几种常见的开关电源的工作原理及电路图详解
开关电源简介
开关电源又称交换式电源、开关变换器，是一种高频化电能转换装置，是电源供应器的一种。其功能是将一个位准的电压，透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。
开关电源的基本组成
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。
开关电源原理图详解
(一)开关式稳压电源的基本工作原理
开关式稳压电源接控制方式分为调宽式和调频式两种，在实际的应用中，调宽式使用得较多，在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数也为脉宽调制型(pwm)。因此下面就主要介绍调宽式开关稳压电源。
调宽式开关稳压电源的基本原理可参见下图。
图1 调宽式示意图
对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压 uo 取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。直流平均电压u。可由公式计算，即
uo=um×t1/t
式中 um为矩形脉冲最大电压值;t为矩形脉冲周期;t1为矩形脉冲宽度。从上式可以看出，当 um与t不变时，直流平均电压 uo 将与脉冲宽度t1成正比。这样，只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，就可以达到稳定电压的目的。
开关式稳压电源的原理电路-开关电源原理图
1基本电路
图2 开关电源基本电路框图
交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。
控制电路为一脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化，制成了各种开关电源用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。
2开关电源原理图-单端反激式开关电源
单端反激式开关电源的典型电路如图三所示。电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激，是指当开关管 vt1 导通时，高频变压器t初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管 vd1 处于截止状态，在初级绕组中储存能量。
当开关管 vt1 截止时，变压器t初级绕组中存储的能量，通过次级绕组及 vd1 整流和电容c滤波后向负载输出。
图3 单端反激式开关电源
单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路，输出功率为20 - 100w，可以同时输出不同的电压，且有较好的电压调整率。唯一的缺点是输出的纹波电压较大，外特性差，适用于相对固定的负载。
单端反激式开关电源使用的开关管vt1承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍，工作频率在20 - 200khz之间。
3开关电源原理图-单端正激式开关电源
单端正激式开关电源的典型电路如图四所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似，但工作情形不同。当开关管 vt1 导通时， vd2 也导通，这时电网向负载传送能量，滤波电感l储存能量;当开关管 vt1 截止时，电感l通过续流二极管 vd3 继续向负载释放能量。
图4 单端正激式开关电源
在电路中还设有钳位线圈与二极管 vd2 ，它可以将开关管 vt1 的最高电压限制在两倍电源电压之间。为满足磁芯复位条件，即磁通建立和复位时间应相等，所以电路中脉冲的占空比不能大于50%。由于这种电路在开关管 vt1 导通时，通过变压器向负载传送能量，所以输出功率范围大，可输出 50 - 200 w的功率。电路使用的变压器结构复杂，体积也较大，正因为这个原因，这种电路的实际应用较少。
4开关电源原理图-自激式开关稳压电源
自激式开关稳压电源的典型电路如图五所示。这是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源，也是目前广泛使用的基本电源之一。
图5 自激式开关稳压电源
当接入电源后在 r1 给开关管 vt1 提供启动电流，使 vt1 开始导通，其集电极电流 ic 在l1中线性增长，在 l2 中感应出使 vt1 基极为正，发射极为负的正反馈电压，使 vt1 很快饱和。
与此同时，感应电压给c1充电，随着c1充电电压的增高， vt1基极电位逐渐变低，致使 vt1退出饱和区， ic 开始减小，在 l2中感应出使vt1基极为负、发射极为正的电压，使 vt1迅速截止，这时二极管vd1导通，高频变压器t初级绕组中的储能释放给负载。在vt1截止时， l2中没有感应电压，直流供电输人电压又经r1给c1反向充电，逐渐提高vt1基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。
这里就像单端反激式开关电源那样，由变压器t的次级绕组向负载输出所需要的电压。自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作从，也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态，具有输人和输出相互隔离的优点。这种电路不仅适用于大功率电源，亦适用于小功率电源。
5开关电源原理图-推挽式开关电源
推挽式开关电源的典型电路如图六所示。它属于双端式变换电路，高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。电路使用两个开关管vt1和vt2 ，两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止，在变压器t次级统组得到方波电压，经整流滤波变为所需要的直流电压。
图6 推挽式开关电源
这种电路的优点是两个开关管容易驱动，主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大，一般在 100-500w范围内。
6开关电源原理图-降压式开关电源
