图4 单端正激(ji)式开关(guan)电(dian)源

在(zai)电路(lu)(lu)(lu)中(zhong)还设有钳位线圈与二极管 VD2 ，它可以将开关管 VT1 的(de)(de)最高电压限制在(zai)两倍电源电压之间。为满足(zu)磁(ci)芯复(fu)位条件，即(ji)磁(ci)通建立(li)和复(fu)位时间应相(xiang)等，所以电路(lu)(lu)(lu)中(zhong)脉(mai)冲的(de)(de)占空(kong)比(bi)不能(neng)大于５０％。由于这种电路(lu)(lu)(lu)在(zai)开关管 VT1 导通时，通过(guo)变压器向负载传(chuan)送能(neng)量，所以输出(chu)功率范围大，可输出(chu) 50 － 200  Ｗ的(de)(de)功率。电路(lu)(lu)(lu)使用(yong)的(de)(de)变压器结构复(fu)杂，体积也较大，正因(yin)(yin)为这个原因(yin)(yin)，这种电路(lu)(lu)(lu)的(de)(de)实际(ji)应用(yong)较少。

4、开关电源原理图-自激式开关稳压电源

自激式开关(guan)稳压电(dian)源的典型电(dian)路(lu)如图五所示。这是一种利用间歇振荡电(dian)路(lu)组成的开关(guan)电(dian)源，也(ye)是目前广泛使用的基本电(dian)源之一。

图5 自(zi)激式开关稳压(ya)电源(yuan)

当接入(ru)电(dian)源后在 R1 给开关管(guan) VT1 提供启动电(dian)流(liu)，使(shi)(shi) VT1 开始导通，其集电(dian)极电(dian)流(liu) Ic 在 L1 中线性增长(zhang)，在 L2  中感应出使(shi)(shi) VT1  基极为正，发射极为负的正反馈电(dian)压，使(shi)(shi) VT1  很快饱和。

与(yu)此同时，感(gan)应电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)给(ji) C1 充电(dian)(dian)(dian)(dian)，随(sui)着 C1 充电(dian)(dian)(dian)(dian)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)的增高(gao)， VT1 基(ji)极(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)位(wei)逐渐变低，致(zhi)使(shi) VT1 退出(chu)饱(bao)和区(qu)， Ic  开(kai)始减小，在 L2  中感(gan)应出(chu)使(shi) VT1  基(ji)极(ji)(ji)为负、发(fa)射极(ji)(ji)为正的电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)，使(shi) VT1  迅速截(jie)止(zhi)，这(zhei)时二极(ji)(ji)管 VD1 导(dao)(dao)通，高(gao)频变压(ya)器Ｔ初级绕组中的储能释放(fang)给(ji)负载(zai)。在 VT1 截(jie)止(zhi)时， L2 中没有感(gan)应电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)，直流供电(dian)(dian)(dian)(dian)输人电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)又经 R1 给(ji) C1 反向充电(dian)(dian)(dian)(dian)，逐渐提高(gao) VT1 基(ji)极(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)位(wei)，使(shi)其(qi)重新导(dao)(dao)通，再次翻转(zhuan)达到饱(bao)和状态，电(dian)(dian)(dian)(dian)路就这(zhei)样(yang)重复振荡下去(qu)。

这里(li)就(jiu)像(xiang)单端反(fan)激式开关电源(yuan)那样(yang)，由变(bian)压器Ｔ的(de)次级绕组向负载输出所需要的(de)电压。自激式开关电源(yuan)中(zhong)的(de)开关管起着(zhe)开关及振荡的(de)双重作从，也省去了控(kong)制电路(lu)。电路(lu)中(zhong)由于(yu)负载位于(yu)变(bian)压器的(de)次级且工作在反(fan)激状态(tai)，具有(you)输人和输出相互(hu)隔离的(de)优点。这种电路(lu)不仅(jin)适(shi)(shi)用(yong)(yong)于(yu)大(da)功率(lv)(lv)电源(yuan)，亦适(shi)(shi)用(yong)(yong)于(yu)小(xiao)功率(lv)(lv)电源(yuan)。

5、开关电源原理图-推挽式开关电源

推挽式开关电(dian)源的(de)典型电(dian)路如图六所示。它属于双端式变换(huan)电(dian)路，高频变压器(qi)的(de)磁芯工作(zuo)在磁滞回线(xian)的(de)两(liang)侧。电(dian)路使用两(liang)个开关管 VT1 和 VT2 ，两(liang)个开关管在外激励方波(bo)信号的(de)控制下交替的(de)导(dao)通与截止，在变压器(qi)Ｔ次级统组得到方波(bo)电(dian)压，经整流滤波(bo)变为所需要的(de)直流电(dian)压。

图6 推挽式(shi)开(kai)关电(dian)源

这种(zhong)电(dian)路(lu)的(de)优(you)点(dian)是两个开关管容易驱动，主要(yao)缺点(dian)是开关管的(de)耐压要(yao)达到两倍电(dian)路(lu)峰值电(dian)压。电(dian)路(lu)的(de)输出功率较大，一般(ban)在 100-500Ｗ范围内。

