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開關(guān)電源工作原理

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開關(guān)電源工作原理

開關(guān)電源工作原理

第1頁:前言:PC電源知多少

個人PC所采用的電源都是基于一種名為“開關(guān)模式”的技術(shù),所以我們經(jīng)常會將個人PC電源稱之為——開關(guān)電源(Switching Mode Power Supplies,簡稱SMPS),它還有一個綽號——DC-DC轉(zhuǎn)化器。本次文章我們將會為您解讀開關(guān)電源的工作模式和原理、開關(guān)電源內(nèi)部的元器件的介紹以及這些元器件的功能。

●線性電源知多少

目前主要包括兩種電源類型:線性電源(linear)和開關(guān)電源(switching)。線性電源的工作原理是首先將127 V或者220 V市電通過變壓器轉(zhuǎn)為低壓電,比如說12V開關(guān)電源,而且經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的低壓依然是AC交流電;然后再通過一系列的二極管進行矯正和整流,并將低壓AC交流電轉(zhuǎn)化為脈動電壓(配圖1和2中的“3”);下一步需要對脈動電壓進行濾波,通過電容完成,然后將經(jīng)過濾波后的低壓交流電轉(zhuǎn)換成DC直流電(配圖1和2中的“4”);此時得到的低壓直流電依然不夠純凈,會有一定的波動(這種電壓波動就是我們常說的紋波),所以還需要穩(wěn)壓二極管或者電壓整流電路進行矯正。后,我們就可以得到純凈的低壓DC直流電輸出了(配圖1和2中的“5”)


配圖1:標準的線性電源設計圖


配圖2:線性電源的波形

盡管說線性電源非常適合為低功耗設備供電,比如說無繩電話、PlayStation/Wii/Xbox等游戲主機等等,但是對于高功耗設備而言,線性電源將會力不從心。

對于線性電源而言,其內(nèi)部電容以及變壓器的大小和AC市電的頻率成反比:也即說如果輸入市電的頻率越低時,線性電源就需要越大的電容和變壓器,反之亦然。由于當前一直采用的是60Hz(有些是50Hz)頻率的AC市電,這是一個相對較低的頻率,所以其變壓器以及電容的個頭往往都相對比較大。此外,AC市電的浪涌越大,線性電源的變壓器的個頭就越大。

由此可見,對于個人PC領(lǐng)域而言,制造一臺線性電源將會是一件瘋狂的舉動,因為它的體積將會非常大、重量也會非常的重。所以說個人PC用戶并不適合用線性電源。

●開關(guān)電源知多少

開關(guān)電源可以通過高頻開關(guān)模式很好的解決這一問題。對于高頻開關(guān)電源而言,AC輸入電壓可以在進入變壓器之前升壓(升壓前一般是50-60 KHz)。隨著輸入電壓的升高,變壓器以及電容等元器件的個頭就不用像線性電源那么的大。這種高頻開關(guān)電源正是我們的個人PC以及像VCR錄像機這樣的設備所需要的。需要說明的是,我們經(jīng)常所說的“開關(guān)電源”其實是“高頻開關(guān)電源”的縮寫形式,和電源本身的關(guān)閉和開啟式?jīng)]有任何關(guān)系的。

事實上,終端用戶的PC的電源采用的是一種更為優(yōu)化的方案:閉回路系統(tǒng)(closed loop system)——負責控制開關(guān)管的電路,從電源的輸出獲得反饋信號,然后根據(jù)PC的功耗來增加或者降低某一周期內(nèi)的電壓的頻率以便能夠適應電源的變壓器(這個方法稱作PWM,Pulse Width Modulation,脈沖寬度調(diào)制)。所以說,開關(guān)電源可以根據(jù)與之相連的耗電設備的功耗的大小來自我調(diào)整,從而可以讓變壓器以及其他的元器件帶走更少量的能量,而且降低發(fā)熱量。

反觀線性電源,它的設計理念就是功率至上,即便負載電路并不需要很大電流。這樣做的后果就是所有元件即便非必要的時候也工作在滿負荷下,結(jié)果產(chǎn)生高很多的熱量。

第2頁:看圖說話:圖解開關(guān)電源

下圖3和4描述的是開關(guān)電源的PWM反饋機制。圖3描述的是沒有PFC(Power Factor Correction,功率因素校正) 電路的廉價電源,圖4描述的是采用主動式PFC設計的中高端電源。


圖3:沒有PFC電路的電源


圖4:有PFC電路的電源

通過圖3和圖4的對比我們可以看出兩者的不同之處:一個具備主動式PFC電路而另一個不具備,前者沒有110/220 V轉(zhuǎn)換器,而且也沒有電壓倍壓電路。下文我們的重點將會是主動式PFC電源的講解。