降压式开关电源的典型电路如图七所示。当开关管 vt1 导通时，二极管 vd1 截止，输人的整流电压经 vt1 和 l 向c充电，这一电流使电感l中的储能增加。当开关管 vt1 截止时，电感l感应出左负右正的电压，经负载 rl 和续流二极管 vd1 释放电感l中存储的能量，维持输出直流电压不变。电路输出直流电压的高低由加在 vt1 基极上的脉冲宽度确定。
图7 降压式开关电源
这种电路使用元件少，它同下面介绍的另外两种电路一样，只需要利用电感、电容和二极管即可实现。
7开关电源原理图-升压式开关电源
升压式开关电源的稳压电路如图八所示。当开关管 vt1 导通时，电感l储存能量。当开关管 vt1 截止时，电感l感应出左负右正的电压，该电压叠加在输人电压上，经二极管 vd1 向负载供电，使输出电压大于输人电压，形成升压式开关电源。
图8 升压式开关电源
8开关电源原理图-反转式开关电源
反转式开关电源的典型电路如图九所示。这种电路又称为升降压式开关电源。无论开关管 vt1 之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压，电路均能正常工作。
图9 反转式开关电源
当开关管vt1导通时，电感l储存能量，二极管vd1截止，负载rl靠电容c上次的充电电荷供电。当开关管vt1截止时，电感l中的电流继续流通，并感应出上负下正的电压，经二极管 vd1向负载供电，同时给电容c充电。
开关电源发展方向分析
开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了开关电源的发展前进，每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。
开关电源可分为ac/dc和dc/dc两大类，dc/dc变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但ac/dc的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。
另外，开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、igbt和mosfet、变压器。
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图1 调宽式示意图
对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压 uo 取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。直流平均电压u。可由公式计算，即
uo=um×t1/t
式中 um为矩形脉冲最大电压值;t为矩形脉冲周期;t1为矩形脉冲宽度。从上式可以看出，当 um与t不变时，直流平均电压 uo 将与脉冲宽度t1成正比。这样，只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，就可以达到稳定电压的目的。
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1基本电路
图2 开关电源基本电路框图
交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。
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2开关电源原理图-单端反激式开关电源
单端反激式开关电源的典型电路如图三所示。电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激，是指当开关管 vt1 导通时，高频变压器t初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管 vd1 处于截止状态，在初级绕组中储存能量。
当开关管 vt1 截止时，变压器t初级绕组中存储的能量，通过次级绕组及 vd1 整流和电容c滤波后向负载输出。
图3 单端反激式开关电源
单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路，输出功率为20 - 100w，可以同时输出不同的电压，且有较好的电压调整率。唯一的缺点是输出的纹波电压较大，外特性差，适用于相对固定的负载。
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单端正激式开关电源的典型电路如图四所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似，但工作情形不同。当开关管 vt1 导通时， vd2 也导通，这时电网向负载传送能量，滤波电感l储存能量;当开关管 vt1 截止时，电感l通过续流二极管 vd3 继续向负载释放能量。
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图5 自激式开关稳压电源
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图6 推挽式开关电源
这种电路的优点是两个开关管容易驱动，主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大，一般在 100-500w范围内。
6开关电源原理图-降压式开关电源
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图7 降压式开关电源
这种电路使用元件少，它同下面介绍的另外两种电路一样，只需要利用电感、电容和二极管即可实现。
7开关电源原理图-升压式开关电源
升压式开关电源的稳压电路如图八所示。当开关管 vt1 导通时，电感l储存能量。当开关管 vt1 截止时，电感l感应出左负右正的电压，该电压叠加在输人电压上，经二极管 vd1 向负载供电，使输出电压大于输人电压，形成升压式开关电源。
图8 升压式开关电源
8开关电源原理图-反转式开关电源
反转式开关电源的典型电路如图九所示。这种电路又称为升降压式开关电源。无论开关管 vt1 之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压，电路均能正常工作。
图9 反转式开关电源
当开关管vt1导通时，电感l储存能量，二极管vd1截止，负载rl靠电容c上次的充电电荷供电。当开关管vt1截止时，电感l中的电流继续流通，并感应出上负下正的电压，经二极管 vd1向负载供电，同时给电容c充电。
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