开关电源原理详解.docx

### 开关电源原理详解 #### 一、开关电源的基本组成 开关电源是一种高效能的电源转换设备，广泛应用于计算机及其他电子设备中。其主要组成部分包括输入电磁干扰滤波器(EMI)、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路等，并配有助电路如输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路以及输出短路保护电路等。 #### 二、输入电路原理及常见电路 ##### 1. AC 输入整流滤波电路 - **防雷电路**：在电源遭受雷击等异常高压冲击时，由MOV1、MOV2、MOV3以及保险丝F1、F2、F3和放电管FDG1组成的电路起到保护作用。当压敏电阻两端的电压超过其阈值时，压敏电阻的阻值会迅速下降，消耗掉大部分过压能量，同时保险丝F1、F2、F3可能会熔断以进一步保护内部电路。 - **输入滤波电路**：C1、L1、C2、C3组成双π型滤波网络，用于抑制输入电源中的电磁噪声及杂波信号，避免这些噪声干扰到电源本身或其他连接的设备。在电源启动初期，热敏电阻RT1可以有效限制浪涌电流，保护后续电路不受损害。 - **整流滤波电路**：交流电压经过桥式整流器BRG1整流后，再经过电容C5滤波，得到较为纯净的直流电压。如果C5的容量减小，输出的交流纹波将会增加。 ##### 2. DC 输入滤波电路 - **输入滤波电路**：C1、L1、C2组成双π型滤波网络，起到与AC输入滤波类似的作用。此外，C3、C4为安全标准电容，L2、L3为差模电感，它们共同组成一个更完善的滤波系统。 - **抗浪涌电路**：R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7组成的电路能够有效防止电源启动时的浪涌电流。如果C8漏电或者后续电路出现短路，则启动时RT1上的电压降会增大，导致Q1导通从而使Q2无法工作，最终RT1会在短时间内烧毁以保护后续电路。 #### 三、功率变换电路 ##### 1. MOS管的工作原理 MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是开关电源中最常用的开关元件之一。MOS管利用栅极电压控制漏极电流，具有非常高的输入阻抗，最高可达10^5欧姆。MOS管的工作原理基于半导体表面电场效应，通过改变栅极与源极之间的电压来控制漏极电流。 ##### 2. 常见的功率变换电路 - **缓冲器电路**：R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2等元件组成缓冲器，与MOS管并联，用于减少开关管上的电压应力和电磁干扰（EMI）。在MOS管关断时，这些元件能够吸收变压器原边线圈产生的尖峰电压和电流。 - **电流限制电路**：从R3检测到的电流峰值信号参与当前工作周期的占空比控制，实现电流限制功能。当R5上的电压达到1V时，PWM控制器UC3842停止工作，使MOS管立即关断。 - **RC网络**：R1与MOS管的栅极结电容CGS、CGD组成RC网络，该网络的充放电过程直接影响开关管的开关速度。R1的值选择不当会导致电磁干扰增强或开关速度降低。 - **GS电压限制电路**：Z1作为电压钳位元件，通常将MOS管的GS电压限制在18V以下，以保护MOS管免受过高电压的损害。 - **工作原理**：IC根据输出电压和电流的变化动态调整PWM控制器⑥脚的锯齿波占空比大小，确保输出电压和电流的稳定性。当MOS管导通时间增加时，变压器储存的能量也随之增加；当MOS管截止时，变压器通过D1、D2、R5、R4、C3释放能量，完成磁场复位。 ##### 3. 推挽式功率变换电路与驱动变压器的功率变换电路 - **推挽式功率变换电路**：采用两个MOS管Q1和Q2轮流导通的方式进行能量转换。 - **带驱动变压器的功率变换电路**：通过驱动变压器T2来控制开关变压器T1，实现能量转换。此外，电流环TR1用于监测和控制电流，以保持输出稳定。 #### 四、输出整流滤波电路 ##### 1. 正激式整流电路 - **基本结构**：包括开关变压器T1、整流二极管D1、续流二极管D2、削尖峰电路R1、C1、R2、C2、续流电感L1、π型滤波器C4、L2、C5等。 ##### 2. 反激式整流电路 - **基本结构**：包括开关变压器T1、整流二极管D1、削尖峰电路R1、C1、续流电感L1、假负载R2、π型滤波器C4、L2、C5等。与正激式不同的是，变压器初级与次级的相位相反。 ##### 3. 同步整流电路 - **基本结构与工作原理**：当变压器次级端为正时，电流经过C2、R5、R6、R7使得MOS管Q2导通，形成闭合回路，Q2作为整流管；此时Q1因反向偏置而截止。反之，当变压器次级端为负时，电流经由C3、R4、R2使得MOS管Q1导通，形成闭合回路，Q1作为整流管；此时Q2因反向偏置而截止。同步整流电路通过MOS管替代传统二极管进行整流，可以显著降低整流过程中的损耗。 开关电源通过复杂的电路设计实现了高效的能量转换与稳定的输出控制，是现代电子设备中不可或缺的关键部件。通过对上述各个部分的深入了解，可以帮助我们更好地掌握开关电源的工作原理和技术细节。