开关电源的工作原理及工作流程.docx
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开关电源的工作原理及工作流程
開關電源的工作原理及工作流程
1．電源的定義
電腦的電源就是將交流電轉換爲PC（個人電腦）電腦工作所需要的直流電的轉換器，就是電氣行業上所說的開關電源（又稱交換式電源）典型的交換式電源供應器應有11個部分組成，分別是：
`
輸入級（Inputstage）:
包含
（1）EMI濾波器和
（2）橋式整流電路；EMI（ElectromagneticInterference）
當市電進入電源後，先經過扼流線圈和電容濾波去除高頻雜波和干擾信號，然後經過整流和濾波得到高壓直流電。
ØEMI濾波器的主要目的是防止連接在同一電力系統的電氣裝置所產生的傳導性電磁雜訊經由電源導線而彼此互相干擾。
Ø橋式整流電路把輸入交流電源轉換為直流電VI。
（橋氏整流器是由4個矽二極體組合而成）
功率因數調整級（PowerFactorCorrection,PFCstage）:
包括（3.）功率因數調整電路，由L1、PFCIC、Q1、D1和C1組成PFCstage，用來調整電源供應器的功率因數，使符合環保標準。
Ø電感（Inductance）L1的典型值約數百μＨ∼數ｍＨ之間，一般採用鐵粉芯（IronPowerCore）材質，
ØQ1電晶體的規格要求為耐電壓600Ｖ耐壓電晶體，耐電流7Ａ以上。
ØPFCIC控制Q1的導通與截止，一般依流過電感的電流波形分為連續式（Continuous）和不連續式（Discontinuous）兩種。
ØD1為功因調整用超快速回復二級體（PFCHyperfastRecoveryDiode），一般規格為耐電壓600Ｖ、耐電流5Ａ以上、反向回復時間（ReverserecoveryTime,trr）為20ns以下，
Ø電容器C1則依其輸出漣波規格大小來決定其值，典型值通常在100μf以上，耐壓在450∼500V之間，一般採用電解電容材質。
（電容器是用來儲存與釋放電能，一般電容器會將電容值直接標示於外殼，若有極性也會標示出來，不然就是用長短腳來表示，較長的接腳代表正端）
功率級（Powerstage）:
包含（4.）功率開關、（5.）脈波寬度調變（PulseWidthModulation,PWM）與驅動電路、（6.）隔離高頻變壓器、（7.）整流二極體及（8.）輸出濾波器；
由PWMIC、Q2、T1、D2、C2組成Powerstage，藉由PWMIC控制Q2電子開關的導通與否，配合次級側的二極體和電容，即可得到ＤＣ電壓的輸出，而變壓器Ｔ1因為有氣隙之故，其初級圈具有隔離、變壓和電感的三重功能，藉由Q2電子開關作用將儲存於在變壓器的能量傳遞給次級側，再藉由電容Ｃ2的充電保持功能來得到直流電壓Vo，此外改變變壓器初、次級的圈數，就可以得到想要的ＤＣ電源。
ØQ2為耐電壓600V的MOSFET（金氧半場效電晶體）
Ø變壓器T1的一般規格為EICore或EECore。
（各種電子裝備常用到變壓器，理由是：
提供各種電壓階層確保系統正常操作;提供系統中以不同電位操作部份得以電氣隔離;對交流電流提供高阻抗，但對直流則提供低的阻抗;在不同的電位下，維持或修飾波形與頻率響應。
）
ØD2為肖特基二級體（SchokkyDiode），作為整流之用，（二極體的功用就是電流只能從單一方向流過）
ØC2是濾波電容，其電容值視輸出漣波要求而定，一般在400μf以上，而耐壓則選擇輸出電壓的1.2∼1.5倍之間，一般採用電解電容材質。
