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开关稳压电源电路的基本原理如图4-45所示，输入电压为U_in，当开关S以一定频率f或周期T（单位时间内通电的时间为T_on，断开的时间为T_off）做开关动作时，输出电压将以方波的形式存在，且方波的峰值等于输入电压值（见图4-46）。

图4-45 开关稳压电源电路

图4-46 输入电压和输出电压波形

输出电压平均值U为

当输入电压变化时，只要适当改变脉冲占空比，就可保持输出电压的稳定，有关的调制有以下三种方式：

1）在f值不变的情况下，改变导通时间T_on，称为脉冲宽度调制。

2）在T_on值不变的情况下，改变开关频率f，称为脉冲频率调制。

3）既改变导通时间T_on也改变开关频率f，称为脉冲宽度、频率混合调制。

在实际的电路中，开关S一般用晶体管来代替，而且晶体管的工作点不是处于线性工作状态，而是处于开关工作状态，即处于饱和导通和截止两种状态，因此大大降低了功率损耗，提高了电源效率（见图4-47）。

图4-47 开关稳压电源电路原理框图

1.种类

开关稳压电源按是否有工频（50/60Hz）变压器，可分为有工频变压器和无工频变压器（指电源变压器）开关稳压电源两种。

按稳压控制方式分类，有脉冲宽度调制、脉冲频率调制以及脉冲宽度、频率混合调制方式三种。

按开关器件的激励方式，可分为自激式开关稳压电源和他激式开关稳压电源。自激式开关稳压电源不需要专设振荡器，一般由开关调整管兼作振荡器，也不需要专设启动电动势，因此电路比较简单。他激式开关稳压电源需要专设振荡器和启动电路，故电路结构比较复杂。

按开关管的连接方式，可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式四种。单端式仅用一个开关管；推挽式或半桥式使用两个开关管；全桥式使用四个开关管。

按储能电感与负载的连接方式不同，可分为串联式开关稳压电源和并联式开关稳压电源。串联式开关稳压电源的开关管串联在输入电压与输出负载之间，输出电压比输入电压低，因此又称降压式开关稳压电源。并联式开关稳压电源的开关管与输入电压及输出负载并联，输出电压可高于输入电压，因此又称为升压式开关稳压电源。

（1）串联式开关稳压电源

串联式开关稳压电源电路是由串联式线性稳压电源电路演变而来：其结构形式相似，但稳压调节原理不一样。串联式开关稳压电源的稳压原理是对输出电压的变化进行取样，送到运算放大器，与基准电压进行比较、放大所得误差信号送入脉宽调制器，使其变成脉冲宽度的变化，从而控制晶体管的导通时间，达到稳定输出电压的目的（见图4-48）。

（2）升压式开关稳压电源

当输入电压或负载发生变化时，将引起输出电压的变化，取样电路将此变化送入比较放大器与基准电压进行比较，得到误差信号进行放大送到脉宽调制器，脉宽调制器改变脉冲的占空比，而后送入开关晶体管，改变开关晶体管的导通时间，从而调整流过电感的电流（即输入电流），达到输出电压稳定的目的（见图4-49）。

图4-48 串联式开关稳压电源电路

图4-49 升压式开关稳压电源电路

（3）极性反转式开关稳压电源

极性反转式开关稳压电源又称反相式开关稳压电源，该电源输出电压极性与输入电压极性正好相反。输出电压的绝对值可大于、等于或小于输入电压的绝对值（见图4-50）。

图4-50 极性反转式开关稳压电源电路

该电源与升压式开关稳压电源不同之处在于：开关晶体管与电感位置互相对调，续流二极管极性相反。其稳压原理相似，这里不再叙述。

（4）直流变换器式开关稳压电源

直流变换器式开关稳压电源主要由直流变换器和稳压电路两部分组成。直流变换器有单管、推挽和桥式三种。自激式直流变换器的输出一般是固定不变的，为了达到稳压的目的，通常在直流变换器的前面或后面配置其他形式的直流稳压器，如线性直流稳压器、串联式开关稳压器、磁放大器稳压器等。最简单的一种就是在直流变换器中增加一些元器件，就能调节输出电压。这种电路线路简单，效率高，具有较高的电压稳定度和负载稳定度。由于电路是自激式，所以工作频率和脉冲宽度往往同时发生变化（见图4-51）。

2.组成

由于无工频变压器开关稳压电源电路的使用比较普遍，这里主要介绍无工频变压器开关稳压电源电路。

图4-51 直流变换器式开关稳压电源电路

无工频变压器开关稳压电源与串联式线性稳压电源、串联式开关稳压电源比较，有如下特点：

1）体积小，重量轻。由于不用电源变压器，只用一个高频脉冲变压器，所以与后两种电源比较，体积和重量都小得多，一般为后两种电源的20%～30%。

2）功耗小，效率高。功率开关管工作在开关状态，电流小，功耗小，而且控制功率也小，因此效率高。一般效率可达到60%～85%。而且当电网电压和输出电压在较大范围变化时，功耗变化不大，因此效率没多大变化。

