開關(guān)電源工作原理

開關(guān)電源工作原理

第1頁：前言：PC電源知多少

個(gè)人PC所采用的電源都是基于一種名為“開關(guān)模式”的技術(shù)，所以我們經(jīng)常會(huì)將個(gè)人PC電源稱之為——開關(guān)電源（Switching Mode Power Supplies，簡(jiǎn)稱SMPS），它還有一個(gè)綽號(hào)——DC-DC轉(zhuǎn)化器。本次文章我們將會(huì)為您解讀開關(guān)電源的工作模式和原理、開關(guān)電源內(nèi)部的元器件的介紹以及這些元器件的功能。

●線性電源知多少

目前主要包括兩種電源類型：線性電源（linear）和開關(guān)電源（switching）。線性電源的工作原理是首先將127 V或者220 V市電通過變壓器轉(zhuǎn)為低壓電，比如說12V開關(guān)電源，而且經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的低壓依然是AC交流電；然后再通過一系列的二極管進(jìn)行矯正和整流，并將低壓AC交流電轉(zhuǎn)化為脈動(dòng)電壓（配圖1和2中的“3”）；下一步需要對(duì)脈動(dòng)電壓進(jìn)行濾波，通過電容完成，然后將經(jīng)過濾波后的低壓交流電轉(zhuǎn)換成DC直流電（配圖1和2中的“4”）；此時(shí)得到的低壓直流電依然不夠純凈，會(huì)有一定的波動(dòng)（這種電壓波動(dòng)就是我們常說的紋波），所以還需要穩(wěn)壓二極管或者電壓整流電路進(jìn)行矯正。后，我們就可以得到純凈的低壓DC直流電輸出了（配圖1和2中的“5”）

配圖1：標(biāo)準(zhǔn)的線性電源設(shè)計(jì)圖

配圖2：線性電源的波形

盡管說線性電源非常適合為低功耗設(shè)備供電，比如說無繩電話、PlayStation/Wii/Xbox等游戲主機(jī)等等，但是對(duì)于高功耗設(shè)備而言，線性電源將會(huì)力不從心。

對(duì)于線性電源而言，其內(nèi)部電容以及變壓器的大小和AC市電的頻率成反比：也即說如果輸入市電的頻率越低時(shí)，線性電源就需要越大的電容和變壓器，反之亦然。由于當(dāng)前一直采用的是60Hz（有些是50Hz）頻率的AC市電，這是一個(gè)相對(duì)較低的頻率，所以其變壓器以及電容的個(gè)頭往往都相對(duì)比較大。此外，AC市電的浪涌越大，線性電源的變壓器的個(gè)頭就越大。

由此可見，對(duì)于個(gè)人PC領(lǐng)域而言，制造一臺(tái)線性電源將會(huì)是一件瘋狂的舉動(dòng)，因?yàn)樗捏w積將會(huì)非常大、重量也會(huì)非常的重。所以說個(gè)人PC用戶并不適合用線性電源。

●開關(guān)電源知多少

開關(guān)電源可以通過高頻開關(guān)模式很好的解決這一問題。對(duì)于高頻開關(guān)電源而言，AC輸入電壓可以在進(jìn)入變壓器之前升壓（升壓前一般是50-60 KHz）。隨著輸入電壓的升高，變壓器以及電容等元器件的個(gè)頭就不用像線性電源那么的大。這種高頻開關(guān)電源正是我們的個(gè)人PC以及像VCR錄像機(jī)這樣的設(shè)備所需要的。需要說明的是，我們經(jīng)常所說的“開關(guān)電源”其實(shí)是“高頻開關(guān)電源”的縮寫形式，和電源本身的關(guān)閉和開啟式?jīng)]有任何關(guān)系的。

事實(shí)上，終端用戶的PC的電源采用的是一種更為優(yōu)化的方案：閉回路系統(tǒng)（closed loop system）——負(fù)責(zé)控制開關(guān)管的電路，從電源的輸出獲得反饋信號(hào)，然后根據(jù)PC的功耗來增加或者降低某一周期內(nèi)的電壓的頻率以便能夠適應(yīng)電源的變壓器（這個(gè)方法稱作PWM，Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）。所以說，開關(guān)電源可以根據(jù)與之相連的耗電設(shè)備的功耗的大小來自我調(diào)整，從而可以讓變壓器以及其他的元器件帶走更少量的能量，而且降低發(fā)熱量。

