开关电源基本工作原理(一)

开关电源基本工作原理
开关K 以一定的频率重复的接通或断开。在开关K 接通时，输入电源通过开关K 和滤波电路向负载提供能量；当开关K断开时，输入电源便中断了能量的供给。开关电源的示意图如图2-1所示。
为了使负载能够得到连续的能量，开关电源就必须有一套储能装置，以便在开关K 接通时将一部分能量储存起来，当开关K 断开后再将储存的能量提供给负载。图2-1中的电感L、电容C和二级管D 组成的电路就具有这样的功能。当开关K 接通时，电感L 用以储存能量，开关K 断开时，储存在电感L中的能量通过二级管D 释放给负载，从而使负载得到连续而又稳定的能量。
当电子开关K按一定的频率开关时，导通时间越长，输出电压越高；导通时间越短，输出电压越低。通常，开关电源就是这样在开关频率一定的情况下，通过调整开关时间的长短。控制输出电压的高低。目前，也有的开关电源采用开关时间长短恒定，通过改变开关频率来改变输出电压的高低。

图2-1 开关电源示意图
开关电源的形式有很多种，其中尤其以脉冲宽度调制型（PWM）最为盛行，现在就以此种形式的开关电源介绍以下开关电源的工作原理。
采用PWM技术的开关电源原理机构如图2-2所示，从电网将能量传递给负载的回路称为主回路，其余称为控制回路。
工频电网交流电压经过输入整流滤波电路，得到高波纹未调直流电压，在经功率转换电路，变换成符合要求的矩形波脉动电压，最后经过整流滤波电路将其平滑成连续的低波纹直流电压。

图2-2 PWM方式开关电源框图
控制回路在提供高压开关T管基极驱动脉冲的同时，需要完成输出电压稳压的控制，而且还必须能对电源或负载提供保护。它通常由检测比较放大电路、电压-脉冲宽度转换电路（V/W电路）、时钟震荡电路，以及自用电压源等基本电路构成。
对于PWM方式而言，将频率固定的震荡源称为时钟震荡器，这种电源利用检测电路反映输出电压值，通过和给定参考电压比较并产生误差信号，在经过V/W电路调制脉冲宽度——调节输出电压。例如，由于某种原因（负载电流减小或电网电压上升）使高频变压器副边输出电压的平均值增大，电源输出电压也将随之提高，反馈检测电路将提高了输出电压和基准电压进行比较，并产生负积极性的误差电压，V/W电路根据该误差电压及时减小输出脉宽，这样使输出电压平均值减小，接近原来的数值，从而实现稳压的作用。
开关电源的分类
在电子技术和应用飞速发展的今天, 对电子仪器和设备的要求是, 在性能上更加安全可靠, 在功能上不断增加, 在使用上自动化程度要越来越高, 在体积上日趋小型化。这使采用具有众多优点的开关电源就显得更加重要。所以, 开关电源在计算机、通信、航天、彩电等方面都得到了越来越广泛的应用, 发挥了巨大的作用, 这大大促进了开关电源的发展, 从事这方面研究和生产的人员也在不断地增加, 开关电源的品种和类型也越来越多。常见的开关电源的分类方法有下列几种:
1.按激励方式划分 分为他激式和自激式。他激式开关电源电路中专设激励信号振荡器；自激式开关功率管兼作振荡管。该形式的开关电源电路结构简单, 元器件少, 可以做成低成本的开关电源。
2.按调制方式划分 分为脉宽调制型、频率调整型和混合调整型。脉宽调制型保持振荡频率保持不变, 通过调节脉冲宽度来改变输出电压的大小；频率调整型保持占空比保持不变(脉冲宽度保持不变) , 通过改变振荡频率来改变输出电压大小；混合调整型是脉冲宽度和振荡频率均可进行调节的开关电源。
3．按开关管电流的工作方式划分 分开关型和谐振型。开关型用开关晶体管把直流变成高频标准方波, 其电路形式类似于他激式；谐振型用开关晶体管与LC谐振回路将直流变成标准正弦波, 其电路形式类似于自激式开关电源。
4．按开关晶体管的类型划分 分为晶体管型和可控硅型。晶体管型采用晶体管(包括场效应管)作为开关功率管；可控硅型采用可控硅作为开关功率管。这种电路的特点是直接输入交流电压, 不需要一次整流部分。
5．按储能电感与负载的连接方式划分 分串联型和并联型。串联型储能电感串联在输入与输出电压之间；并联型储能电感并联在输入与输出电压之间。
6．按晶体管的连接方法划分 分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式。单端式仅使用一个晶体管作为电路中的开关管。这种电路的特点是价格低、电路结构简单, 但输出功率不能提高；推挽式使用两个功率开关管, 将其连接成推挽功率放大器的形式。这种电路的特点是可以工作在电源电压较低的场合, 一般逆变器多采用这种形式的电路, 但它的缺点是开关变压器的初级必须具有中心抽头；半桥式使用两个功率开关管, 将其连接成半桥形式。它的特点是适应于输入电压较高的场合；全桥式使用四个功率开关管,将其连接成全桥的形式。它的特点是输出功率较大。
7．按电路结构划分 分为散件式和集成电路式。散件式整个开关电源电路都是采用分立式元器件组成的。这种电路的缺点是电路结构较为复杂；集成电路式整个开关电源电路或电路的一部分是由集成电路组成的。这种集成电路通常被称为厚膜电路,有的厚膜集成电路中包括功率开关管, 有的.则不包括。这种形式的电源的特点是电路结构简单、调试方便、可靠性高。这种电路被广泛地应用于彩色电视中。
以上五花八门的开关电源品种都是站在不同的角度, 以开关电源不同的特点命名和划分的。不论是激励方法、输出直流电压的调节手段、储能电感的连接方法、功率开关管的器件种类以及串并联结构, 还是其他的电路形式,它们最后总可以归结为串联型和并联型开关电源这两大类[4]。
开关电源优缺点
开关电源的优点
1．功耗小、效率高 开关电源结构原理方框图中的晶体管在激励信号的驱动下,其工作状态处于导通—截止和截止—导通的开关状态,转换速度很快, 频率一般为50kHz左右。在一些技术先进的国家, 可以做到几百或者上千kHz。晶体管V饱和导通时,虽然电流较大,但管压降很小;截止断开时, 虽然管压降很大,但通过的电流几乎为零。这就使得开关晶体管V 在其整个工作过程中的功耗很小,电源的效率可以大幅度地提高。
2．体积小、重量轻 没有了笨重的工频降压变压器。由于调整管上的耗散功率大幅度地降低, 因而省去了体积和重量都较大的散热片。由于这两方面的原因, 故开关电源的体积小、重量轻。
3．稳压范围宽 开关电源的输出电压是通过激励信号的占空比来调节的, 输入电压的波动变化, 可以通过改变占空比的方式来进行补偿, 这样在输入电压变化或波动较大时, 它仍能保证有较稳定的输出电压。所以, 开关电源的稳压范围很宽, 稳压效果较好。此外,改变占空比的方法有脉宽调制型、频率调制型和混合调制型三种。这样开关电源不仅具有稳压范围宽的优点, 而且实现稳压的方法也较多较灵活,设计人员可以根据实际应用的需要和要求, 灵活选用各种形式的稳压方法。
4．滤波效率高,不需要较大容量的滤波电容 开关电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz 左右, 是线性电源的1000倍, 这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。就是采