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开关电源的工作原理和详细电路图

1。 的基本工作原理

开关电源的连接操纵方法分为宽度调节和频率调制两种。 在实际应用中，更多地使用宽度调节类型。 在电流开关电源集成电路的开发和使用中，大多数也被脉宽调制。因此，以下主要介绍宽度可调的开关电源。

可调宽度开关电源的基本原理如下图所示。

对于单极性矩形脉冲，DC平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度。 脉冲越宽，直流平均电压值越高。平均直流电压U可通过以下公式计算

那就是Uo = Um×T1 / T

其中，Um是矩形脉冲的大电压值； T是矩形脉冲周期； T1是矩形脉冲宽度。

从上式可以看出，当鲍尘和罢不变时，平均直流电压鲍辞和脉冲宽度罢1成正比。这样，只要我们尝试随着稳压电源的输出电压的增加而使脉冲宽度变窄，就可以达到稳定电压的目的。

二，开关电源的原理电路

1。 基本电路

图2开关电源的基本电路框图

开关电源的基本电路框图如图2所示。

经过整流电路和滤波电路的整流滤波后，交流电压变为包含肯定脉动重量的直流电压。 通过高频转换器将该电压转换成期望电压值的方波，后对该方波电压进行整流。滤波成为所需的直流电压。

操纵电路是一个脉宽调制器，主要由采样器，比较器，振荡器，脉宽调制和参考电压等电路组成。现在，电路的这一部分已集成在一起，从而形成了用于开关电源的各种集成电路。操纵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。电路中所谓的单端意味着高频转换器的磁芯仅在磁滞回路的一侧工作。所谓反激是指当开关VT1接通时，高频变压器T的初级绕组的感应电压为正和负，整流二极管VD1处于截止状态，能量存储在 初级绕组。当开关管VT1断开时，存储在变压器T的初级绕组中的能量将在通过次级绕组和VD1整流并由电容器C滤波后输出到负载。

单端反激式开关电源是成本低的电源电路，输出功率为20-100奥，可以同时输出不同的电压，并具有更好的稳压率。唯一的缺点是输出纹波电压大且外部特性差，因此适用于相对固定的负载。

单端反激式开关电源使用的开关管VT1的大反向电压是电路工作电压值的两倍，工作频率在20到200 kHz之间。

3。单端正向开关电源

单端正向开关电源的典型电路如图4所示。该电路的形式类似于单端反激电路，但工作条件不同。当开关管痴罢1打开时，痴顿2也

开启，然后电网将能量传输到负载，滤波电感L储存能量； 当开关管VT1被切断时，电感器L继续通过续流二极管VD3向负载释放能量。

电路中还有一个钳位线圈和一个二极管痴顿2，可将开关痴罢1的大电压限制为电源电压的两倍。为了满足铁心复位条件，即建站了磁通量并

复位时间应相等，以使电路中脉冲的占空比不能大于50％。因为当开关管VT1接通时，电路通过变压器将能量传输到负载，所以输出功率范围特别大，并且可以输出50-200 W的功率。电路中使用的变压器结构复杂且体积大。 因此，该电路的实际应用较少。

4。自激式开关电源

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和广泛使用的基本电源组成的开关电源。

当连接电源时，启动电流在R1处提供给开关VT1，因此VT1开始导通，其集电极电流Ic在L1中线性增加，并且VT1的基极被感应为正，而负值为负。 正反馈电压在L2中传输。快速使VT1饱和。同时，感应电压为C1充电。 随着C1的充电电压增加，VT1的基极电势逐渐变低，导致VT1离开饱和区，Ic开始下降，并且VT1的基极被感应为负，并且在L2中感应出发射极。正电压使VT1快速截止。 此时，二极管VD1导通，并且存储在高频变压器T的一次绕组中的能量被释放给负载。当VT1关闭时，L2中没有感应电压，并且直流电源输入电压通过R1反向充电至C1，逐渐增加VT1的基极电势，将其打开，然后再次翻转以达到饱和，因此 电路将反复振荡。在此，和单端反激式开关电源一样，所需的电压从变压器T的次级绕组输出到负载。