反觀線性電源，它的設(shè)計(jì)理念就是功率至上，即便負(fù)載電路并不需要很大電流。這樣做的后果就是所有元件即便非必要的時(shí)候也工作在滿負(fù)荷下，結(jié)果產(chǎn)生高很多的熱量。

第2頁：看圖說話：圖解開關(guān)電源

下圖3和4描述的是開關(guān)電源的PWM反饋機(jī)制。圖3描述的是沒有PFC(Power Factor Correction，功率因素校正) 電路的廉價(jià)電源，圖4描述的是采用主動(dòng)式PFC設(shè)計(jì)的中高端電源。

圖3：沒有PFC電路的電源

圖4：有PFC電路的電源

通過圖3和圖4的對(duì)比我們可以看出兩者的不同之處：一個(gè)具備主動(dòng)式PFC電路而另一個(gè)不具備，前者沒有110/220 V轉(zhuǎn)換器，而且也沒有電壓倍壓電路。下文我們的重點(diǎn)將會(huì)是主動(dòng)式PFC電源的講解。

為了讓讀者能夠更好的理解電源的工作原理，以上我們提供的是非?；镜膱D解，圖中并未包含其他額外的電路，比如說短路保護(hù)、待機(jī)電路以及PG信號(hào)發(fā)生器等等。當(dāng)然了，如果您還想了解一下更加詳盡的圖解，請(qǐng)看圖5。如果看不懂也沒關(guān)系，因?yàn)檫@張圖本來就是為那些專業(yè)電源設(shè)計(jì)人員看的。

圖5：典型的低端ATX電源設(shè)計(jì)圖

你可能會(huì)問，圖5設(shè)計(jì)圖中為什么沒有電壓整流電路？事實(shí)上，PWM電路已經(jīng)肩負(fù)起了電壓整流的工作。輸入電壓在經(jīng)過開關(guān)管之前將會(huì)再次校正，而且進(jìn)入變壓器的電壓已經(jīng)成為方形波。所以，變壓器輸出的波形也是方形波，而不是正弦波。由于此時(shí)波形已經(jīng)是方形波，所以電壓可以輕而易舉的被變壓器轉(zhuǎn)換為DC直流電壓。也就是說，當(dāng)電壓被變壓器重新校正之后，輸出電壓已經(jīng)變成了DC直流電壓。這就是為什么很多時(shí)候開關(guān)電源經(jīng)常會(huì)被稱之為DC-DC轉(zhuǎn)換器。

饋送PWM控制電路的回路負(fù)責(zé)所有需要的調(diào)節(jié)功能。如果輸出電壓錯(cuò)誤時(shí)，PWM控制電路就會(huì)改變工作周期的控制信號(hào)以適應(yīng)變壓器，終將輸出電壓校正過來。這種情況經(jīng)常會(huì)發(fā)生在PC功耗升高的時(shí)，此時(shí)輸出電壓趨于下降，或者PC功耗下降的時(shí)，此時(shí)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為“primary”（一次側(cè)），在變壓器之后的所有電路及模塊稱為“secondary”（二次側(cè)）；

★采用主動(dòng)式PFC設(shè)計(jì)的電源不具備110 V/ 220 V轉(zhuǎn)換器，同時(shí)也沒有電壓倍壓器；

★對(duì)于沒有PFC電路的電源而言，如果110 V / 220 V被設(shè)定為110 V時(shí)，電流在進(jìn)入整流橋之前，電源本身將會(huì)利用電壓倍壓器將110 V提升至220 V左右；

★PC電源上的開關(guān)管由一對(duì)功率MOSFET管構(gòu)成，當(dāng)然也有其他的組合方式，之后我們將會(huì)詳解；

★變壓器所需波形為方形波，所以通過變壓器后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(gè)小的變壓器與一次側(cè)隔離，而有時(shí)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(cè)隔離；

