開(kāi)關(guān)電源的工作原理及電路圖詳解

本文以豐富的開(kāi)關(guān)電源案例分析，介紹單端正激式開(kāi)關(guān)電源，自激式開(kāi)關(guān)電源，推挽式開(kāi)關(guān)電源、降壓式開(kāi)關(guān)電源、升壓式開(kāi)關(guān)電源和反轉式開(kāi)關(guān)電源。

隨著(zhù)全球對能源問(wèn)題的重視，電子產(chǎn)品的耗能問(wèn)題將愈來(lái)愈突出，如何降低其待機功耗，提高供電效率成為一個(gè)急待解決的問(wèn)題。傳統的線(xiàn)性穩壓電源雖然電路結構簡(jiǎn)單、工作可靠，但它存在著(zhù)效率低（只有40%-50%）、體積大、銅鐵消耗量大，工作溫度高及調整范圍小等缺點(diǎn)。為了提高效率，人們研制出了開(kāi)關(guān)式穩壓電源，它的效率可達85%以上，穩壓范圍寬，除此之外，還具有穩壓精度高、不使用電源變壓器等特點(diǎn)，是一種較理想的穩壓電源。正因為如此，開(kāi)關(guān)式穩壓電源已廣泛應用于各種電子設備中，本文對各類(lèi)開(kāi)關(guān)電源的工作原理作一闡述。

一、開(kāi)關(guān)式穩壓電源的基本工作原理

開(kāi)關(guān)式穩壓電源接控制方式分為調寬式和調頻式兩種，在實(shí)際的應用中，調寬式使用得較多，在目前開(kāi)發(fā)和使用的開(kāi)關(guān)電源集成電路中，絕大多數也為脈寬調制型。因此下面就主要介紹調寬式開(kāi)關(guān)穩壓電源。

調寬式開(kāi)關(guān)穩壓電源的基本原理可參見(jiàn)下圖。

對于單極性矩形脈沖來(lái)說(shuō)，其直流平均電壓Uo取決于矩形脈沖的寬度，脈沖越寬，其直流平均電壓值就越高。直流平均電壓U?？捎晒接嬎?，

即Uo=Um×T1/T

式中Um為矩形脈沖最大電壓值;T為矩形脈沖周期;T1為矩形脈沖寬度。

從上式可以看出，當Um與T不變時(shí)，直流平均電壓Uo將與脈沖寬度T1成正比。這樣，只要我們設法使脈沖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。

二、開(kāi)關(guān)式穩壓電源的原理電路

1、基本電路

圖二開(kāi)關(guān)電源基本電路框圖

開(kāi)關(guān)式穩壓電源的基本電路框圖如圖二所示。

交流電壓經(jīng)整流電路及濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動(dòng)成份的直流電壓，該電壓進(jìn)人高頻變換器被轉換成所需電壓值的方波，最后再將這個(gè)方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?/p>

控制電路為一脈沖寬度調制器，它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調制及基準電壓等電路構成。這部分電路目前已集成化，制成了各種開(kāi)關(guān)電源用集成電路?？刂齐娐酚脕?lái)調整高頻開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)時(shí)間比例，以達到穩定輸出電壓的目的。

2.單端反激式開(kāi)關(guān)電源

單端反激式開(kāi)關(guān)電源的典型電路如圖三所示。電路中所謂的單端是指高頻變換器的磁芯僅工作在磁滯回線(xiàn)的一側。所謂的反激，是指當開(kāi)關(guān)管VT1導通時(shí)，高頻變壓器T初級繞組的感應電壓為上正下負，整流二極管VD1處于截止狀態(tài)，在初級繞組中儲存能量。當開(kāi)關(guān)管VT1截止時(shí)，變壓器T初級繞組中存儲的能量，通過(guò)次級繞組及VD1整流和電容C濾波后向負載輸出。

單端反激式開(kāi)關(guān)電源是一種成本最低的電源電路，輸出功率為20-100W，可以同時(shí)輸出不同的電壓，且有較好的電壓調整率。唯一的缺點(diǎn)是輸出的紋波電壓較大，外特性差，適用于相對固定的負載。

單端反激式開(kāi)關(guān)電源使用的開(kāi)關(guān)管VT1承受的最大反向電壓是電路工作電壓值的兩倍，工作頻率在20-200kHz之間。

3.單端正激式開(kāi)關(guān)電源

單端正激式開(kāi)關(guān)電源的典型電路如圖四所示。這種電路在形式上與單端反激式電路相似，但工作情形不同。當開(kāi)關(guān)管VT1導通時(shí)，VD2也導通，這時(shí)電網(wǎng)向負載傳送能量，濾波電感L儲存能量;當開(kāi)關(guān)管VT1截止時(shí)，電感L通過(guò)續流二極管VD3繼續向負載釋放能量。

