开关电源的组成及其主控制电路设计

一、简介

电源是各种电子设备必不可缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。由于开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，功耗小，转化率高，且体积和重量只有线性电源的20%—30%，故目前它已成为稳压电源的主流产品。

电子设备电气故障的检修，本着从易到难的原则，基本上都是先从电源入手，在确定其电源正常后，再进行其他部位的检修，且电源故障占电子设备电气故障的大多数。故了解开头电源基本工作原理，熟悉其维修技巧和常见故障，有利于缩短电子设备故障维修时间，提高个人设备维护技能。

二.开关电源的组成

开关电源大至由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成，见图1。

1. 主电路

冲击电流限幅：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。

输入滤波器：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。

整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。

逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分。

输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。

2. 控制电路

一方面从输出端取样，与设定值进行比较，然后去控制逆变器，改变其脉宽或脉频，使输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对电源进行各种保护措施。

3. 检测电路

提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。

4. 辅助电源

实现电源的软件(远程)启动，为保护电路和控制电路(PWM等芯片)工作供电。

三.开关电源的工作原理

开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压。开关元件以一定的时间间隔重复地接通和断开，在开关无件接通时输入电源Vi通过开关S和滤波电路向负载RL提供能量，当开关S断开时，电路中的储能装置(L1、C2、二极管D组成的电路)向负载RL释放在开关接通时所储存的能量，使负载得到连续而稳定的能量。

VO=TON/T*Vi

VO 为负载两端的电压平均值

TON 为开关每次接通的时间

T 为开关通断的工作周期

由式可知，改变开关接通时间和工作周期的比例，VO间电压平均值也随之改变，因此，随着负载及输入电源电压的变化自动调整TON和T的比例便使输出电压VO维持不变。改变接通时间TON和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比，这种方法称为“时间比率控制”(timeRationControl，缩写为TRC)。

按TRC控制原理，有三种方式：

1. 脉冲宽度调制(PulseWithModulation，缩写为PWM)

开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。

2. 脉冲频率调制(PulseFrequencyModulation，缩写为PFM)

导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。

3. 混合调制

导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的混合。高频开关电源是一种通过MOSFET或IGBT的高频工作，开关频率一般控制在50-100kHz范围内，实现高效率和小型化。

交流电源输入整流滤波成直流，通过高频脉冲宽度调制信号控制开关管，过滤掉电源对电网的干扰，将直流加到开关变压器初级上，开关频率越高体积就越小，开关变压器次级有一个或多个绕组感应出高频电压，经整流滤波供给负载，输出部分通过一定的电路反馈给控制电路并控制脉冲宽度调制占比来以达到稳定输出的目的。

由于没有工频变压器，体积和重量只有线性电源的20~30%。

功耗小，转化效率高，一般为60~70%。

开关电源是一个能量转换器，作为电源的功率器件工作在开关状态(开关管、电感、高频变压器、电容、整流二极管)-开或关状态，其特点是频率高、功耗低、工作效率高、体积小、输入范围宽(Switching Regulator -- A switching circuit that operates in a closed loop system to regulate the power supply output)通过闭环系统调节，使输出电压保持稳定。

高频开关电源工作原理