自激式开关电源中的开关管起着开关和振荡的双重作用，因此省略了操纵电路。由于负载位于变压器的次级侧，并且工作在反激状态，因此具有将输入和输出彼此隔离的优点。该电路不仅适用于大功率电源，还适用于低功率电源。

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。它属于双端转换电路，高频变压器的磁芯作用于磁滞回线的两侧。该电路使用两个开关管VT1和VT2。 在外部激励方波信号的操纵下，两个开关管交替打开和关闭。 在变压器T次级组中获得方波电压，整流后的滤波器变为所需的DCVoltage。

该电路的优点是两个开关管易于驱动。 主要缺点是开关管的耐压应达到电路峰值电压的两倍。电路的输出功率特别大，通常在100-500 W的范围内。

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截止，并且输入的整流电压通过VT1和L充电至C。 该电流增加了电感器L中的能量存储。当开关管VT1断开时，电感器L感应出左正负电压，并且通过负载RL和续流二极管VD1释放存储在电感器L中的能量，以保持输出DC电压不变。电路输出的直流电压的电平由施加到VT1的基极的脉冲宽度确定。

该电路使用更少的组件，并且和下面描述的其他两个电路相同，这只能通过使用电感器，电容器和二极管来实现。

7。升压开关电源

升压型开关电源稳压电路如图8所示。当开关VT1导通时，电感器L存储能量。当开关管VT1关断时，电感器L感测到左负右正电压，该正负电压叠加在输入电压上，并通过二极管VD1向负载供电，从而输出电压大于输入电压， 从而形成升压开关电源。

8。反向开关电源

反相开关电源的典型电路如图9所示。该电路也称为降压-升压开关电源。无论开关管痴罢1之前的脉动直流电压高于还是低于输出端的稳定电压，电路都可以正常工作。

当开关痴罢1接通时，电感器尝储存能量，二极管痴顿1断开，并且负载搁尝由电容器颁的后一次充电供电。当开关痴罢1截止时，电感器尝中的电流继续循环，并且感应出负电压和正电压以通过二极管痴顿1向负载供电，并同时为电容器颁充电。

图1开关电源采样电路的原理图设计

随着印刷电路板制造工艺的不断改进和完善，一般加工厂的生产线之间的距离等于或小于零。1尘尘没问题，它可以完全满足大多数应用的要求。考虑到开关电源中使用的组件和生产过程，一般双面板的小行距设置为0。3尘尘，单个面板的小行距设置为0。焊盘和焊盘，焊盘和通孔或通孔和通孔为5尘尘，小间距设置为0。5尘尘，幸免在焊接过程中出现“桥接”现象。这样，大多数电路板制造商可以轻松满足生产要求，并且可以将良率操纵在很高的水平，并且还可以实现合理的布线密度并具有更经济的成本。

小行间距仅适用于电压低于63V的信号操纵电路和低压电路。 当线间电压大于该值时，通常可以根据500V / 1mm的经验确定线间距。

方法1：上述电路板开槽方法适用于间距不够的场合。 顺便说一句，该方法也通常用作爱护性放电间隙，这在电视显像管的后面板和电源的交流输入中特别常见。该方法已广泛用于模块电源，在灌封条件下可以获得很好的效果。

方法二：垫绝缘纸，可以使用绿色外壳纸，聚酯薄膜，聚四氟乙烯取向薄膜等绝缘材料。通用电源在电路板和金属外壳之间使用绿色外壳纸或聚酯薄膜垫。 该材料机械强度高，具有肯定的耐湿性。PTFE定向薄膜由于其耐高温性而广泛用于模块电源中。也可以在组件和四周的导体之间放置绝缘膜，以提高绝缘性和电阻。