為了讓讀者能夠更好的理解電源的工作原理,以上我們提供的是非?;镜膱D解,圖中并未包含其他額外的電路,比如說短路保護、待機電路以及PG信號發(fā)生器等等。當然了,如果您還想了解一下更加詳盡的圖解,請看圖5。如果看不懂也沒關(guān)系,因為這張圖本來就是為那些專業(yè)電源設計人員看的。


圖5:典型的低端ATX電源設計圖

你可能會問,圖5設計圖中為什么沒有電壓整流電路?事實上,PWM電路已經(jīng)肩負起了電壓整流的工作。輸入電壓在經(jīng)過開關(guān)管之前將會再次校正,而且進入變壓器的電壓已經(jīng)成為方形波。所以,變壓器輸出的波形也是方形波,而不是正弦波。由于此時波形已經(jīng)是方形波,所以電壓可以輕而易舉的被變壓器轉(zhuǎn)換為DC直流電壓。也就是說,當電壓被變壓器重新校正之后,輸出電壓已經(jīng)變成了DC直流電壓。這就是為什么很多時候開關(guān)電源經(jīng)常會被稱之為DC-DC轉(zhuǎn)換器。

饋送PWM控制電路的回路負責所有需要的調(diào)節(jié)功能。如果輸出電壓錯誤時,PWM控制電路就會改變工作周期的控制信號以適應變壓器,終將輸出電壓校正過來。這種情況經(jīng)常會發(fā)生在PC功耗升高的時,此時輸出電壓趨于下降,或者PC功耗下降的時,此時輸出電壓趨于上升。

在看下一頁是,我們有必要了解一下以下信息:

★在變壓器之前的所有電路及模塊稱為“primary”(一次側(cè)),在變壓器之后的所有電路及模塊稱為“secondary”(二次側(cè));

★采用主動式PFC設計的電源不具備110 V/ 220 V轉(zhuǎn)換器,同時也沒有電壓倍壓器;

★對于沒有PFC電路的電源而言,如果110 V / 220 V被設定為110 V時,電流在進入整流橋之前,電源本身將會利用電壓倍壓器將110 V提升至220 V左右;

★PC電源上的開關(guān)管由一對功率MOSFET管構(gòu)成,當然也有其他的組合方式,之后我們將會詳解;

★變壓器所需波形為方形波,所以通過變壓器后的電壓波形都是方形波,而非正弦波;

★PWM控制電流往往都是集成電路,通常是通過一個小的變壓器與一次側(cè)隔離,而有時候也可能是通過耦合芯片(一種很小的帶有LED和光電晶體管的IC芯片)和一次側(cè)隔離;

★PWM控制電路是根據(jù)電源的輸出負載情況來控制電源的開關(guān)管的閉合的。如果輸出電壓過高或者過低時,PWM控制電路將會改變電壓的波形以適應開關(guān)管,從而達到?!镎敵鲭妷旱哪康?;

下一頁我們將通過圖片來研究電源的每一個模塊和電路,通過實物圖形象的告訴你在電源中何處能找到它們。

第3頁:看圖說話:電源內(nèi)部揭秘

當你次打開一臺電源后(確保電源線沒有和市電連接,否則會被電到),你可能會被里面那些奇奇怪怪的元器件搞得暈頭轉(zhuǎn)向,但是有兩樣東西你肯定認識:電源風扇和散熱片。


開關(guān)電源內(nèi)部

但是您應該很容易就能分辨出電源內(nèi)部哪些元器件屬于一次側(cè),哪些屬于二次側(cè)。一般來講,如果你看到一個(采用主動式PFC電路的電源)或者兩個(無PFC電路的電源)很大的濾波電容的話,那一側(cè)就是一次側(cè)。

一般情況下,再電源的兩個散熱片之間都會安排3個變壓器,比如說圖7所示,主變壓器是大個的那顆;中等“體型”的那顆往往負責+5VSB輸出,而小的那顆一般用于PWM控制電路,主要用于隔離一次側(cè)和二次側(cè)部分(這也是為什么在上文圖3和圖4中的變壓器上貼著“隔離器”的標簽)。有些電源并不把變壓器當“隔離器”來用,而是采用一顆或者多顆光耦(看起來像是IC整合芯片),也即說采用這種設計方案的電源只有兩個變壓器——主變壓器和輔變壓器。

電源內(nèi)部一般都有兩個散熱片,一個屬于一次側(cè),另一個屬于二次側(cè)。如果是一臺主動式PFC電源,那么它的在一次側(cè)的散熱片上,你可以看到開關(guān)管、PFC晶體管以及二極管。這也不是的,因為也有些廠商可能會選擇將主動式PFC組件安裝到獨立的散熱片上,此時在一次側(cè)會有兩個散熱片。

在二次側(cè)的散熱片上,你會發(fā)現(xiàn)有一些整流器,它們看起來和三極管有點像,但事實上,它們都是有兩顆功率二極管組合而成的。

在二次側(cè)的散熱片旁邊,你還會看到很多電容和電感線圈,共同共同組成了低壓濾波模塊——找到它們也就找到了二次側(cè)。

區(qū)分一次側(cè)和二次側(cè)更簡單的方法就是跟著電源的線走。一般來講,與輸出線相連的往往是二次側(cè),而與輸入線相連的是一次側(cè)(從市電接入的輸入線)。如圖7所示。