Ø脈波寬度調變（PulseWidthModulation,PWM）與驅動電路用來控制功率開關的導通與否，當功率開關導通時，輸入電壓VI會供應到隔離高頻變壓器的初級繞組上，此時初級繞組上的電流逐漸增加並將能量儲存於其中，同時把能量感應在變壓器的次級繞組上，整流二極體把變壓器次級繞組上的電壓轉變為直流電，經輸出濾波器濾除漣波成分後輸出直流電壓，當功率開關截止時，儲存在隔離高頻變壓器初級繞組上的能量轉移到次級繞組上，持續提供輸出電流。
誤差放大器截取一部分輸出電壓與想得到的電壓做比較，誤差值經光隔離器耦合到PWM控制電路上，藉由改變脈波寬度來控制功率開關的導通時間，以精確得到想要的直流輸出電壓。
回授級（Feedbackstage）:
包含（9.）誤差放大器及（10）光隔離器、（11）保護電路。
由R1、R2、R3、Ph1、D3組成Feedbackstage，R2、R3組成分壓電路擷取一部分輸出電壓，經Ph1光耦合器回授到PWMIC，藉調整PWMIC的輸出脈波寬度以穩定輸出電壓值。
ØR1、R2、R3一般採用1/4W碳膜電阻，
Ø光耦合器Ph1的型號為Infineon的SFH615、SFH617，
ØD3為三端穩壓元件主要產生2.5V的穩定參考電壓，TL431為業界常用的型號。
2.開關電源的工作原理及工作流程
開關電源的工作原理是通過運行高頻開關技術將輸入的較高的交流電壓（AC）轉換爲PC電腦工作所需要的較低的直流電壓（DC）。
工作流程如下：
當市電進入電源後，先經過扼流線圈和電容濾波去除高頻雜波和干擾信號，然後經過整流和濾波得到高壓直流電，接著進入電源的核心部分-開關電路。
開關電路把直流電轉爲高頻脈動直流電，再送高頻開關變壓器降壓，然後濾除高頻交流部分，這樣最後輸出供電腦使用相對純淨的低壓直流電。
因爲開關電路是電源的核心部分，所以電腦電源被稱爲開關電源（SwitchingPowerSupply）。
開關三極管和開關變壓器是開關電源的核心部件，通過自激式或它激式使開關三極管工作在飽和、截止（即開、關）狀態，從而在開關變壓器的副繞組上感應出高頻電壓，再經過整流、濾波和穩壓後輸出各種直流電壓。
所以開關三極管和開關變壓器是ATX電源的核心部件，其質量直接影響電源的好壞和使用壽命，尤其是開關三極管，工作在高反壓狀態下，沒有足夠的保護電路，很容易被擊穿燒毀。
開關三極管應當耐壓程度不小於800V，輸出電流通常不小於5A。
3.穩壓電路和保護電路
穩壓電路通常是從電源輸出端的輸出電壓取樣出部分電壓與標準電壓做比較，比較出的差值經過放大後去驅動開關三極管，調節開關管的所占空比。
從而達到電壓的穩定。
保護電路作用是通過檢測各端輸出電壓或電流的變化，當輸出端發生短路、過壓、過流、過載、欠壓等現象時，保護電路動作，切斷開關管的激勵信號，使開關管停振，輸出電壓和電流爲零，從而起到保護作用。
劣質電源在保護電路上偷工減料，使保護電路形同虛設。
保護電路具體分爲四種：
Ⅰ.過壓保護功能：
當電源輸出電壓超過其最大的限定電壓時，電源會將其輸出自動關閉，以避免損壞負載的電路元件（如電腦系統配置），稱之爲過壓保護。
過壓保護測試是用來驗證電源當出現上述異常狀況以及電源內部回授控制電路或零件損壞時，有可能産生異常之輸出高電壓時，能否正確地反應。
當輸入電網電壓或輸出電壓負載電流變化而電源的調整線路不完善時，電源工作運行配置所需要的電壓是固定的，如果電源沒有過電壓保護線路或過電壓保護線路失效，將會因過電壓造成電腦配件的損壞，即電壓性損壞。
反過來，如果有此過電壓保護線路，當發生以上情況時，電源不再向電腦提供其他信號，也就是不會影響電腦系統任何配置，從而達到保護的功能。
Ⅱ.短路保護功能：