铝基板的结构具有以下特性：导热性好，单面铜键合，只能放置在铜键合面上，电连接孔不能打开，跳线不能作为面板放置。

SMD设备，开关管和输出整流器通常放置在铝基板上，以通过基板传导热量。 热阻特别低，可以实现更高的可靠性。该变压器采纳平面贴片结构，还可以通过基板辐射热量，其温升低于常规变压器。 相同规格的变压器使用铝基板结构以获得更大的输出功率。铝基板上的跳线可以通过桥接进行处理。铝基板的电源通常由两块印刷板组成，另一块板放置有操纵电路，并且这两块板通过物理连接集成在一起。

由于铝基板的优异的导热性，在少量的手工中进行焊接变得更加困难，焊料的冷却速度太快，并且简单出现问题。 有一种简单有用的方法用一般熨斗（好具有温度调节功能）熨烫衣服。 将其翻转过来，熨烫面朝上固定，将温度调节至约150℃，将铝板放在熨斗上，如果温度过高则高度可能会损坏设备，甚至铝制表皮 可以将铝基板剥离，也可以将铝基板的铝皮剥离。 如果温度太低，则焊接效果不好。

3印刷电路板铜布线的一些事项

电路的电流密度：如今，大多数电子电路是由带有绝缘板的铜制成的。公共电路板的厚度为35μm。 可以根据1A / mm的接线经验获得电流密度值。 有关具体计算，请参阅教科书。为了确保布线的机械强度，线宽应大于或等于0。开关电源中也常见厚度为70μm的3mm铜，因此电流密度会更高。

模块功率等级的某些产物也使用多层板，主要方便集成功率器件，例如变压器电感，优化布线和功率管冷却。它具有良好的工艺美学一致性和良好的变压器散热性能，但缺点是成本较高，柔韧性差，仅适用于工业化大规模生产。

市场上几乎全部的单板通用开关电源都使用单面电路板，具有成本低廉的优势，设计和生产过程中的一些措施也可以确保其性能。

为了确保良好的焊接机械结构性能，单面焊垫应稍大一些，以确保铜皮和基底之间的良好粘合，以免在振动过程中剥落并损坏铜皮。通常，焊环的宽度应大于零。3mm焊盘孔的直径应略大于设备引脚的直径，但不应太大。 确保引脚和焊盘之间的连接距离短。 板孔的大小不应阻碍正常检查。 垫孔的直径通常大于销的直径0。1-0。2mm多针设备也可以更大，以确保搜索更加顺畅。

单个面板上的组件应靠近电路板。对于需要架空散热的设备，请在设备和电路板之间的引脚上添加套管，可以插入该套管以支撑设备并增加绝缘的双重作用。 减少或幸免外力对插入件和销钉之间连接的影响增强了焊接的牢固性。电路板上较重的组件可以增加支撑连接点，从而可以增强和电路板的连接强度，例如变压器和功率设备散热器。

由于双面板上的孔已被金属化，因此焊接环可以比单面板小，并且孔之间的间距可以略大于销的直径，因为在焊接过程中，焊料溶液 会穿透孔到达顶部以增加焊接。可靠性。

4大电流走线的处理

线宽可以根据上一篇文章进行处理。 如果宽度不够，通常可以使用锡来增加迹线的厚度来解决它。 有很多方法。

补将走线设置为辫补诲属性，以便在制造电路板时走线不会被阻焊剂覆盖，而在热空气平坦时将被镀锡。

b。 将焊盘放在布线上，将焊盘设置为需要布线的形状，并注意将焊盘孔设置为零。

肠这种方法是将导线放置在阻焊层上的灵敏的方法，但是并非全部电路板制造商都能理解您的意图，需要使用文字进行解释。没有将阻焊层应用于将电线放置在阻焊层上的部分

上面描述了几种镀锡方法。通常，镀锡条的宽度可以为1？2。1。5mm，长度可根据线条确定，镀锡部分之间的间隔为0。5？1mm双面电路板是布局和布线的绝佳选择，可以使布线更合理。对于接地，电源接地和信号接地必须分开。 可以在滤波电容器处将这两个接地端合并在一起，以幸免由于流过信号接地端的大脉冲电流而引起的意外不稳定。 信号操纵回路完可能使用单点接地方法。

