【開關電源百科】開關電源工作原理分析 開關電源電路圖

什么是開關電源

開關電源是利用現代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOSFET構成。隨著電力電子技術的發展和創新，使得開關電源技術也在不斷地創新。目前，開關電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用幾乎所有的電子設備，是當今電子信息產業飛速發展不可缺少的一種電源方式。

開關電源用途

開關電源產品廣泛應用于工業自動化控制、軍工設備、科研設備、LED照明、工控設備、通訊設備、電力設備、儀器儀表、醫療設備、半導體制冷制熱、空氣凈化器，電子冰箱，液晶顯示器，LED燈具，通訊設備，視聽產品，安防監控，LED燈袋，電腦機箱，數碼產品和儀器類等領域。

開關電源種類

開關電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類，DC/DC變換器現已實現模塊化，且設計技術及生產工藝在國內外均已成熟和標準化；AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進程中，遇到較為復雜的技術和工藝制造問題。

（1）DC/DC變換

DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調制方式Ts不變，改變ton（通用），二是頻率調制方式，ton不變，改變Ts（易產生干擾）。其具體的電路由以下幾類：

A、Buck電路——降壓斬波器，其輸出平均電壓U0小于輸入電壓Ui，極性相同。

B、Boost電路——升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于輸入電壓Ui，極性相同。

C、Buck-Boost電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電感傳輸。

D、Cuk電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電容傳輸。

（2）AC/DC變換

AC/DC變換是將交流變換為直流，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負載的稱為“整流”，功率流由負載返回電源的稱為“有源逆變”。

AC/DC變換按電路的接線方式可分為，半波電路、全波電路。按電源相數可分為，單相、三相、多相。按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。

開關電源的組成

開關電源大致由主電路、控制電路、檢測電路、輔助電源四大部份組成（如圖）。

（1）主電路

沖擊電流限幅：限制接通電源瞬間輸入側的沖擊電流。

輸入濾波器：其作用是過濾電網存在的雜波及阻礙本機產生的雜波反饋回電網。

整流與濾波：將電網交流電源直接整流為較平滑的直流電。

逆變：將整流后的直流電變為高頻交流電，這是高頻開關電源的核心部分。

輸出整流與濾波：根據負載需要，提供穩定可靠的直流電源。

（2）控制電路

一方面從輸出端取樣，與設定值進行比較，然后去控制逆變器，改變其脈寬或脈頻，使輸出穩定，另一方面，根據測試電路提供的數據，經保護電路鑒別，提供控制電路對電源進行各種保護措施。

（3）檢測電路

提供保護電路中正在運行中各種參數和各種儀表數據。

（4）輔助電源

實現電源的軟件（遠程）啟動，為保護電路和控制電路（PWM等芯片）工作供電。【詳細】

開關電源工作原理

開關電源就是采用功率半導體器件作為開關元件，通過周期性通斷開關，控制開關元件的占空比來調整輸出電壓。開關元件以一定的時間間隔重復地接通和斷開，在開 關無件接通時輸入電源Vi通過開關S和濾波電路向負載RL提供能量，當開關S斷開時，電路中的儲能裝置（L1、C2、二極管D組成的電路）向負載RL釋放 在開關接通時所儲存的能量，使負載得到連續而穩定的能量。

VO=TON/T*Vi；

VO 為負載兩端的電壓平均值；TON 為開關每次接通的時間；T 為開關通斷的工作周期；

由式可知，改變開關接通時間和工作周期的比例，VO間電壓平均值也隨之改變，因此，隨著負載及輸入電源電壓的變化自動調整TON和T的比例便使輸出電壓VO 維持不變。改變接通時間TON和工作周期比例亦即改變脈沖的占空比，這種方法稱為“時間比率控制”（TimeRationControl，縮寫為 TRC）。

按TRC控制原理，有三種方式：

（1）脈沖寬度調制（PulseWithModulation，縮寫為PWM）：開關周期恒定，通過改變脈沖寬度來改變占空比的方式。

（2）脈沖頻率調制（PulseFrequencyModulation，縮寫為PFM）：導通脈沖寬度恒定，通過改變開關工作頻率來改變占空比的方式。

（3）混合調制：導通脈沖寬度和開關工作頻率均不固定，彼此都能改變的方式，它是以上二種方式的混合。【詳細】

1、選用合適的輸入電壓范圍。以交流輸入為例，常用的輸入電壓規格有110V，220V，所以相應就有了110V、220V交流切換，以及通用輸入電壓（AC：85V-264V）三種規格。應根據使用地區選定輸入電壓規格。

