快速了解开关电源

1、老外看评测必读老外看评测必读 开关电源工作原理解 析 开关电源工作原理解 析 http:/ 2010 年 06 月 08 日 06:01 中关村在线 硬件频道 选购指导 评测试用行情快报新闻新品知识技巧攒机推荐 论坛 作者：刘亮 第 1 页：前言：PC 电源知多少 个人 PC 所采用的电源都是基于一种名为“开关模式”的技术，所以我们经常会将个人 PC 电源称之为开关电源（Switching Mode Power Supplies，简称 SMPS），它还有一个 绰号DC-DC 转化器。本次文章我们将会为您解读开关电源的工作模式和原理、开关电源 内部的元器件的介绍以及这些元器件的功能。 线性电源知多少 目前主要包括两种电源类型：线性电源（linear）和开关电源（switching）。线性电 源的工作原理是首先将 127 V 或者 220 V 市电通过变压器转为低压电，比如说 12V，而且经 过转换后的低压依然是 AC 交流电；然后再通过一系列的二极管进行矫正和整流，并将低压 AC 交流电转化为脉动电压（配图 1 和 2 中的“3”）；下一步需要对脉动电压进行滤波，通 过电容完成，然后将经

2、过滤波后的低压交流电转换成 DC 直流电（配图 1 和 2 中的“4”）； 此时得到的低压直流电依然不够纯净，会有一定的波动（这种电压波动就是我们常说的纹 波），所以还需要稳压二极管或者电压整流电路进行矫正。最后，我们就可以得到纯净的低 压 DC 直流电输出了（配图 1 和 2 中的“5”） 配图 1：标准的线性电源设计图 配图 2：线性电源的波形 尽管说线性电源非常适合为低功耗设备供电， 比如说无绳电话、 PlayStation/Wii/Xbox 等游戏主机等等，但是对于高功耗设备而言，线性电源将会力不从心。 对于线性电源而言，其内部电容以及变压器的大小和 AC 市电的频率成反比：也即说如 果输入市电的频率越低时，线性电源就需要越大的电容和变压器，反之亦然。由于当前一直 采用的是 60Hz（有些国家是 50Hz）频率的 AC 市电，这是一个相对较低的频率，所以其变压 器以及电容的个头往往都相对比较大。此外，AC 市电的浪涌越大，线性电源的变压器的个 头就越大。 由此可见，对于个人 PC 领域而言，制造一台线性电源将会是一件疯狂的举动，因为它 的体积将会非常大、重量也会非常的重。所以说

3、个人 PC 用户并不适合用线性电源。 开关电源知多少 开关电源可以通过高频开关模式很好的解决这一问题。对于高频开关电源而言，AC 输 入电压可以在进入变压器之前升压（升压前一般是 50-60 KHz）。随着输入电源的升高，变 压器以及电容等元器件的个头就不用像线性电源那么的大。 这种高频开关电源正是我们的个 人 PC 以及像 VCR 录像机这样的设备所需要的。 需要说明的是， 我们经常所说的“开关电源” 其实是“高频开关电源”的缩写形式，和电源本身的关闭和开启式没有任何关系的。 事实上， 终端用户的 PC 的电源采用的是一种更为优化的方案： 闭回路系统 （closed loop system）负责控制开关管的电路从电源的输出获得反馈信号，然后更加 PC 的功耗来增 加或者降低某一周期内的电压的频率以便能够适应电源的变压器 （这个方法称作 PWM， Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）。所以说，开关电源可以根据与之相连的耗电设备的功 耗的大小来自我调整， 从而可以让变压器以及其他的元器件带走更少量的能量， 而且降低发 热量。 反观线性电源，它的设计理念就是功率之上

