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開關電源工作原理詳細分析

發布日期:2016-10-20 00:00 來源: 點擊:

PC電源知多少

个人PC所采用的電源都是基于一种名为“开关模式”的技术,所以我们经常会将个人PC電源称之为——开关電源(Switching Mode Power Supplies,简称SMPS),它还有一个绰号——DC-DC转化器。本次文章我们将会为您解读开关電源的工作模式和原理、   开关電源內部的元器件的介紹以及這些元器件的功能。

●线性電源知多少

目前主要包括两种電源类型:线性電源(linear)和开关電源(switching)。线性電源的工作原理是首先将127 V或者220 V市电通过变压器转为低压电,比如说12V,而且经过转换后的低压依然是AC交流电;然后再通过一系列的二极管进行矫正和整流,并将低压AC交流电转化为脉动电压(配图1和2中的“3”);下一步需要对脉动电压进行滤波,通过电容完成,然后将经过滤波后的低压交流电转换成DC直流电(配图1和2中的“4”);此时得到的低压直流电依然不够纯净,会有一定的波动(这种电压波动就是我们常说的纹波),所以还需要稳压二极管或者电压整流电路进行矫正。最后,我们就可以得到纯净的低压DC直流电输出了(配图1和2中的“5”)

其实很简单 开关電源工作原理全面剖析

配图1:标准的线性電源设计图

 

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配图2:线性電源的波形

尽管说线性電源非常适合为低功耗设备供电,比如说无绳丁香五月天缴清中文、PlayStation/Wii/Xbox等游戏主机等等,但是对于高功耗设备而言,线性電源将会力不从心。

对于线性電源而言,其内部电容以及变压器的大小和AC市电的频率成反比:也即说如果输入市电的频率越低时,线性電源就需要越大的电容和变压器,反之亦然。由于当前一直采用的是60Hz(有些国家是50Hz)频率的AC市电,这是一个相对较低的频率,所以其变压器以及电容的个头往往都相对比较大。此外,AC市电的浪涌越大,线性電源的变压器的个头就越大。

由此可见,对于个人PC领域而言,制造一台线性電源将会是一件疯狂的举动,因为它的体积将会非常大、重量也会非常的重。所以说个人PC用户并不适合用线性電源。

●开关電源知多少

开关電源可以通过高频开关模式很好的解决这一问题。对于高频开关電源而言,AC输入电压可以在进入变压器之前升压(升压前一般是50-60 KHz)。随着输入电压的升高,变压器以及电容等元器件的个头就不用像线性電源那么的大。这种高频开关電源正是我们的个人PC以及像VCR录像机这样的设备所需要的。需要说明的是,我们经常所说的“开关電源”其实是“高频开关電源”的缩写形式,和電源本身的关闭和开启式没有任何关系的。

事实上,终端用户的PC的電源采用的是一种更为优化的方案:闭回路系统(closed loop system)——负责控制开关管的电路,从電源的输出获得反馈信号,然后根据PC的功耗来增加或者降低某一周期内的电压的频率以便能够适应電源的变压器(这个方法称作PWM,Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制)。所以说,开关電源可以根据与之相连的耗电设备的功耗的大小来自我调整,从而可以让变压器以及其他的元器件带走更少量的能量,而且降低发热量。

反观线性電源,它的设计理念就是功率至上,即便负载电路并不需要很大电流。这样做的后果就是所有元件即便非必要的时候也工作在满负荷下,结果产生高很多的热量。

看图说话:图解开关電源

下图3和4描述的是开关電源的PWM反馈机制。图3描述的是没有PFC(Power Factor Correction,功率因素校正) 电路的廉价電源,图4描述的是采用主动式PFC设计的中高端電源。

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图3:没有PFC电路的電源

 

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图4:有PFC电路的電源

通过图3和图4的对比我们可以看出两者的不同之处:一个具备主动式PFC电路而另一个不具备,前者没有110/220 V转换器,而且也没有电压倍压电路。下文我们的重点将会是主动式PFC電源的讲解。

为了让读者能够更好的理解電源的工作原理,以上我们提供的是非常基本的图解,图中并未包含其他额外的电路,比如说短路保护、待机电路以及PG信号发生器等等。当然了,如果您还想了解一下更加详尽的图解,请看图5。如果看不懂也没关系,因为这张图本来就是为那些专业電源设计人员看的。

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图5:典型的低端ATX電源设计图

你可能会问,图5设计图中为什么没有电压整流电路?事实上,PWM电路已经肩负起了电压整流的工作。输入电压在经过开关管之前将会再次校正,而且进入变压器的电压已经成为方形波。所以,变压器输出的波形也是方形波,而不是正弦波。由于此时波形已经是方形波,所以电压可以轻而易举的被变压器转换为DC直流电压。也就是说,当电压被变压器重新校正之后,输出电压已经变成了DC直流电压。这就是为什么很多时候开关電源经常会被称之为DC-DC转换器。

饋送PWM控制電路的回路負責所有需要的調節功能。如果輸出電壓錯誤時,PWM控制電路就會改變工作周期的控制信號以適應變壓器,最終將輸出電壓校正過來。這種情況經常會發生在PC功耗升高的時,此時輸出電壓趨于下降,或者PC功耗下降的時,此時輸出電壓趨于上升。

在看下一頁是,我們有必要了解一下以下信息:

★在變壓器之前的所有電路及模塊稱爲“primary”(一次側),在變壓器之後的所有電路及模塊稱爲“secondary”(二次側);

★采用主动式PFC设计的電源不具备110 V/ 220 V转换器,同时也没有电压倍压器;

★对于没有PFC电路的電源而言,如果110 V / 220 V被设定为110 V时,电流在进入整流桥之前,電源本身将会利用电压倍压器将110 V提升至220 V左右;

★PC電源上的开关管由一对功率MOSFET管构成,当然也有其他的组合方式,之后我们将会详解;

★變壓器所需波形爲方形波,所以通過變壓器後的電壓波形都是方形波,而非正弦波;

★PWM控制電流往往都是集成電路,通常是通過一個小的變壓器與一次側隔離,而有時候也可能是通過耦合芯片(一種很小的帶有LED和光電晶體管的IC芯片)和一次側隔離;

★PWM控制电路是根据電源的输出负载情况来控制電源的开关管的闭合的。如果输出电压过高或者过低时,PWM控制电路将会改变电压的波形以适应开关管,从而达到校★正输出电压的目的;


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