6、开关电源原理图-降压式开关电源

降压(ya)式开(kai)关(guan)电源的(de)典型电路如图七所示。当开(kai)关(guan)管 VT1  导通时，二极(ji)管 VD1  截止(zhi)，输(shu)人的(de)整流(liu)电压(ya)经 VT1 和 L 向Ｃ充电，这一电流(liu)使电感(gan)(gan)Ｌ中(zhong)的(de)储(chu)能增加(jia)。当开(kai)关(guan)管 VT1 截止(zhi)时，电感(gan)(gan)Ｌ感(gan)(gan)应出左负(fu)右正(zheng)的(de)电压(ya)，经负(fu)载 RL 和续(xu)流(liu)二极(ji)管 VD1 释(shi)放电感(gan)(gan)Ｌ中(zhong)存储(chu)的(de)能量，维持输(shu)出直流(liu)电压(ya)不(bu)变。电路输(shu)出直流(liu)电压(ya)的(de)高低由加(jia)在 VT1 基极(ji)上的(de)脉冲(chong)宽(kuan)度确定(ding)。

图(tu)7 降(jiang)压式(shi)开关电源

这种(zhong)(zhong)电(dian)(dian)路使用元件(jian)少，它同下面介绍(shao)的(de)另外两种(zhong)(zhong)电(dian)(dian)路一样，只需要利(li)用电(dian)(dian)感(gan)、电(dian)(dian)容和二极管即可实现。

7、开关电源原理图-升压式开关电源

升压(ya)式开关电(dian)源的稳压(ya)电(dian)路如(ru)图八所示(shi)。当开关管  VT1  导通时，电(dian)感(gan)Ｌ储存能(neng)量。当开关管 VT1  截止(zhi)时，电(dian)感(gan)Ｌ感(gan)应出(chu)左(zuo)负右正的电(dian)压(ya)，该电(dian)压(ya)叠加在(zai)输(shu)(shu)人电(dian)压(ya)上，经(jing)二极管 VD1 向负载供电(dian)，使输(shu)(shu)出(chu)电(dian)压(ya)大于输(shu)(shu)人电(dian)压(ya)，形(xing)成升压(ya)式开关电(dian)源。

图8 升压式开关电源

8、开关电源原理图-反转式开关电源

反转(zhuan)式(shi)开关(guan)电(dian)源(yuan)的(de)(de)典型电(dian)路(lu)(lu)如图九所示。这种(zhong)电(dian)路(lu)(lu)又称为升降压(ya)式(shi)开关(guan)电(dian)源(yuan)。无论(lun)开关(guan)管 VT1 之前(qian)的(de)(de)脉动(dong)直流电(dian)压(ya)高于或低于输出端(duan)的(de)(de)稳定电(dian)压(ya)，电(dian)路(lu)(lu)均(jun)能正常(chang)工(gong)作。

图9 反(fan)转式开(kai)关电(dian)源(yuan)

当(dang)开(kai)(kai)关(guan)管(guan)VT1导通时(shi)(shi)，电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)感(gan)L储存能量，二(er)极管(guan)VD1截(jie)止，负载(zai)RL靠电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容C上(shang)次的(de)充(chong)(chong)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷供(gong)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。当(dang)开(kai)(kai)关(guan)管(guan)VT1截(jie)止时(shi)(shi)，电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)感(gan)Ｌ中的(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流继续流通，并(bing)感(gan)应出上(shang)负下(xia)正的(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压，经二(er)极管(guan) VD1向负载(zai)供(gong)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)，同(tong)时(shi)(shi)给电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容Ｃ充(chong)(chong)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。

开关电源发展方向分析

开(kai)关(guan)(guan)电(dian)(dian)源高(gao)频化是其发(fa)(fa)展的(de)(de)方向，高(gao)频化使开(kai)关(guan)(guan)电(dian)(dian)源小型化，并使开(kai)关(guan)(guan)电(dian)(dian)源进入(ru)更广泛的(de)(de)应用(yong)领域，特别是在高(gao)新技(ji)术领域的(de)(de)应用(yong)，推动了开(kai)关(guan)(guan)电(dian)(dian)源的(de)(de)发(fa)(fa)展前进，每(mei)年以超过两位数字的(de)(de)增长率向着轻、小、薄、低噪声、高(gao)可靠、抗干扰(rao)的(de)(de)方向发(fa)(fa)展。

开关电(dian)源(yuan)可(ke)分为AC/DC和(he)DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模(mo)块(kuai)化，且设计(ji)技术及(ji)生产工艺在国内外均(jun)已成(cheng)熟和(he)标准化，并(bing)已得(de)到(dao)用户的认可(ke)，但AC/DC的模(mo)块(kuai)化，因其自身(shen)的特性使(shi)得(de)在模(mo)块(kuai)化的进程中，遇到(dao)较为复杂的技术和(he)工艺制造问(wen)题。

另外，开关(guan)电源的发展(zhan)与应用在节(jie)(jie)约(yue)(yue)能源、节(jie)(jie)约(yue)(yue)资(zi)源及(ji)保(bao)护环境方面都具有重要(yao)的意义(yi)。开(kai)关电(dian)源中应用的电(dian)力电(dian)子器件主要为二极管、IGBT和MOSFET、变压器。

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