2、選擇合適的功率。開關電源在工作時會消耗一部分功率，并以熱量的形式釋放出來。為了使電源的壽命增長，建議選用多30%輸出功率額定的機種。

3、考慮負載特性。為了提高系統的可靠性，建議開關電源工作在50%-80%負載為佳，即假設所用功率為20W，應選用輸出功率為25W-40W的開關電源。

4、如果負載是馬達、燈泡或電容性負載，當開機瞬間時電流較大，應選用合適電源以免過載。如果負載是馬達時應考慮停機時電壓倒灌。

5、此外尚需考慮電源的工作環境溫度，及有無額外的輔助散熱設備，在過高a的環溫電源需減額輸出。需參考環溫對輸出功率的減額曲線。

6、根據應用所需選擇各項功能：

保護功能：過電壓保護（OVP）、過溫度保護（OTP）、過負載保護（OLP）等。

應用功能：信號功能（供電正常、供電失效）、遙控功能、遙測功能、并聯功能等。

特殊功能：功因矯正（PFC）、不斷電（UPS）

7、選擇所需符合的安規及電磁兼容（EMC）認證。

根據使用情況，定出需要的輸出電壓、電流；電源的尺寸、安裝方式和安裝孔位；有幾路輸出，各路輸出是否需要電氣隔離；輸入電壓范圍；根據環境溫度，決定開關電源的降額程度，電源功率；是否需要認證及安規標準；電源的冷卻方式：自然冷卻或強制風冷；電磁兼容標準。

8、盡量選用廠家的標準電源，包括標準尺寸和輸出電壓。這樣貨期比較快；相反，特殊的尺寸和輸出電壓，則會延長貨期、增加成本。

9、選擇品牌。開關電源作為電子設備的心臟，對電子設備的安全可靠運行有著至關重要的作用。所以選擇品牌的開關電源也很重要。【詳細】

1、使用電源前，先確定輸入輸出電壓規格與所用電源的標稱值是否相符。

2、通電之前，檢查輸入輸出的引線是否連接正確，以免損壞用戶設備。

3、檢查安裝是否牢固，安裝螺絲與電源板器件有無接觸，測量外殼與輸入、輸出的絕緣電阻，以免觸電。

4、為保證使用的安全性和減少干擾，請確保接地端可靠接地。

5、多路輸出的電源一般分主、輔輸出，主輸出特性優于輔輸出，一般情況下輸出電流大的為主輸出。為保證輸出負載調整率和輸出動態等指標，一般要求每路至少帶10%的負載。若用輔路不用主路，主路一定加適當的假負載。具體參見相應型號的規格書。

6、請注意：電源頻繁開關將會影響其壽命。工作環境及帶載程度也會影響其壽命。【詳細】

1、斷電情況下，“看、聞、問、量”

看：打開電源的外殼，檢查保險絲是否熔斷，再觀察電源的內部情況，如果發現電源的PCB板上有燒焦處或元件破裂，則應重點檢查此處元件及相關電路元件。

聞：聞一下電源內部是否有糊味，檢查是否有燒焦的元器件。

問：問一下電源損壞的經過，是否對電源進行違規操作。

量：沒通電前，用萬用表量一下高壓電容兩端的電壓先。如果是開關電源不起振或開關管開路引起的故障，則大多數情況下，高壓濾波電容兩端的電壓未泄放悼，用萬用表測量AC電源線兩端的正反向電阻及電容器充電情況，電阻值不應過低，否則電源內部可能存在短路。電容器應能充放電。脫開負載，分別測量各組輸出端的對地電阻，正常時，表針應有電容器充放電擺動，最后指示的應為該路的泄放電阻的阻值。

2、加電檢測

通電后觀察電源是否有燒保險及個別元件冒煙等現象，若有要及時切斷供電進行檢修。

測量高壓濾波電容兩端有無300伏輸出，若無應重點查整流二極管、濾波電容等。

測量高頻變壓器次級線圈有無輸出，若無應重點查開關管是否損壞，是否起振，保護電路是否動作等，若有則應重點檢查各輸出側的整流二極管、濾波電容、三通穩壓管等。

如果電源啟動一下就停止，則該電源處于保護狀態下，可直接測量PWM芯片保護輸入腳的電壓，如果電壓超出規定值，則說明電源處于保護狀態下，應重點檢查產生保護的原因。

【開關電源常見故障維修→】

1、開關電源是直流電轉變為高頻脈沖電流，將電能儲存到電感、電容元件中，利用電感、電容的特性將電能按預定的要求釋放出來來改變輸出電壓或電流的；線性電源沒有高頻脈沖和儲存元件，它利用元器件線性特性在負載變化時瞬間反饋控制輸入達到穩定電壓和電流的。

2、開關電源可以降壓，也可以升壓；線性電源只能降壓。

3、開關電源效率高；線性電源效率低。

4、線性電源控制速度快，波紋小；開關電源波紋大。【詳細】