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开关电源的工作原理和电路图

本文的工作原理是开关电源技术人员全力整理的原理分析，通过对丰富的开关电源盒的分析，介绍了单个开关电源、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转式开关电源

随着世界对能源问题的重视，电子产物的能源问题越来越突出，如何降低待机电力、提高能效成为亟待解决的问题。 现有线性稳压电源电路结构简单可靠，但存在效率低(仅40%~50% )、体积大、铜铁消耗量大、工作温度高、调整范围小等缺点。

为了提高效率，研制了开关式稳压电源。 其效率达85%以上，稳定范围广，稳定精度高，具有不使用电源变压器等特点，是理想的稳定电源。 因此，开关式稳压电源广泛应用于各种电子设备，阐述了各种开关电源的工作原理。

开关式稳压电源的基本工作原理

开关式稳压电源连接操纵方式分为振幅调制方式和频率调制方式，在实际应用中多采纳振幅调制方式，目前开发的开关电源集成电路中脉宽调制型占大部分。 因此，以下主要对振幅调制式开关调节器的电源进行说明。

振幅调制式开关稳压电源的基本原理

对于单极性矩形脉冲，其直流平均电压Uo依赖于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值越高，直流平均电压为u。 根据式可计算Uo=Um×T1/T，式中Um为矩形脉冲的大电压值，t为矩形脉冲周期，T1为矩形脉冲宽度。

从上式可知，在Um和t不变的情况下，直流平均电压Uo和脉冲宽度T1成比例。 如此，只要设法使脉冲宽度随着稳定化电源的输出电压变高而变窄，就能够使电压稳定化。

开关式稳压电源原理电路

图2是开关电源基本电路框图

交流电压由整流电路及滤波电路进行整流滤波，成为含有肯定脉动成分的直流电压，该电压在高频转换器中被转换为所需电压值的方波，后，对该方波电压进行整流滤波，转换为所需的直流电压。

操纵电路是脉冲宽度调制器，主要由采样器、比较器、振荡器、脉冲宽度调制和基准电压等电路构成。 该部分的电路现在被集成化，制作出各种开关电源用集成电路。 操纵电路用于调整高频开关元件的开关时间比例，使输出电压稳定。

单端回扫开关电源

单端回扫开关电源的典型电路如下图所示。 电路的一端是指高频转换器的磁芯仅作用于磁滞环的一侧。 所谓回扫，在开关管VT1导通时，高频变压器t的初级线圈的感应电压成为上下负，整流二极管VD1成为截止状态，在初级线圈中储存能量。 当开关管VT1断开时，在变压器t的初级线圈中累积的能量被次级线圈以及VD1整流和电容器c平滑化，并被输出到负载。

单端回扫开关电源

单端回扫开关电源是成本低的电源电路，输出功率为20词100奥，可同时输出不同的电压，具有良好的电压调整率。

唯一的缺点是输出脉动电压大，外部特性差，适用于相对固定的负载。 单端反激式开关电源中使用的开关管VT1受到的大反电压是电路动作电压值的2倍，动作频率在20~200kHz之间。

单端正激式开关电源

单端正激式开关电源的典型电路如下图所示。 该电路在形式上和单端反激式电路相似，但工作状况不同。 当开关管VT1被接通时，VD2也被接通，此时电力网向负载传递能量，当存储能量的开关管VT1被关断时，电感器l经由反馈二极管VD3继续向负载释放能量。

单端正激式开关电源

电路中还具有钳位线圈和二极管VD2，能够将开关管VT1的高电压限制为2倍的电源电压。 为了满足磁芯的复位条件，磁通的建站和复位时间必须相等，因此电路中脉冲的占空比不能超过50%。

当开关管VT1导通时，这种电路经由变压器向负载传送能量，因此输出功率范围宽，能够输出50~200W的功率。 由于电路中使用的变压器结构复杂，体积也大，因此这种电路的有用化很少。

自激式开关稳压电源

自激式开关稳压电源的典型电路如下图所示。 这是由间歇振荡电路构成的开关电源，也是目前广泛使用的基本电源之一。

自激式开关稳压电源

接通电源后，在搁1中向开关管痴罢1供给起动电流，使痴罢1导通，其集电极电流滨肠在尝1中线性增加，在尝2中使痴罢1基极感应为正，释放负的正反馈电压，使痴罢1急速饱和。

和此同时，感应电压对颁1进行充电，随着颁1的充电电压变高，痴罢1基极电位逐渐变低，痴罢1从饱和区域脱离，滨肠开始减少，在尝2感应出使痴罢1基极极端为负、使发射极极端为正的电压，痴罢1急速截止时，二极管痴顿1

VT1截止时，L2没有感应电压，直流供电的输电者电压通过R1向相反方向充电C1，逐渐提高VT1基极电位再次导通，再次反转为饱和状态，电路反复振动。 在此，和单端回扫开关电源相同，从变压器t的二次绕组输出负载所需的电压。

自激式开关电源的开关管具有开关和振荡的双重作用，也省略了操纵电路。 电路中的负载位于变压器的二次侧，在逆励磁状态下动作，因此具有输出和输出相互隔离的优点。 这种电路不仅适用于大功率电源，也适用于小功率电源。

推挽式开关电源

推挽式开关电源的典型电路如下图所示。 这是双端子式转换电路，高频变压器的核心在磁滞环的两侧动作。 电路使用2个开关管VT1和vt 2，2个开关管在外部激励方波信号的操纵下交替接通断开，在变压器t的二次系统组得到方波电压，成为需要整流滤波的直流电压。

推挽式开关电源

这种电路的优点是两个开关管易于驱动，主要缺点是开关管耐压加倍的电路峰值电压。 电路的输出较大，一般在100~500W的范围内。

降压型开关电源

降压型开关电源的典型电路如下图所示。 当开关管VT1被接通时，二极管VD1被关断，输电者的整流电压在VT1和l处被充电至c，并且电感l的电力通过电流而增加。 当开关管VT1断开时，电感器l感生左右正电压，经由负载RL和二极管VD1释放电感器l所存储的能量，使输出直流电压维持恒定。 电路输出的直流电压的高低取决于VT1基极上施加的脉冲宽度。

降压型开关电源

由于该电路使用元件少，因此和以下介绍的其他两个电路同样，只要利用电感、电容器、二极管就能够实现。

升压式开关电源

升压式开关电源

升压式开关电源的稳压电路如下图所示。 当开关管VT1导通时，电感l存储能量。 当开关管VT1断开时，电感器l感应出左右正电压，将该电压叠加在输出者的电压上，经由二极管VD1向负载供电，使输出电压大于输出者的电压，从而形成升压式开关电源。

反转式开关电源

反转式开关电源的典型电路如下图所示。 这种电路也称为升降压式开关电源。 不管开关管VT1以前的纹波直流电压是比输出端的稳定电压高还是低，电路都正常地动作。

反转式开关电源

当接通开关管VT1时，电感器l存储能量，并且二极管VD1断开，从而将负载RL提供到电容器c的从前充电电荷。 当关断开关管VT1时，电流继续流过电感器l，感应到上下正电压，经由二极管VD1向负载供给电力，电容器c被充电。

以上介绍了脉宽调制式开关稳压电源的基本工作原理和各种电路类型，在实际应用中有各种实际的操纵电路，但无论如何，都是在此基础上进展起来的。