在電路中還設有鉗位線(xiàn)圈與二極管VD2，它可以將開(kāi)關(guān)管VT1的最高電壓限制在兩倍電源電壓之間。為滿(mǎn)足磁芯復位條件，即磁通建立和復位時(shí)間應相等，所以電路中脈沖的占空比不能大于50%。由于這種電路在開(kāi)關(guān)管VT1導通時(shí)，通過(guò)變壓器向負載傳送能量，所以輸出功率范圍大，可輸出50-200W的功率。電路使用的變壓器結構復雜，體積也較大，正因為這個(gè)原因，這種電路的實(shí)際應用較少。

4.自激式開(kāi)關(guān)穩壓電源

自激式開(kāi)關(guān)穩壓電源的典型電路如圖五所示。這是一種利用間歇振蕩電路組成的開(kāi)關(guān)電源，也是目前廣泛使用的基本電源之一。

當接入電源后在R1給開(kāi)關(guān)管VT1提供啟動(dòng)電流，使VT1開(kāi)始導通，其集電極電流Ic在L1中線(xiàn)性增長(cháng)，在L2中感應出使VT1基極為正，發(fā)射極為負的正反饋電壓，使VT1很快飽和。與此同時(shí)，感應電壓給C1充電，隨著(zhù)C1充電電壓的增高，VT1基極電位逐漸變低，致使VT1退出飽和區，Ic開(kāi)始減小，在L2中感應出使VT1基極為負、發(fā)射極為正的電壓，使VT1迅速截止，這時(shí)二極管VD1導通，高頻變壓器T初級繞組中的儲能釋放給負載。在VT1截止時(shí)，L2中沒(méi)有感應電壓，直流供電輸人電壓又經(jīng)R1給C1反向充電，逐漸提高VT1基極電位，使其重新導通，再次翻轉達到飽和狀態(tài)，電路就這樣重復振蕩下去。這里就像單端反激式開(kāi)關(guān)電源那樣，由變壓器T的次級繞組向負載輸出所需要的電壓。

自激式開(kāi)關(guān)電源中的開(kāi)關(guān)管起著(zhù)開(kāi)關(guān)及振蕩的雙重作從，也省去了控制電路。電路中由于負載位于變壓器的次級且工作在反激狀態(tài)，具有輸人和輸出相互隔離的優(yōu)點(diǎn)。這種電路不僅適用于大功率電源，亦適用于小功率電源。

5.推挽式開(kāi)關(guān)電源

推挽式開(kāi)關(guān)電源的典型電路如圖六所示。它屬于雙端式變換電路，高頻變壓器的磁芯工作在磁滯回線(xiàn)的兩側。電路使用兩個(gè)開(kāi)關(guān)管VT1和VT2，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管在外激勵方波信號的控制下交替的導通與截止，在變壓器T次級統組得到方波電壓，經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?/p>

這種電路的優(yōu)點(diǎn)是兩個(gè)開(kāi)關(guān)管容易驅動(dòng)，主要缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)管的耐壓要達到兩倍電路峰值電壓。電路的輸出功率較大，一般在100-500W范圍內。

6.降壓式開(kāi)關(guān)電源

降壓式開(kāi)關(guān)電源的典型電路如圖七所示。當開(kāi)關(guān)管VT1導通時(shí)，二極管VD1截止，輸人的整流電壓經(jīng)VT1和L向C充電，這一電流使電感L中的儲能增加。當開(kāi)關(guān)管VT1截止時(shí)，電感L感應出左負右正的電壓，經(jīng)負載RL和續流二極管VD1釋放電感L中存儲的能量，維持輸出直流電壓不變。電路輸出直流電壓的高低由加在VT1基極上的脈沖寬度確定。

這種電路使用元件少，它同下面介紹的另外兩種電路一樣，只需要利用電感、電容和二極管即可實(shí)現。

7.升壓式開(kāi)關(guān)電源

升壓式開(kāi)關(guān)電源的穩壓電路如圖八所示。當開(kāi)關(guān)管VT1導通時(shí)，電感L儲存能量。當開(kāi)關(guān)管VT1截止時(shí)，電感L感應出左負右正的電壓，該電壓疊加在輸人電壓上，經(jīng)二極管VD1向負載供電，使輸出電壓大于輸人電壓，形成升壓式開(kāi)關(guān)電源。

8.反轉式開(kāi)關(guān)電源

反轉式開(kāi)關(guān)電源的典型電路如圖九所示。這種電路又稱(chēng)為升降壓式開(kāi)關(guān)電源。無(wú)論開(kāi)關(guān)管VT1之前的脈動(dòng)直流電壓高于或低于輸出端的穩定電壓，電路均能正常工作。

當開(kāi)關(guān)管VT1導通時(shí)，電感L儲存能量，二極管VD1截止，負載RL靠電容C上次的充電電荷供電。當開(kāi)關(guān)管VT1截止時(shí)，電感L中的電流繼續流通，并感應出上負下正的電壓，經(jīng)二極管VD1向負載供電，同時(shí)給電容C充電。

以上介紹了脈沖寬度調制式開(kāi)關(guān)穩壓電源的基本工作原理和各種電路類(lèi)型，在實(shí)際應用中，會(huì )有各種各樣的實(shí)際控制電路，但無(wú)論怎樣，也都是在這些基礎上發(fā)展出來(lái)的。