當電源的輸出短路時，則電源應該限制其輸出電流或關閉，以避免電路元件損壞。
短路保護測試是驗證由配線連接錯誤，或使用電源的元件或零元件故障所導致的短路時電源能否正確地反應。
當發生短路時，電路應立即關閉輸出，否則短路所産生的大電流燒毀電腦配置或電源部件。
III.過電流保護功能：
當電源的輸出電流超過額定時，電源應該限制其輸出電流或關閉輸出，以避免負載電流過大而損壞或發生危險，或者電源內部零件損壞或發生危險。
Ⅳ.過功率保護功能：
當電源的輸出功率（單一輸出或多組輸出）超過額定功率時，電源應該限制其輸出功率或關閉其輸出，以避免負載功率過大而損壞或發生危險。
而電源內部零件損壞而造成較大的負載功率時，則電源也應該關閉或限制其輸出，以避免損壞。
過功率保護測試是驗證當上述任何一種狀況發生時，電源能否正確地反應。
方塊圖
線路圖:
原理說明:
1.EMI濾波器
主要利用LF1,CX1,LF2形成π型濾波器,來抑制電源供應器在作切換時造成的雜訊干擾
LF1,CX1,LF2主要為抑制傳導部分,而CY1及CY2則主要是BYPASS雜訊的作用。
2.橋式整流濾波
SwitchingPowerSupply以BridgeRectifier來整流,以得到幾乎近於固定準位的直流電壓,由於電子電路需要一個固定的直流電壓及電流以提供電源及偏壓使電路能夠正常工作,圖中BridgeRectifier需用四個Diode,如下圖中所示,當input為正半週D1&D2ON（D3&D4OFF）,電流由圖示,反之則D3&D4ON（D1&D2ON）。
3.輸入低電壓保護
利用二極體（D3）來作半波整流,並透過電容（C7,C8）濾波得到直流電壓,而高壓直流電壓經過R17,R42,R18,R19的分壓後,得到一個輸入電壓的信號,當輸入電壓過低時來告知IC將系統關閉,而IC內部設定的值為2V,就是說可以藉由調整R17,R42,R18,R19的分壓來控制輸入電壓的保護點。
4.電流回授:
利用R10來使電流轉換為電壓信號,以偵測MOSFET（Q1）導通時的電流大小及比較IC的輸出的結果,也是二次測輸出過載保護,而電壓信號會透過R11及C4形成的低通濾波器,來過濾不必要的高頻雜訊,以免造成IC的誤動作,而得到的信號將送至IC3的PIN5給IC做參考。
5.電壓回授:
除了主線圈及次级線圈之外,我們在同一個變壓器中多繞製了另一組線圈,此線圈我們稱之為輔助線圈,原理是在同一鐵心上所感應到的磁場強度會是相同的,只是圈數比的不同會影響電壓的高低,而我們利用輔助線圈來監控二次測的負載及電壓狀況,而得到的信號將送至IC3的PIN2給IC做參考。
6.輔助電源及輸出過電壓保護:
我們利用輔助線圈所產生的電壓,提供給IC動作所需的電源,此輔助線圈的作用還有另一項功能,就是偵測輸出過電壓的功能,當系統失控導致輸出電壓過高時,同時也會導致輔助線圈的電壓過高,此時透過R57,R58,R59的分壓,當IC3的PIN4偵測到高逾0.85V的電壓後會停止IC的動作,以保護系統,而在系統正常時,該點的分壓必須低於0.85V,以避免IC的保護動作。
7.過溫度保護（OTP）:
利用輔助線圈的電壓透過D16及C23整流濾波出一直流電壓,利用此一直流電壓做分壓,在此利用負溫度係數熱敏電阻的特性,使的R56上的電壓會隨溫度的上升而上升,當電壓到達ZD4加0.7V的電壓時會促使Q2導通,利用輔助電源高逾0.85V的電壓,觸發IC使電源供應中斷保護系統。
8.輸出整流濾波器:
因透過變壓器而感應到二次側的電壓為交流電壓,所以需要利用D8,D9來進行整流,並以C13,C14,L2,C15組成的π形濾波器,來進行濾波!
!