★PWM控制電路是根據(jù)電源的輸出負(fù)載情況來控制電源的開關(guān)管的閉合的。如果輸出電壓過高或者過低時(shí)，PWM控制電路將會(huì)改變電壓的波形以適應(yīng)開關(guān)管，從而達(dá)到?！镎敵鲭妷旱哪康?；

下一頁我們將通過圖片來研究電源的每一個(gè)模塊和電路，通過實(shí)物圖形象的告訴你在電源中何處能找到它們。

第3頁：看圖說話：電源內(nèi)部揭秘

當(dāng)你次打開一臺(tái)電源后（確保電源線沒有和市電連接，否則會(huì)被電到），你可能會(huì)被里面那些奇奇怪怪的元器件搞得暈頭轉(zhuǎn)向，但是有兩樣?xùn)|西你肯定認(rèn)識(shí)：電源風(fēng)扇和散熱片。

開關(guān)電源內(nèi)部

但是您應(yīng)該很容易就能分辨出電源內(nèi)部哪些元器件屬于一次側(cè)，哪些屬于二次側(cè)。一般來講，如果你看到一個(gè)（采用主動(dòng)式PFC電路的電源）或者兩個(gè)（無PFC電路的電源）很大的濾波電容的話，那一側(cè)就是一次側(cè)。

一般情況下，再電源的兩個(gè)散熱片之間都會(huì)安排3個(gè)變壓器，比如說圖7所示，主變壓器是大個(gè)的那顆；中等“體型”的那顆往往負(fù)責(zé)+5VSB輸出，而小的那顆一般用于PWM控制電路，主要用于隔離一次側(cè)和二次側(cè)部分（這也是為什么在上文圖3和圖4中的變壓器上貼著“隔離器”的標(biāo)簽）。有些電源并不把變壓器當(dāng)“隔離器”來用，而是采用一顆或者多顆光耦（看起來像是IC整合芯片），也即說采用這種設(shè)計(jì)方案的電源只有兩個(gè)變壓器——主變壓器和輔變壓器。

電源內(nèi)部一般都有兩個(gè)散熱片，一個(gè)屬于一次側(cè)，另一個(gè)屬于二次側(cè)。如果是一臺(tái)主動(dòng)式PFC電源，那么它的在一次側(cè)的散熱片上，你可以看到開關(guān)管、PFC晶體管以及二極管。這也不是的，因?yàn)橐灿行S商可能會(huì)選擇將主動(dòng)式PFC組件安裝到獨(dú)立的散熱片上，此時(shí)在一次側(cè)會(huì)有兩個(gè)散熱片。

在二次側(cè)的散熱片上，你會(huì)發(fā)現(xiàn)有一些整流器，它們看起來和三極管有點(diǎn)像，但事實(shí)上，它們都是有兩顆功率二極管組合而成的。

在二次側(cè)的散熱片旁邊，你還會(huì)看到很多電容和電感線圈，共同共同組成了低壓濾波模塊——找到它們也就找到了二次側(cè)。

區(qū)分一次側(cè)和二次側(cè)更簡(jiǎn)單的方法就是跟著電源的線走。一般來講，與輸出線相連的往往是二次側(cè)，而與輸入線相連的是一次側(cè)（從市電接入的輸入線）。如圖7所示。

區(qū)分一次側(cè)和二次側(cè)

以上我們從宏觀的角度大致介紹了一下一臺(tái)電源內(nèi)部的各個(gè)模塊。下面我們細(xì)化一下，將話題轉(zhuǎn)移到電源各個(gè)模塊的元器件上來……

第4頁：瞬變?yōu)V波電路解析

市電接入PC開關(guān)電源之后，首入瞬變?yōu)V波電路（Transient Filtering），也就是我們常說的EMI電路。下圖8描述的是一臺(tái)PC電源的“推薦的”的瞬變?yōu)V波電路的電路圖。

瞬變?yōu)V波電路的電路圖

為什么要強(qiáng)調(diào)是“推薦的”的呢？因?yàn)槭忻嫔虾芏嚯娫矗绕涫堑投穗娫?，往往?huì)省去圖8中的一些元器件。所以說通過檢查EMI電路是否有縮水就可以來判斷你的電源品質(zhì)的優(yōu)劣。

