一文详解开关稳压电源
开关稳压电源的组成
开关稳压电源通常由电磁干扰(emi)滤波器、整流电路、滤波电路和dc/dc变换器电路组成。其典型结构如图1-2-1所示。
图1-2-1 开关稳压电源的组成框图
交流输入电压(通常是220v，50hz)经过emi滤波器进入整流电路。emi滤波器用于减小开关电源的噪声干扰，阻止开关电源产生的噪声传输到电网中，避免干扰电网中的其他电器设备(例如通信设备)。
整流电路直接将交流输入电压整流，然后通过滤波电路产生较高的直流电压(通常是300v左右)，称为直流高压。该直流电压为dc/dc变换器的dc输入电压。
dc/dc变换器也称功率变换电路，是开关电源的核心部分，通常由功率开关管、高频变压器和pwm控制器等组成。dc/dc变换器先将dc输入电压变为高频交流电压，施加到高频变压器的初级绕组。高频变压器次级绕组感应出的交流电压再经过高频整流与滤波电路，最终转换为dc电压输出。因为变压器的初级绕组和次级绕组相互绝缘，所以通过高频变压器实现了ac输入和dc输出之间的电气隔离。
小贴示
dc/dc变换器是开关稳压电源的核心电路。
开关稳压电源的工作原理
开关稳压电源的核心电路是dc/dc变换器，为了和线性稳压电源对比，下面以降压式dc/dc变换器为例，介绍开关稳压电源的基本工作原理。降压式dc/dc变换器的电路结构与等效电路如图1-2-2所示。其中图(a)为电路结构，图(b)为等效电路。
图1-2-2
图中，vt被称为功率开关管，其作用可等效为能够高速动作的开关s。vd z 为稳压二极管，用于产生基准电压(也称参考电压)u ref 。r 2 和r 3 被称为取样电阻，它们用来检测输出电压u o ，并分压产生反馈电压u f 。ea为误差放大器，它可将反馈电压u f 与基准电压u ref 进行比较放大，从而产生控制电压u c 。其中，误差放大器的工作原理与线性稳压电源完全相同。vd为续流二极管，用于延续电感l中的电流。l为滤波电感，因为流过较大的负载电流，也称功率电感。c为输出滤波电容。r l 为负载电阻。
与线性稳压电源不同的是，开关稳压电源具有pwm控制器。pwm控制器将控制电压u c 的变化转换为控制信号占空比d的变化，使功率开关管vt按照不同的占空比导通与关断，从而实现输出电压的改变。
dc/dc变换器的工作原理可以结合图1-2-2(b)中的等效电路和图1-2-3中波形的占空比变化来解释。当pwm控制器使功率开关管vt导通时，相当于开关s闭合。此时，输入电压u i 加到了滤波电感l左端，电压u l =u i ;经过一段时间t on (t on 称为导通时间)以后，pwm控制器使功率开关管vt关断，相当于开关s断开。此时，续流二极管vd导通，使滤波电感l左端电压为0v，即u l =0v。经过一段时间t off (t off 称为关断时间)以后，pwm控制器再次使vt导通，进入下一个开关周期，并一直重复下去。
导通时间t on 与关断时间t off 之和为开关周期t，即t=t on +t off 。通常开关周期t是固定不变的，当导通时间t on 变长的时候，关断时间t off 就相应的变短。导通时间t on 与开关周期t的比值叫做占空比，用d来表示，即d=t on /t。
图1-2-3中给出了3种不同占空比时u l 点的电压波形，其中图(a)是d=0.25时的电压波形，图(b)和图(c)分别是d=0.5和d=0.75时的电压波形。由于电感l和电容c的滤波作用，u l 点的电压波形经过lc滤波之后，将变为平滑的直流输出电压u o 。
图1-2-3
输出电压u o 为输入电压u i 与占空比d的乘积，即u o =u i ×d。改变占空比d，就能改变导通时间t on ，进而改变输出电压u o 。在相同的输入电压下，占空比越大，对应的输出电压就越高。在dc/dc变换器中，pwm控制器就是用来改变占空比d的。
在图1-2-2所示的开关电源中，当电路检测到u o 升高时，误差放大器ea输出电压u c 将降低，通过pwm控制器使占空比d下降，从而使输出电压u o 保持不变。