4、，即便负载电路并不需要很大电流。这样做 的后果就是所有元件即便非必要的时候也工作在满负荷下，结果产生高很多的热量。 第 2 页：倍压器和一次侧整流电路 倍压器和一次侧整流电路 上文已经说过，开关电源主要包括主动式 PFC 电源和被动式 PFC 电源，后者没有 PFC 电路，但是配备了倍压器（voltage doubler）。倍压器采用两颗巨大的电解电容，也就是 说，如果你在电源内部看到两颗大号电容的话，那基本可以判断出这就是电源的倍压器。前 面我们已经提到，倍压器只适合于 127V 电压的地区。 两颗巨大的电解电容组成的倍压器 拆下来看看 在倍压器的一侧可以看到整流桥。 整流桥可以是由 4 颗二极管组成， 也可以是有单个元 器件组成，如图 15 所示。高端电源的整流桥一般都会安置在专门的散热片上。 整流桥 在一次侧部分通常还会配备一个 NTC 热敏电阻一种可以根据温度的变化改变电阻 值的电阻器。NTC 热敏电阻是 Negative Temperature Coefficient 的缩写形式。它的作用 主要是用来当温度很低或者很高时重新匹配供电， 和陶瓷圆盘电容比较相似， 通常是橄榄色。

5、 第 3 页：主动式 PFC 电路 主动式 PFC 电路 毫无疑问，这种电路仅可以在配有主动 PFC 电路的电源中才能看到。图 16 描述的正是 典型的 PFC 电路： 主动式 PFC 电路图 主动式 PFC 电路通常使用两个功率 MOSFET 开光管。这些开光管一般都会安置在一次侧 的散热片上。为了易于理解，我们用在字母标记了每一颗 MOSFET 开光管：S 表示源极 （Source）、D 表示漏极（Drain）、G 表示栅极（Gate）。 PFC 二极管是一颗功率二极管，通常采用的是和功率晶体管类似的封装技术，两者长的 很像，同样被安置在一次侧的散热片上，不过 PFC 二极管只有两根针脚。 PFC 电路中的电感是电源中最大的电感； 一次侧的滤波电容是主动式 PFC 电源一次侧部 分最大的电解电容。图 16 中的电阻器是一颗 NTC 热敏电阻，可以更加温度的变化而改变电 阻值，和二级 EMI 的 NTC 热敏电阻起相同的作用。 主动式 PFC 控制电路通常基于一颗 IC 整合电路，有时候这种整合电路同时会负责控制 PWM 电路（用于控制开光管的闭合）。这种整合电路通常被称为 “PFC

6、/PWM combo”. 照旧，先看一些实例。在图 17 中，我们将一次侧的散热片去除之后可以更好的看到元 器件。左侧是瞬变滤波电路的二级 EMI 电路，上文已经详细介绍过；再看左侧，全部都是主 动式 PFC 电路的组件。 由于我们已经将散热片去除， 所以在图片上已经看不到 PFC 晶体管以 及 PFC 二极管了。此外，稍加留意的话可以看到，在整流桥和主动式 PFC 电路之间有一个 X 电容（整流桥散热片底部的棕色元件）。通常情况下，外形酷似陶制圆盘电容的橄榄色热敏 电阻都会有橡胶皮包裹。 主动式 PFC 元器件 图 18 是一次侧散热片上的元件。 这款电源配备了两个 MOSFET 开光管和主动式 PFC 电路 的功率二极管： 开光管、功率二极管 下面我们将重点介绍开光管 第 4 页：开光管 开光管 开关电源的开关逆变级可以有多种模式，我们总结了一下几种情况： 模式 开光管数量 二极管数量 电容数量 变压器针脚 单端正激 1 1 1 4 双管正激 2 2 0 2 半桥 2 0 2 2 全桥 4 0 0 2 推挽 2 0 0 3 当然了， 我们只是分析某种模式下到底需要多少元器件， 事实

7、上当工程师们在考虑采用 哪种模式时还会收到很多因素制约。 目前最流行的两种模式时双管正激（two-transistor forward）和全桥式（push-pull） 设计， 两者均使用了两颗开光管。 这些被安置在一次侧散热片上的开光管我们已经在上一页 有所介绍，这里就不做过多赘述。 以下是这五种模式的设计图： 单端正激（Single-transistor forward configuration） 双管正激（Two-transistor forward configuration） 半桥（Half bridge configuration） 全桥（Full bridge configuration） 推挽（Push-pull configuration） 第 5 页：变压器和 PWM 控制电路 变压器和 PWM 控制电路 先前我们已经提到，一太 PC 电源一般都会配备 3 个变压器：个头最大的那颗是之前图 3、4 和图 19-23 上标示出来的主变压器，它的一次侧与开关管相连，二次侧与整流电路与 滤波电路相连，可以提供电源的低压直流输出（+12V，+5V，+3.3V，-12V，-5

