「干货」8款开关电源电路设计、工作原理图详解

开关电源简介

开关电源原理图详解，开关电源又称交换式电源、开关变换器，是一种高频化电能转换装置，是电源供应器的一种。其功能是将一个位准的电压，透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。

开关电源的基本组成

01

主电路



冲击电流限幅：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。

输入滤波器：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。

整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。

逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分。

输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。



02

控制电路



一方面从输出端取样，与设定值进行比较，然后去控制逆变器，改变其脉宽或脉频，使输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对电源进行各种保护措施。



03

测电路



提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。



04

辅助电源



实现电源的软件（远程）启动，为保护电路和控制电路（PWM等芯片）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

开关式稳压电源接控制方式分为调宽式和调频式两种，在实际的应用中，调宽式使用得较多，在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数也为脉宽调制型(PWM)。因此下面就主要介绍调宽式开关稳压电源。

调宽式开关稳压电源的基本原理可参见下图。



图1 调宽式示意图

对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压 Uo 取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。直流平均电压Ｕ。可由公式计算，即

Uo=Um×T1/T

式中 Um 为矩形脉冲最大电压值；T为矩形脉冲周期；T1为矩形脉冲宽度。从上式可以看出，当Um与T不变时，直流平均电压Uo将与脉冲宽度T1成正比。这样，只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，就可以达到稳定电压的目的。

二

开关式稳压电源的原理电路-开关电源原理图



01

基本电路





图2 开关电源基本电路框图

交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。

控制电路为一脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化，制成了各种开关电源用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。



02

开关电源原理图-单端反激式开关电源



单端反激式开关电源的典型电路如图三所示。电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激，是指当开关管 VT1 导通时，高频变压器Ｔ初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管 VD1 处于截止状态，在初级绕组中储存能量。

当开关管 VT1 截止时，变压器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滤波后向负载输出。



图3 单端反激式开关电源

单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路，输出功率为 20-100 Ｗ，可以同时输出不同的电压，且有较好的电压调整率。唯一的缺点是输出的纹波电压较大，外特性差，适用于相对固定的负载。

单端反激式开关电源使用的开关管 VT1 承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍，工作频率在 20-200kHz 之间。



03

开关电源原理图-单端正激式开关电源



单端正激式开关电源的典型电路如图四所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似，但工作情形不同。当开关管 VT1 导通时， VD2 也导通，这时电网向负载传送能量，滤波电感Ｌ储存能量；当开关管 VT1 截止时，电感Ｌ通过续流二极管 VD3  继续向负载释放能量。



图4 单端正激式开关电源

在电路中还设有钳位线圈与二极管 VD2 ，它可以将开关管 VT1 的最高电压限制在两倍电源电压之间。为满足磁芯复位条件，即磁通建立和复位时间应相等，所以电路中脉冲的占空比不能大于50%。由于这种电路在开关管 VT1 导通时，通过变压器向负载传送能量，所以输出功率范围大，可输出 50-200 Ｗ的功率。电路使用的变压器结构复杂，体积也较大，正因为这个原因，这种电路的实际应用较少。



04

开关电源原理图-自激式开关稳压电源



自激式开关稳压电源的典型电路如图五所示。这是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源，也是目前广泛使用的基本电源之一。



图5 自激式开关稳压电源

当接入电源后在 R1 给开关管 VT1 提供启动电流，使 VT1 开始导通，其集电极电流 Ic 在 L1 中线性增长，在 L2  中感应出使 VT1 基极为正，发射极为负的正反馈电压，使 VT1 很快饱和。

与此同时，感应电压给 C1 充电，随着 C1 充电电压的增高，VT1 基极电位逐渐变低，致使 VT1 退出饱和区，Ic 开始减小，在 L2 中感应出使 VT1 基极为负、发射极为正的电压，使 VT1 迅速截止，这时二极管 VD1 导通，高频变压器Ｔ初级绕组中的储能释放给负载。在 VT1 截止时，L2 中没有感应电压，直流供电输人电压又经 R1 给 C1 反向充电，逐渐提高 VT1 基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。

这里就像单端反激式开关电源那样，由变压器Ｔ的次级绕组向负载输出所需要的电压。自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作从，也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态，具有输人和输出相互隔离的优点。这种电路不仅适用于大功率电源，亦适用于小功率电源。



05

开关电源原理图-推挽式开关电源



推挽式开关电源的典型电路如图六所示。它属于双端式变换电路，高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。电路使用两个开关管 VT1 和 VT2，两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止，在变压器Ｔ次级统组得到方波电压，经整流滤波变为所需要的直流电压。



图6 推挽式开关电源

这种电路的优点是两个开关管容易驱动，主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大，一般在100-500Ｗ范围内。



06

开关电源原理图-降压式开关电源



降压式开关电源的典型电路如图七所示。当开关管 VT1 导通时，二极管 VD1 截止，输人的整流电压经 VT1 和 L 向Ｃ充电，这一电流使电感Ｌ中的储能增加。当开关管 VT1 截止时，电感Ｌ感应出左负右正的电压，经负载 RL和续流二极管 VD1 释放电感Ｌ中存储的能量，维持输出直流电压不变。电路输出直流电压的高低由加在 VT1 基极上的脉冲宽度确定。



图7 降压式开关电源

这种电路使用元件少，它同下面介绍的另外两种电路一样，只需要利用电感、电容和二极管即可实现。



07

开关电源原理图-升压式开关电源



升压式开关电源的稳压电路如图八所示。当开关管 VT1 导通时，电感Ｌ储存能量。当开关管 VT1 截止时，电感Ｌ感应出左负右正的电压，该电压叠加在输人电压上，经二极管 VD1 向负载供电，使输出电压大于输人电压，形成升压式开关电源。



图8 升压式开关电源



08

开关电源原理图-反转式开关电源



反转式开关电源的典型电路如图九所示。这种电路又称为升降压式开关电源。无论开关管 VT1 之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压，电路均能正常工作。



图9 反转式开关电源

当开关管VT1导通时，电感L储存能量，二极管VD1截止，负载RL靠电容C上次的充电电荷供电。当开关管VT1截止时，电感Ｌ中的电流继续流通，并感应出上负下正的电压，经二极管 VD1向负载供电，同时给电容Ｃ充电。

开关电源发展方向分析

开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了开关电源的发展前进，每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。

开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。

另外，开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、IGBT和MOSFET、变压器。

来源：开关电源讲堂

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