小贴示
pwm控制器是开关稳压电源的控制核心。
与线性稳压电源相比，开关电源的功率开关管vt等效为开关s而不是可变电阻r，当vt导通时，其压降通常仅为1v左右，vt的导通损耗比线性稳压电源小得多。线性电源调整管vt的功率损耗为输入/输出压差与负载电流的乘积，即p d =(u i -u o )×i l ，通常(u i -u o )需要3v以上。开关电源功率开关管vt的导通损耗为p d =1×i l ，而与(u i -u o )的大小几乎无关。
例如在12v输入，5v输出的线性电源中，如果负载电流为1a，则电源调整管vt的功率损耗为p d =(12-5)×1=7w;如果是相同参数的开关电源，功率开关管vt的功率损耗仅为p d =1×1=1w，比线性电源损耗小得多，这就是开关电源能够获得高效率的根本原因。
当然，开关电源除了功率开关管vt的导通损耗以外，还有vt的开关损耗以及续流二极管vd的损耗等。尽管如此，开关电源的总体损耗也比线性电源小很多。
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开关稳压电源通常由电磁干扰(emi)滤波器、整流电路、滤波电路和dc/dc变换器电路组成。其典型结构如图1-2-1所示。
图1-2-1 开关稳压电源的组成框图
交流输入电压(通常是220v，50hz)经过emi滤波器进入整流电路。emi滤波器用于减小开关电源的噪声干扰，阻止开关电源产生的噪声传输到电网中，避免干扰电网中的其他电器设备(例如通信设备)。
整流电路直接将交流输入电压整流，然后通过滤波电路产生较高的直流电压(通常是300v左右)，称为直流高压。该直流电压为dc/dc变换器的dc输入电压。
dc/dc变换器也称功率变换电路，是开关电源的核心部分，通常由功率开关管、高频变压器和pwm控制器等组成。dc/dc变换器先将dc输入电压变为高频交流电压，施加到高频变压器的初级绕组。高频变压器次级绕组感应出的交流电压再经过高频整流与滤波电路，最终转换为dc电压输出。因为变压器的初级绕组和次级绕组相互绝缘，所以通过高频变压器实现了ac输入和dc输出之间的电气隔离。
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图1-2-2
图中，vt被称为功率开关管，其作用可等效为能够高速动作的开关s。vd z 为稳压二极管，用于产生基准电压(也称参考电压)u ref 。r 2 和r 3 被称为取样电阻，它们用来检测输出电压u o ，并分压产生反馈电压u f 。ea为误差放大器，它可将反馈电压u f 与基准电压u ref 进行比较放大，从而产生控制电压u c 。其中，误差放大器的工作原理与线性稳压电源完全相同。vd为续流二极管，用于延续电感l中的电流。l为滤波电感，因为流过较大的负载电流，也称功率电感。c为输出滤波电容。r l 为负载电阻。
与线性稳压电源不同的是，开关稳压电源具有pwm控制器。pwm控制器将控制电压u c 的变化转换为控制信号占空比d的变化，使功率开关管vt按照不同的占空比导通与关断，从而实现输出电压的改变。
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图1-2-3
输出电压u o 为输入电压u i 与占空比d的乘积，即u o =u i ×d。改变占空比d，就能改变导通时间t on ，进而改变输出电压u o 。在相同的输入电压下，占空比越大，对应的输出电压就越高。在dc/dc变换器中，pwm控制器就是用来改变占空比d的。
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当然，开关电源除了功率开关管vt的导通损耗以外，还有vt的开关损耗以及续流二极管vd的损耗等。尽管如此，开关电源的总体损耗也比线性电源小很多。
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