區(qū)分一次側(cè)和二次側(cè)

以上我們從宏觀的角度大致介紹了一下一臺電源內(nèi)部的各個模塊。下面我們細化一下,將話題轉(zhuǎn)移到電源各個模塊的元器件上來……

第4頁:瞬變?yōu)V波電路解析

市電接入PC開關(guān)電源之后,首入瞬變?yōu)V波電路(Transient Filtering),也就是我們常說的EMI電路。下圖8描述的是一臺PC電源的“推薦的”的瞬變?yōu)V波電路的電路圖。


瞬變?yōu)V波電路的電路圖

為什么要強調(diào)是“推薦的”的呢?因為市面上很多電源,尤其是低端電源,往往會省去圖8中的一些元器件。所以說通過檢查EMI電路是否有縮水就可以來判斷你的電源品質(zhì)的優(yōu)劣。

EMI電路電路的主要部件是MOV (l Oxide Varistor,金屬氧化物壓敏電阻),或者壓敏電阻(圖8中RV1所示),負責抑制市電瞬變中的尖峰。MOV元件同樣被用在浪涌抑制器上(surge suppressors)。盡管如此,許多低端電源為了節(jié)省成本往往會砍掉重要的MOV元件。對于配備MOV元件電源而言,有無浪涌抑制器已經(jīng)不重要了,因為電源已經(jīng)有了抑制浪涌的功能。

圖8中的L1 and L2是鐵素體線圈;C1 and C2為圓盤電容,通常是藍色的,這些電容通常也叫“Y”電容;C3是金屬化聚酯電容,通常容量為100nF、470nF或680nF,也叫“X”電容;有些電源配備了兩顆X電容,和市電并聯(lián)相接,如圖8 RV1所示。

X電容可以任何一種和市電并聯(lián)的電容;Y電容一般都是兩兩配對,需要串聯(lián)連接到火、零之間并將兩個電容的中點通過機箱接地。也就是說,它們是和市電并聯(lián)的。

瞬變?yōu)V波電路不僅可以起到給市電濾波的作用,而且可以阻止開關(guān)管產(chǎn)生的噪聲干擾到同在一根市電上的其他電子設備。

一起來看幾個實際的例子。如圖9所示,你能看到一些奇怪之處嗎?這個電源居然沒有瞬變?yōu)V波電路!這是一款低廉的“山寨”電源。請注意,看看電路板上的標記,瞬變?yōu)V波電路本來應該有才對,但是卻被喪失良知的黑心JS們帶到了市場里。


這款低廉的“山寨”電源沒有瞬變?yōu)V波電路

再看圖10實物所示,這是一款具備瞬變?yōu)V波電路的低端電源,但是正如我們看到的那樣,這款電源的瞬變?yōu)V波電路省去了重要的MOV壓敏電阻,而且只有一個鐵素體線圈;不過這款電源配備了一個額外的X電容。


低端電源的EMI電路

瞬變?yōu)V波電路分為一級EMI和二級EMI,很多電源的一級EMI往往會被安置在一個獨立的PCB板上,靠近市電接口部分,二級EMI則被安置在電源的主PCB板上,如下圖11和12所示。


一級EMI配備了一個X電容和一個鐵素體電感

再看這款電源的二級EMI。在這里我們能看到MOV壓敏電阻,盡管它的安置位置有點奇怪,位于第二個鐵素體的后面。總體而言,應該說這款電源的EMI電路是非常完整的。


完整的二級EMI

值得一提的是,以上這款電源的MOV壓敏電阻是黃色的,但是事實上大部分MOV都是深藍色的。

此外,這款電源的瞬變?yōu)V波電路還配備了保險管(圖8中F1所示)。需要注意了,如果你發(fā)現(xiàn)保險管內(nèi)的保險絲已經(jīng)燒斷了,那么可以肯定的是,電源內(nèi)部的某個或者某些元器件是存在缺陷的。如果此時更換保險管的話是沒有用的,當你開機之后很可能再次被燒斷。

第5頁:倍壓器和一次側(cè)整流電路

●倍壓器和一次側(cè)整流電路

上文已經(jīng)說過,開關(guān)電源主要包括主動式PFC電源和被動式PFC電源,后者沒有PFC電路,但是配備了倍壓器(voltage doubler)。倍壓器采用兩顆巨大的電解電容,也就是說,如果你在電源內(nèi)部看到兩顆大號電容的話,那基本可以判斷出這就是電源的倍壓器。前面我們已經(jīng)提到,倍壓器只適合于127V電壓的地區(qū)。


充電器廠家


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| 發(fā)布時間:2015.08.06    來源:
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