开关电源特点及工作原理

1.特点

开关电源是一种应用很广泛的电源，常用在彩色电视机、变频器、计算机和复印机等功率较大的电子设备中。与线性稳压电源比较，开关电源主要有以下特点：

1）效率高、功耗小。开关电源的效率可达80%以上，一般的线性电源效率只有50%左右。

2）稳压范围宽。例如彩色电视机的开关电源稳压范围在130～260V，性能优良的开关电源可达到90～280V，而一般的线性电源稳压范围只有190～240V。

3）质量小，体积小。开关电源不用体积大且笨重的电源变压器，只用到体积小的开关变压器，又因为效率高，损耗小，所以开关电源不用大的散热片。

开关电源虽然有很多优点，但电路复杂，维修难度大，另外干扰性较强。

2.开关电源的基本工作原理

开关电源电路较复杂，但其基本工作原理却不难理解，下面以图9-26来说明开关电源的基本工作原理。

图9-26 开关电源基本工作原理

在图9-26a中，当开关S合上时，电源E经S对C充电，在C上获得上正下负的电压，当开关S断开时，C往后级电路（未画出）放电。若开关S闭合时间长，则电源E对C充电时间长，C两端电压U_o会升高，反之，如果S闭合时间短，电源E对C充电时间短，C上充电少，C两端电压会下降。由此可见，改变开关的闭合时间长短就能改变输出电压的高低。

在实际的开关电源中，开关S常用晶体管来代替它，如图9-26b所示，该晶体管称为开关管，并且在开关管的基极加一个控制信号（激励脉冲）来控制开关管导通和截止。当控制信号高电平送到开关管的基极时，开关管基极电压会上升而导通，VT的c、e极相当于短路，电源E经VT的c、e极对C充电；当控制信号低电平到来时，VT基极电压下降而截止，VT的c、e极相当于开路，C往后级电路放电。如果开关管基极的控制信号高电平持续时间长，低电平持续时间短，电源E对C充电时间长，C放电时间短，C两端电压会上升。

如果某些原因使输入电源E下降，为了保证输出电压不变，可以让送到VT基极的脉冲更宽（即脉冲的高电平时间更长），VT导通时间长，E经VT对C充电时间长，即使电源E下降，但由于E对C的充电时间延长，仍可让C两端电压不会因E下降而下降。

由此可见，控制开关管导通、截止时间长短就能改变输出电压或稳定输出电压，开关电源就是利用这个原理来工作的。送到开关管基极的脉冲宽度可变化的信号称为PWM脉冲，PWM意为脉冲宽度调制。

3.三种类型的开关电源工作原理分析

开关电源的种类很多，根据控制脉冲产生方式不同，可分为自激式和他激式，根据开关器件在电路中的连接方式不同，可分为串联型、并联型和变压器耦合型三种。

（1）串联型开关电源

串联型开关电源如图9-27所示。

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图9-27 串联型开关电源

220V交流市电经整流和C1滤波后，在C1上得到300V的直流电压（市电电压为220V，该值是指有效值，其最大值可达到2202V=311V，故220V市电直接整流后可得到300V左右的直流电压），该电压经一次绕组L1送到开关管VT的集电极。

开关管VT的基极加有脉冲信号，当脉冲信号高电平送到VT的基极时，VT饱和导通，300V的电压经L1、VT的c、e极对电容C2充电，在C2上充得上正下负的电压，充电电流在经过L1时，L1会产生左正右负的电动势阻碍电流，L2上会感应出左正右负的电动势（同名端极性相同），续流二极管VD1截止；当脉冲信号低电平送到VT的基极时，VT截止，无电流流过L1，L1马上产生左负右正的电动势，L2上感应出左负右正的电动势，二极管VD1导通，L2上的电动势对C2充电，充电途径是L2的右正→C2→地→VD1→L2的左负，在C2上充得上正下负的电压U_o，供给负载RL。

稳压过程：若220V市电电压下降，C1上的300V电压也会下降，如果VT基极的脉冲宽度不变，在VT导通时，充电电流会因300V电压下降而减小，C2充电少，两端的电压U_o会下降。为了保证在市电电压下降时C2两端的电压不会下降，可让送到VT基极的脉冲信号变宽（高电平持续时间长），VT导通时间长，C2充电时间长，C2两端的电压又回升到正常值。

（2）并联型开关电源

并联型开关电源如图9-28所示。

图9-28 并联型开关电源

220V交流电经整流和C1滤波后，在C1上得到300V的直流电压，该电压送到开关管VT的集电极。开关管VT的基极加有脉冲信号，当脉冲信号高电平送到VT的基极时，VT饱和导通，300V的电压产生电流经VT、L1到地，电流在经过L1时，L1会产生上正下负的电动势阻碍电流，同时L1中存储了能量；当脉冲信号低电平送到VT的基极时，VT截止，无电流流过L1，L1马上产生上负下正的电动势，该电动势使续流二极管VD1导通，并对电容C2充电，充电途径是L1的下正→C2→VD1→L1的上负，在C2上充得上负下正的电压U_o，该电压供给负载RL。

稳压过程：若市电电压上升，C1上的300V电压也会上升，流过L1的电流大，L1存储的能量多，在VT截止时L1产生的上负下正电动势高，该电动势对C2充电，使电压U_o升高。为了保证在市电电压上升时C2两端的电压不会上升，可让送到VT基极的脉冲信号变窄，VT导通时间短，流过线圈L2电流时间短，L2储能减小，在VT截止时产生的电动势下降，对C2充电电流减小，C2两端的电压又回落到正常值。

（3）变压器耦合型开关电源

变压器耦合型开关电源如图9-29所示。

图9-29 变压器耦合型开关电源

220V的交流电压经整流电路整流和C1滤波后，在C1上得到+300V的直流电压，该电压经开关变压器T的一次绕组L1送到开关管VT的集电极。

开关管VT的基极加有控制脉冲信号，当脉冲信号高电平送到VT的基极时，VT饱和导通，有电流流过VT，其途径是+300V→L1→VT的c、e极→地，电流在流经一次绕组L1时，L1会产生上正下负的电动势阻碍电流，L1上的电动势感应到二次绕组L2上，由于同名端的原因，L2上感应的电动势极性为上负下正，二极管VD不能导通；当脉冲信号低电平送到VT的基极时，VT截止，无电流流过L1，L1马上产生相反的电动势，其极性是上负下正，该电动势感应到L2上，L2上得到上正下负的电动势，此电动势经二极管VD对C2充电，在C2上得到上正下负的电压U_o，该电压供给负载RL。

稳压过程：若220V的电压上升，经电路整流滤波后在C1上得到300V电压也上升，在VT饱和导通时，流经L1的电流大，L1中存储的能量多，当VT截止时，L1产生的上负下正电动势高，L2上感应得到的上正下负电动势高，L2上的电动势经VD对C2充电，在C2上充得的电压U_o升高。为了保证在市电电压上升时，C2两端的电压不会上升，可让送到VT基极的脉冲信号变窄，VT导通时间短，电流流过L1的时间短，L1储能减小，在VT截止时，L1产生的电动势低，L2上感应得到的电动势低，L2上电动势经VD对C2充电减少，C2上的电压下降，回到正常值。