电压反馈采样。 为了幸免流经布线的大电流的影响，必须将反馈电压的采样点放在功率输出的末端，以提高整个机器的负载效果指标。

从一个布线层到另一个布线层的布线通常通过通孔连接，因此不适合通过器件插入实现，因为在插入器件时以及每次1础电流时可能破坏这种连接关系通过，至少应有2个通孔，通孔直径的原理应大于0。5尘尘，通常为0。8尘尘可以保证加工的可靠性。

5铝基板和多层印刷板在开关电源中的应用

铝基板（金属基散热器（包含铝基板，铜基板，铁基板））是独特的金属基覆铜层压板，具有良好的导热性，电绝缘性能和机械加工性能。铝基覆铜层压板是一种金属电路板材料，由铜箔，导热绝缘层和金属基板组成。 其结构分为三层：

颁颈谤别耻颈迟濒。电路层：相当于一般笔颁叠的覆铜板，电路铜箔的厚度为10辞锄。

顿颈别濒肠肠迟谤颈肠尝补测别谤隔热层：隔热层是一层低热阻和隔热材料。厚度为：0。003“到0。006英寸是铝基覆铜层压板的核心技术，已获得鲍尝认证。

叠补蝉别尝补测别谤是金属基板，通常是铝或铜。

铝基覆铜层压板和传统环氧玻璃布层压板等，目前市场上的主流是Foslet铝基板。通常蚀刻电路层（即铜箔）以形成连接组件各个组件的印刷电路。 通常，电路层需要较大的载流能力，因此应使用较厚的铜箔。 厚度一般为35μm？280微米; 绝缘层是铝基板的核心技术。 它通常由填充有特别陶瓷的特别聚合物组成。 它具有小的耐热性，优异的粘弹性和抗热老化的能力，并且可以承受机械应力和热应力。公司生产的高性能铝基板的隔热层采纳该技术，使其具有优良的导热性和高强度的电绝缘性能； 金属基层是铝基板的支撑构件，并且要求高导热性。通常，也可以使用铝和铜（铜可以提供更好的导热性），适用于常规机械加工，例如钻孔，冲压和切割。

铝基板的结构具有以下特性：导热性好，单面铜键合，只能放置在铜键合面上，电连接孔不能打开，跳线不能作为面板放置。

SMD设备，开关管和输出整流器通常放置在铝基板上，以通过基板传导热量。 热阻特别低，可以实现更高的可靠性。该变压器采纳平面贴片结构，还可以通过基板辐射热量，其温升低于常规变压器。 相同规格的变压器使用铝基板结构以获得更大的输出功率。铝基板上的跳线可以通过桥接进行处理。铝基板的电源通常由两块印刷板组成，另一块板放置有操纵电路，并且这两块板通过物理连接集成在一起。

由于铝基板的优异的导热性，在少量的手工中进行焊接变得更加困难，焊料的冷却速度太快，并且简单出现问题。 有一种简单有用的方法用一般熨斗（好具有温度调节功能）熨烫衣服。 将其翻转过来，熨烫面朝上固定，将温度调节至约150℃，将铝板放在熨斗上，如果温度过高则高度可能会损坏设备，甚至铝制表皮 可以将铝基板剥离，也可以将铝基板的铝皮剥离。 如果温度太低，则焊接效果不好。

近年来，随着多层电路板在开关电源电路中的应用，印刷电路变压器已成为可能。 由于采纳了多层板，因此层间距很小，并且变压器窗的横截面也可以得到充分利用。 添加一个或两个由多层板组成的印刷线圈，以达到使用窗口并降低线电流密度的目的。 通过使用印刷线圈，减少了人工干预。 变压器具有良好的一致性，扁平的结构，低的漏感和良好的耦合。敞开的磁芯，良好的散热条件。由于它具有许多优点并且有利于批量生产，因此被广泛使用。但是，研究和开发的初期投资比较大，不适合小学生。

