开关电源的工作原理及电路图详解图片_开关电源的工作原理及电路图详解

本文以丰富的开关电源案例分析，介绍了单端正激式开关电源、自激式开关电源、推挽式开关电源、降压式开关电源、升压式开关电源和反向开关电源。

随着全球对能源问题的重视，电子产品的能耗问题将越来越突出。如何降低其待机功耗，提高供电效率已成为一个亟待解决的问题。传统的线性稳压电源虽然电路结构简单、工作可靠，但存在效率低(只有40%-50%)、体积大、铜铁消耗量大、工作温度高、调节范围小等缺点。为了提高效率，人们开发了开关稳压电源。其效率可达85%以上，调节范围宽。此外，它还具有调节精度高、无需电力变压器等特点，是一种理想的稳压电源。正因为如此，开关稳压电源已经广泛应用于各种电子设备中。阐述了各种开关电源的工作原理。

一、开关稳压电源的基本工作原理

开关稳压电源有两种控制方式：宽度调制和频率调制。在实际应用中，宽度调制的应用非常广泛，目前开发和使用的开关电源集成电路大多也是脉宽调制。因此，下面主要介绍宽度调制开关稳压电源。

调宽开关电源的基本原理见下图。

对于单极矩形脉冲，其DC平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其DC平均电压值越高。平均DC电压u .可以通过公式计算，

即uo=um t1/t。

其中Um为矩形脉冲的最大电压值；t是矩形脉冲周期；T1是矩形脉冲宽度。

从上面的公式可以看出，当Um和t恒定时，平均DC电压Uo将与脉冲宽度T1成比例。这样，只要随着稳压电源输出电压的增加，尽量缩小脉宽，就可以达到稳压的目的。

二、开关稳压电源原理电路

1、基本电路

图2开关电源基本电路框图

开关稳压电源的基本电路框图如图2所示。

交流电压经整流电路和滤波电路整流滤波后，成为具有一定脉动成分的DC电压。该电压在高频转换器中被转换成具有所需电压值的方波，最后该方波电压被整流和滤波成所需的DC电压。

控制电路为脉宽调制器，主要由采样器、比较器、振荡器、脉宽调制和参考电压组成。目前这部分电路已经集成，制成各种开关电源的集成电路。控制电路用于调节高频开关元件的开关时间比，以达到稳定输出电压的目的。

2.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3所示。所谓单端电路，就是高频变换器的磁芯只工作在磁滞回线的一侧。所谓反激就是当开关管VT1导通时，高频变压器T的初级绕组感应电压上正下负，整流二极管VD1关断，将能量储存在初级绕组中。当开关管VT1关断时，储存在变压器T初级绕组中的能量被次级绕组和VD1整流，并被电容C滤波，然后输出到负载。

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20-100W，可同时输出不同电压，调压率好。唯一的缺点是输出纹波电压大，外特性差，适合相对固定的负载。

单端反激式开关电源中使用的开关管VT1的最大反向电压是工作电压的两倍

单端正激式开关电源的典型电路如图4所示。这种电路在形式上类似于单端反激电路，但工作情况不同。当开关管VT1导通时，VD2也导通。此时电网向负载输送能量，滤波电感L储存能量。当开关管VT1关断时，电感L继续通过续流二极管VD3向负载释放能量。

电路中还设置了箝位线圈和二极管VD2，可以将开关管VT1的最大电压限制在电源电压的两倍。为了满足磁芯复位的条件，即磁通建立和复位的时间要相等，所以电路中脉冲的占空比不能大于50%。由于该电路在开关管VT1导通时通过变压器向负载输送能量，所以输出功率范围大，可以输出50-200W的功率。电路中使用的变压器结构复杂，体积大。正因如此，这种电路的实际应用较少。

4.自励开关稳压电源

自激式开关电源的典型电路如图5所示。这是一种由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。

接通电源时，启动电流提供给R1的开关管VT1，使VT1开始导通，其集电极电流Ic在L1线性增加。在L2，感应出一个正反馈电压，使VT1基极极正，发射极负，使VT1很快饱和。同时，感应电压给C1充电。随着C1充电电压的升高，VT1的基极电位逐渐降低，导致VT1退出饱和区，Ic开始降低。在L2，感应出一个使VT1基极为负极而发射出正极的电压，使VT1迅速关断。此时，二极管VD1导通，高频变压器T的初级绕组中储存的能量释放给负载。VT1关断时，L2没有感应电压，DC电源输入电压通过R1反向给C1充电，使VT1的基极电位逐渐升高，使其再次导通，再次翻转达到饱和状态，如此反复振荡电路。这里，就像单端反激式开关电源一样，变压器T的次级绕组向负载输出所需的电压。

自励开关电源中的开关管起着开关和振荡的双重作用，也省去了控制电路。由于电路中的负载位于变压器的次级，工作在反激状态，所以具有输入和输出相互隔离的优点。该电路不仅适用于高电源，也适用于低电源。

5.推挽式开关电源

推挽式开关电源的典型电路如图6所示。属于双端转换电路，高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。该电路采用两个开关管VT1和VT2，在外部激励方波信号的控制下交替导通和关断，在变压器T的二次系统中得到方波电压，经过整流和滤波转换成所需的DC电压。

这种电路的优点是两个开关容易驱动，主要缺点是开关的耐压要达到电路峰值电压的两倍。电路输出功率大，一般在100-500W范围内。

6.降压开关电源

降压开关电源的典型电路如图7所示。当开关管VT1导通时，二极管VD1关断，输入整流电压通过VT1和L充电到C，这个电流增加了电感L中的储能，当开关管VT1关断时，电感L感应出负的左电压和正的右电压，电感L中存储的能量通过负载r L和续流二极管VD1释放出来，保持输出DC电压不变。电路的输出DC电压由施加到VT1基极的脉冲宽度决定。

该电路使用的元件很少。与下面描述的其他两个电路一样，它只能通过使用电感、电容和二极管来实现。

7.升压开关电源

升压开关电源的稳压电路如图8所示。当开关管VT1导通时，电感L储存能量

当开关管VT1导通时，电感L储能，二极管VD1关断，负载r L由电容C的最后一次充电供电.当开关管VT1关断时，电感L中的电流继续流动，感应出负电压，通过二极管VD1向负载供电，并对电容C充电.

以上介绍了脉宽调制开关电源的基本工作原理和各种电路类型。在实际应用中，会有各种各样的实际控制电路，但无论如何，都是在这些基础上发展起来的。