3）不容易出现过电压现象。串联式线性和串联式开关稳压电源，尤其是串联式线性稳压电源，输入输出电压值相差大，串联功率开关管一旦击穿，全部输入电压都加到负载上，由于电压高，上升速率又快，过电压保护电路来不及动作就可能损坏负载。而无工频变压器开关稳压电源，不论开关管断开还是击穿，其输出电压都会下降到零，没有过电压现象发生。即使控制电路发生故障引起输出电压升高，但上升速率缓慢，过电压保护电路能动作，及时切断输出电压，况且控制电路的故障率相对要小得多。

4）电网电压突然断电，输出电压维持时间长。在额定负载下，输出电压的额定值能维持几十毫秒以上，便于计算机实现信息保护。

5）输出电压可给出任意值，而且可获得多路输出。

6）电路复杂，使用的元器件多。由于采用集成电路，元器件的数量也相应减少。

7）输出电压纹波大，产生的干扰强。串联式线性稳压电源得到1mV以下的纹波电压是不困难的，而开关稳压电源一般为10～100mV，开关稳压电源产生的尖峰电压频率高，能量大，易损坏开关管，而且也产生干扰。

8）瞬态响应差。串联式线性稳压电源一般为10μs到几百微秒，开关稳压电源为毫秒数量级，电压输出幅度变化也大。

无工频变压器开关稳压电源电路由电网消干扰电路、工频整流滤波电路、直流-交流（DC-AC）变换电路、高频整流滤波电路、控制电路、保护电路及辅助电源等几个部分组成。

（1）电网消干扰电路

电网消干扰电路的作用是消除和防止来自电网的各种干扰，如电动机的起动、各种电器的开和关所引起的电火花，雷击等产生的干扰。同时又防止开关稳压电源产生的高频电磁干扰向电网扩散（见图4-52）。

（2）工频整流滤波电路

工频整流滤波电路将电网交流电压进行整流滤波，向直流-交流变换器提供纹波较小的直流电压。而且当电网瞬间停电时，电容器储存的能量可使开关稳压电源输出电压维持一定的时间，有利于设备进行数据保护。(www.xing528.com)

图4-52 电网消干扰电路

（3）直流-交流变换电路

直流-交流变换电路是开关稳压电源的关键部件。它把未稳压的直流电压变成高频脉冲电压。高频脉冲变压器可起到输入电网与输出端隔离作用，并且可以储能变压。

按直流-交流变换器的形式，无工频变压器开关稳压电源可以分为单管正激式、单管反激式、半桥式、推挽式、全桥式五种（见图4-53～图4-57）。

图4-53 单管正激式

图4-54 单管反激式

图4-55 半桥式

图4-56 推挽式

单管正激式和反激式变换器对磁心特性曲线的利用是单方面的，故又把这两种形式的开关稳压电源称之为单端变换器开关稳压电源，它们的基本电路多是单管式的。半桥式、推挽式和全桥式是几种多管的变换器开关稳压电源，有的称之为双端变换器开关稳压电源。

（4）高频整流滤波电路

高频整流滤波电路将变换器输出的高频脉冲电压进行整流滤波得到所需要的直流输出电压（可获得多路输出）。同时还可防止高频噪声对负载的干扰。

图4-57 全桥式

（5）辅助电源电路

辅助电源电路为控制电路和保护电路提供满足一定技术要求的直流电源，以保证它们工作稳定可靠。辅助电源可以是独立的，也可以由开关稳压电源本身提供。

（6）控制电路

控制电路包括误差检测放大电路、保护电路、振荡电路、脉宽控制电路、驱动电路等。

误差检测放大电路检测直流输出电压，与基准电压进行比较、放大，调制振荡器输出的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出直流电压的稳定。

保护电路在开关稳压电源发生过电压、过电流或短路时，保护电路使开关稳压电源停止工作，以保护负载和开关稳压电源本身。有的还发出报警信号。

有的控制电路还包括软启动及停止电路。

3.开关稳压电源控制电路

开关稳压电源控制电路的原理框图如图4-58所示。

脉宽控制电路的主要功能是将输出电压u_o的微小变化转变成脉冲宽度的变化（即改变振荡脉冲方波的占空比），从而实现调整电压的目的，现分别介绍如下。

（1）振荡器

振荡器又称振荡源、基准频率发生器或脉冲发生器，主要功能是产生一定振荡频率的方波或脉冲。电路形式较多，如多谐振荡器、间歇振荡器、双基极（单结）晶体振荡器及集成电路与门电路组成的振荡器等。

（2）误差检测放大器

误差检测放大器又称比较放大器。通常有单管放大器、差动放大器、带有光耦合器的比较放大器、集成稳压器组成的电路等（见图4-59）。

图4-58 开关稳压电源控制电路原理框图

图4-59 单管误差检测放大器

注：当输出电压发生变动时，通过取样电路将其微小变化送入放大器，与基准电压进行比较，经放大器放大后，由集电极输出送给脉宽调制器。该电路中晶体管和稳压二极管都会受外界环境温度的影响，这样将产生电压漂移。