6反激电源的反射电压也有肯定的因数

军用开关电源的反射电压也和参数有关，即输出电压。 输出电压越低，变压器的匝数比越大，变压器的漏感越大，并且开关管的耐压越高。 它可能会穿过开关管并汲取电路消耗的功率，这可能会使汲取电路的功率器件永久失效。在设计低压输出低功率反激电源的优化过程中必须注意。 有几种医治方法：

a使用更高功率的磁芯来减少泄漏电感可以提高低压反激电源的转换效率，减少损耗，减少输出纹波，并提高多输出电源的交叉调节率。 在家用电器的开关电源中很常见。，例如CD播放器，DVB机顶盒等。

b如果条件不同意增加磁芯，则只能降低反射电压，并可以减小占空比。降低反射电压可以校正漏感，但可能会降低功率转换效率。 两者是矛盾的。 必须进行替换过程以寻到合适的点。 在变压器更换实验过程中，可以检测到变压器一次侧的反接。峰值电压，小化反向峰值电压脉冲的宽度和幅度，可以增加逆变器的工作安全裕度。通常，反射电压更适合110V。

C。 为了增强耦合并减少损耗，使用了新技术和绕组工艺。 为了遵守安全法规，变压器将在初级侧和次级侧之间采取绝缘措施，例如垫绝缘带和绝缘端带。这些都会影响变压器的漏感性能。 在实际生产中，初级绕组可用于包裹次级绕组。或使用三层绝缘线缠绕次级，去除初级和次级之间的绝缘，可以增强耦合，甚至可以用宽铜皮包裹。

反激式电源变压器的磁芯工作在单向磁化状态，因此磁路需要打开气隙，类似于脉动直流电感器。磁路的一部分通过气隙耦合。为什么我了解打开气隙的原理？ 由于功率铁氧体还具有近似矩形的工作特性曲线（磁滞回线），因此工作特性曲线上的Y轴表示磁感应强度（B），并且当前的生产过程通常饱和点在400mT以上。 通常，设计中该值应为200-300mT。 X轴代表磁场强度（H）。 该值和励磁电流强度成正比。打开磁路的气隙等效于将磁滞回线向X轴倾斜。 在相同的磁感应强度下，它可以承受更大的磁化电流，这相当于在磁芯中存储更多的能量。 该能量在开关管处被切断。变压器的次级缓冲器位于负载电路中，反激式电源芯的气隙具有两个功能。

反激式电源的变压器在单向磁化状态下工作，该状态不仅通过磁耦合传输能量，而且还承担电压转换输入和输出隔离的多种功能。因此，需要特别注意地处理气隙。 气隙太大会增加漏感，增加磁滞损耗，增加铁损和铜损，并影响电源的性能。如果气隙太小，可能会使变压器芯饱和并损坏电源。

所谓反激式电源的连续和间歇模式是指变压器的工作状态。 在满载状态下，变压器以完全能量传输或不完全传输的模式工作。通常根据工作环境进行设计。 传统的反激式电源应以连续模式工作，因此开关和线路的损耗相对较小，可以降低输入和输出电容器的工作压力，但也有一些例外。由于制造工艺的特点，高反向电压二极管的反向恢复时间长且速度低。 在连续电流状态下，当存在正向步进时，二极管恢复。 反向恢复过程中的能量消耗特别大，不利于提高转换性能。在很小的程度上，转换效率降低，整流管被严峻加热，甚至整流管被烧毁。由于在不连续模式下，二极管的反向偏置为零偏置，因此可以将损耗降低到相对较低的水平。

反激式开关电源变压器应工作在连续模式下，这需要相对较大的绕组电感，当然，存在肯定程度的连续性，过度追求绝对连续是不现实的，可能需要较大的磁芯，很多线圈匝数， 大的漏感和分布电容可能不值得。那么如何确定这个参数呢？ 通过在同一水平上反复实践和分析设计，我认为，当输入标称电压时，输出将从间歇状态达到变压器的50％至60％，更适合过渡到连续状态。 州。

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