EMI電路電路的主要部件是MOV (l Oxide Varistor，金屬氧化物壓敏電阻)，或者壓敏電阻（圖8中RV1所示），負(fù)責(zé)抑制市電瞬變中的尖峰。MOV元件同樣被用在浪涌抑制器上（surge suppressors）。盡管如此，許多低端電源為了節(jié)省成本往往會(huì)砍掉重要的MOV元件。對(duì)于配備MOV元件電源而言，有無浪涌抑制器已經(jīng)不重要了，因?yàn)殡娫匆呀?jīng)有了抑制浪涌的功能。

圖8中的L1 and L2是鐵素體線圈；C1 and C2為圓盤電容，通常是藍(lán)色的，這些電容通常也叫“Y”電容；C3是金屬化聚酯電容，通常容量為100nF、470nF或680nF，也叫“X”電容；有些電源配備了兩顆X電容，和市電并聯(lián)相接，如圖8 RV1所示。

X電容可以任何一種和市電并聯(lián)的電容；Y電容一般都是兩兩配對(duì)，需要串聯(lián)連接到火、零之間并將兩個(gè)電容的中點(diǎn)通過機(jī)箱接地。也就是說，它們是和市電并聯(lián)的。

瞬變?yōu)V波電路不僅可以起到給市電濾波的作用，而且可以阻止開關(guān)管產(chǎn)生的噪聲干擾到同在一根市電上的其他電子設(shè)備。

一起來看幾個(gè)實(shí)際的例子。如圖9所示，你能看到一些奇怪之處嗎？這個(gè)電源居然沒有瞬變?yōu)V波電路！這是一款低廉的“山寨”電源。請(qǐng)注意，看看電路板上的標(biāo)記，瞬變?yōu)V波電路本來應(yīng)該有才對(duì)，但是卻被喪失良知的黑心JS們帶到了市場(chǎng)里。

這款低廉的“山寨”電源沒有瞬變?yōu)V波電路

再看圖10實(shí)物所示，這是一款具備瞬變?yōu)V波電路的低端電源，但是正如我們看到的那樣，這款電源的瞬變?yōu)V波電路省去了重要的MOV壓敏電阻，而且只有一個(gè)鐵素體線圈；不過這款電源配備了一個(gè)額外的X電容。

低端電源的EMI電路

瞬變?yōu)V波電路分為一級(jí)EMI和二級(jí)EMI，很多電源的一級(jí)EMI往往會(huì)被安置在一個(gè)獨(dú)立的PCB板上，靠近市電接口部分，二級(jí)EMI則被安置在電源的主PCB板上，如下圖11和12所示。

一級(jí)EMI配備了一個(gè)X電容和一個(gè)鐵素體電感

再看這款電源的二級(jí)EMI。在這里我們能看到MOV壓敏電阻，盡管它的安置位置有點(diǎn)奇怪，位于第二個(gè)鐵素體的后面。總體而言，應(yīng)該說這款電源的EMI電路是非常完整的。

完整的二級(jí)EMI

值得一提的是，以上這款電源的MOV壓敏電阻是黃色的，但是事實(shí)上大部分MOV都是深藍(lán)色的。

此外，這款電源的瞬變?yōu)V波電路還配備了保險(xiǎn)管（圖8中F1所示）。需要注意了，如果你發(fā)現(xiàn)保險(xiǎn)管內(nèi)的保險(xiǎn)絲已經(jīng)燒斷了，那么可以肯定的是，電源內(nèi)部的某個(gè)或者某些元器件是存在缺陷的。如果此時(shí)更換保險(xiǎn)管的話是沒有用的，當(dāng)你開機(jī)之后很可能再次被燒斷。

第5頁：倍壓器和一次側(cè)整流電路

●倍壓器和一次側(cè)整流電路

上文已經(jīng)說過，開關(guān)電源主要包括主動(dòng)式PFC電源和被動(dòng)式PFC電源，后者沒有PFC電路，但是配備了倍壓器（voltage doubler）。倍壓器采用兩顆巨大的電解電容，也就是說，如果你在電源內(nèi)部看到兩顆大號(hào)電容的話，那基本可以判斷出這就是電源的倍壓器。前面我們已經(jīng)提到，倍壓器只適合于127V電壓的地區(qū)。

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