8、V）。 最小的那颗变压器负载+5VSB 输出，通常也成为待机变压器，随时处于“待命状态”， 因为这部分输出始终是开启的，即便是 PC 电源处于关闭状态也是如此。 第三个变压器室隔离器， 将 PWM 控制电路和开光管相连。 并不是所有的电源都会装备这 个变压器，因为有些电源往往会配备具备相同功能的光耦整合电路。 变压器 这台电源采用的是光耦整合电路，而不是变压器 PWM 控制电路基于一块整合电路。一般情况下，没有装备主动式 PFC 的电源都会采用 TL494 整合电路（下图 26 中采用的是可兼容的 DBL494 整合芯片）。具备主动式 PFC 电路的 电源里，有时候也会采用一种用来取代 PWM 芯片和 PFC 控制电路的芯片。CM6800 芯片就是 一个很好的例子，它可以很好的集成 PWM 芯片和 PFC 控制电路的所有功能。 PWM 控制电路 第 6 页：二次侧（一） 二次侧 最后要介绍的是二次侧。在二次侧部分，主变压器的输出将会被整流和过滤，然后输出 PC 所需要的电压。-5 V 和12 V 的整流是只需要有普通的二极管就能完成，因为他们不需 要高功率和大电流。不过+3.3 V,

9、+5 V 以及+12 V 等正压的整流任务需要由大功率肖特基整 流桥才行。这种肖特基有三个针脚，外形和功率二极管比较相似，但是它们的内部集成了两 个大功率二极管。 二次侧整流工作能否完成是由电源电路结构决定， 一般有可能会有两种整 流电路结构，如图 27 所示： 整流模式 模式 A 更多的会被用于低端入门级电源中， 这种模式需要从变压器引出三个针脚。 模式 B 则多用于高端电源中，这种模式一般只需要配备两个变压器，但是铁素体电感必须够大才 行，所以这种模式成本较高，这也是为什么低端电源不采用这种模式的主要原因。 此外，对于高端电源而言，为了提升最大电流输出能力，这些电源往往会采用两颗二极 管串联的方式将整流电路的最大电流输出提升一倍。 无论是高端还是低端电源， 其+12 V 和+5 V 的输出都配备了完整的整流电路和滤波电路， 所以所有的电源至少都需要 2 组图 27 所示的整流电路。 对于 3.3V 输出而言，有三种选项可供选择： 在+5 V 输出部分增加一个 3.3V 的电压稳压器，很多低端电源都是采用的这种设计方 案； 为 3.3 V 输出增加一个像图 27 所示的完整的整流电路和滤波电路，但是需要和 5 V 整流电路共享一个变压器。这是高端电源比较普通的一种设计方案。 采用一个完整的独立的 3.3V 整流电路和滤波电路。这种方案非常罕见，仅在少数发 烧级顶级电源中才可能出现，比如说安耐美的银河 1000W。 由于 3.3V 输出通常是完全公用 5V 整流电路（常见于低端电源）或者部分共用（常见于 高端电源中），所以说 3.3V 输出往往会受到 5V 输出的限制。这就是为什么很多电源要在铭 牌中著名“3.3V 和 5V 联合输出”。 下图 28 是一台低端电源的二次侧。 这里我们可以看到负责产生 PG 信号的整合电路。 通 常情况下，低端电源都会采用 LM339 整合电路。 二次侧 此外， 我们还可以看到一些电解电容 （这些电容的个头和倍压器或者主动式 PFC 电路的 电容相比要小的多）和电感，这些元件主要是负责滤波功能。 为了更清晰的观察这款电源，我们将电源上的飞线以及滤波线圈全部移除，如图 29 所 示。在这里我们能看到一些小的二极管，主要用于-12 V

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