（3）保护电路

保护电路分过电压保护和过电流保护两种。开关稳压电源工作过程中，常因某种原因，使电源输出电压突然升高而有可能损坏负载元器件。对于串联式开关稳压电源，发生过电压多数是由于功率开关管击穿短路造成的；对于无工频变压器开关稳压电源，出现过电压现象往往是由于脉宽控制电路发生故障而引起的。所以过电压保护电路是为了保护负载元器件的。同样负载会因某种原因发生过电流或负载短路现象，过电流保护电路用于保护电源。

过电压保护电路主要器件一般采用晶闸管整流器，更多采用小电流的晶闸管整流器，其工作时间是相当快的，一般在1μs以下，控制灵敏度也是相当高的，一般在1mA以下。用晶闸管整流器组成的过电压保护电路比较简单，组装和调试均较方便。

无工频变压器开关稳压电源，特别是脉宽调制型开关稳压电源产生过电压的可能性是不大的。但是有些电源由于选用电路或元器件不当还会发生过电压现象而损坏元器件。因此过电压保护电路在设计电源时还是应该考虑的。

过电流保护电路的形式较多，按其工作类型常分为限流式、减流式、电流截止式三种。

限流式保护电路结构简单，工作可靠，使用方便，带容性负载能力强，故障排除后能自动恢复正常工作，在输出电流不大的稳压电源中应用较多，但在电源短路后，电源的剩余电流较大，使开关管损耗也较大，因而在大电流输出情况下很少使用。

减流式保护电路和限流式保护电路一样，当过电流消除后，稳压电源能自动恢复正常工作。在电源短路后使电源的剩余电流较小，开关管的功耗小，带容性负载能力强，是常用的保护电路之一，一般用于低于12V的稳压电源中。

过电流保护电路中的过电流信号的取得一般有两种，一种是采用电流互感器，这在微型计算机主机电源中应用较为广泛；第二种是通过电阻取样，这种方式简单，在显示器电源中得到广泛应用。

（4）脉宽调制器

脉宽调制（PWM）器是脉宽控制电路中关键性部件。脉宽调制器的功能是把误差检测放大器（或称比较放大器）输出的直流误差信号转换成脉冲宽度可变的脉冲方波信号，要求它输出的脉冲宽度能在较大范围内连续线性地变化。脉宽调制器电路比较多，有由最简单的晶体管组成的脉宽调制器、由单稳态触发器组成的脉宽调制器、由RC积分电路组成的脉宽调制器、由运算放大器组成的脉宽调制器、由集成电路组成的脉宽调制器等。

4.浪涌抑制电路

由于电容器上的电压不能跃变，在整流器上电之初，滤波电容电压几乎为零，等效为整流输出端短路。如在最不利的情况（上电时的电压瞬时值为电源电压峰值）上电，则会产生远高于整流器正常工作电流的输入浪涌电流，当滤波电容为470μF并且电源内阻较小时，第一个电流峰值将超过100A，为正常工作电流峰值的10倍。

浪涌电流会造成电源电压波形塌陷，使得供电质量变差，甚至会影响其他用电设备的工作以及使保护电路动作；由于浪涌电流冲击整流器的输入熔断器，使其在若干次上电过程的浪涌电流冲击下而非过载熔断。为避免这类现象发生，而不得不选用更高额定电流的熔断器，但将出现过载时熔断器不能熔断，起不到保护整流器及用电电路的作用；过高的上电浪涌电流对整流器和滤波电容器造成不可恢复的损坏。因此，必须对带有电容滤波的整流器输入浪涌电流加以限制。

限制上电浪涌电流最有效的方法是，在整流器与滤波电容器之间，或在整流器的输入侧加一负温度系数（NTC）热敏电阻。利用NTC热敏电阻在常温状态下具有较高阻值来限制上电浪涌电流，上电后由于NTC热敏电阻流过电流发热使其电阻值降低，以减小NTC热敏电阻上的损耗。这种方法虽然简单，但是存在的问题是限制上电浪涌电流性能受环境温度和NTC热敏电阻的初始温度影响，在环境温度较高或在上电时间间隔很短时，NTC热敏电阻起不到限制上电浪涌电流的作用，因此，这种限制上电浪涌电流方式仅用于价格低廉的微机电源或其他低成本电源。

而在彩色电视机和显示器上，限制上电浪涌电流则采用串一限流电阻。最常见的应用是彩色电视机，这种方法的优点是简单、可靠性高，允许在宽环境温度范围内工作；缺点是限流电阻上有损耗，降低了电源效率。事实上整流器上电处于稳态工作后，这一限流电阻的限流作用已完成，仅起消耗功率、发热的负作用，因此，在功率较大的开关稳压电源中，采用上电后经一定延时后用一机械触点或电子触点将限流电阻短路。这种限制上电浪涌电流方式性能好，但电路复杂，占用体积较大。