效率測試
輸出負載:
+19V/3.42A輸出瓦特數:
64.98W
輸入電壓
（Vac）
輸入頻率
（Hz）
輸入瓦特數
（W）
輸出瓦特數
（W）
損失瓦特數（W）
效率
（%）
90
47
74
64.4
9.6
87.03
115
60
73.2
64.4
8.8
87.98
230
50
74
64.4
9.6
87.03
265
53
73.3
64.4
8.9
87.86
輸出連波及雜訊測試/輸出最大連波值為190mv
Vin（Vac）
Load（A）
90Vac/60Hz
264Vac/50Hz
0
4.8mVp-p
6.8mVp-p
0.34
5.2mVp-p
8.8mVp-p
0.68
8.0mVp-p
8.4mVp-p
1.02
11.2mVp-p
8.4mVp-p
1.36
19.6mVp-p
9.6mVp-p
1.70
12.8mVp-p
10.0mVp-p
2.04
15.2mVp-p
16.4mVp-p
2.38
17.6mVp-p
13.6mVp-p
2.72
20.4mVp-p
21.6mVp-p
3.06
24.4mVp-p
17.6mVp-p
3.42
29.2mVp-p
18.4mVp-p
輸出最大連波波形
Noiseon+19V;Vin=90Vac
LowFrequency
PARD=29.2mVp-p
Timescale=50mS
Noiseon+19V;Vin=90Vac
HighFrequency
PARD=12.4mVp-p
Timescale=5uS
輸出電壓負載變動率輸出電壓可變動範圍+-5%18.4V~19.6V
Vin（Vac）
Load（A）
90Vac/60Hz
264Vac/50Hz
0
19.13V
19.13V
0.34
19.11V
19.11V
0.68
19.09V
19.08V
1.02
19.06V
19.06V
1.36
19.04V
19.04V
1.70
19.01V
19.02V
2.04
18.99V
18.99V
2.38
18.97V
18.97V
2.72
18.94V
18.95V
3.06
18.92V
18.93V
3.42
18.90V
18.90V
輸出過電壓保護
將R22短路使輸出電壓失控
Vin:
265Vac/50Hz重載
（1）+19V輸出電壓波形
將R22短路使輸出電壓失控
Vin:
265Vac/50Hz輕載
（1）+19V輸出電壓波形
輸出過電流保護
輸入電壓
輸出電流保護點
輸出保護時瓦特數
90Vac
4.42A
83.18W
132Vac
4.46A
83.94W
180Vac
4.45A
83.75W
230Vac
4.52A
85.07W
264Vac
4.40A
82.81W
資料來源:
1.iW2210_v092datasheet
EMI濾波器
EMI（ElectromagneticInterference）
電機、電子、通訊等技術日新月異，其電子產品走向輕、薄、短、小與多功能之趨勢，使得裝配於電子產品內之電子元組件相對地要求整合性高、裝配密度高與裝配成本要低，對於電子工程師來說，將許多電子元組件組合裝配於更小的電路面積而要求更好的功能，且成本更低時，電磁干擾（ElectromagneticInterference）就一直是揮之不去的問題，所謂EMI（ElectromagneticInterference）是指會對直正信號的使用效果造成阻礙之雜音、雜訊，其干擾的通道有由發生源，經空間傳播而干擾者（幅射雜訊）和經由電源線的傳導而干擾者（傳導雜訊）。
以個人電腦的雜訊為例子來說明，電腦內有交換式電源及交換動作的IC等等很多的雜訊發生源，且又分散在整體機器內，另外因為電腦內小接地板很多，無法期待利用接地之雜訊對策的效果顯著，加上所發生的雜訊會有一般兩端子構造的電容器無法濾波的頻率等等。
因此針對電腦的雜訊對策，經常是使用讓設計本身產生較小雜訊的設計及使用EMI濾波器去除雜訊，利用屏蔽罩（shield）消除輻射雜訊。
EMI濾波器通常是指由電感器和電容器所組合而構成的低通濾波器，低通濾波器可以由僅使用電容器及電感器的情形，到使用數個電感器和電容器所組合而成，有各種不同型態的電路元件成品，積層晶片EMI濾波器即是將數個積層晶片電感器與積層晶片電容器，經電路設計及積層晶片元件製程整合為一體，具有單石結構（MonolithicStructure）且小型化（尺寸3.2×1.6mm），適用於表面黏著技術。
積層EMI濾波器為一新興的元件，惟其生產技術高，進入不易，工研院材料所為響應政府產業技術升級政策，提升國內廠商之國際競爭力，將積層晶片電感器與電容器相結合與積極從事EMI濾波器之模擬設計等關鍵技術工作的開發，目前實驗室技術已臻成熟，開發出適合低溫共燒（900℃）的電感材料與電容材料粉體及漿料開發、生胚薄片製作、積層濾波器線路印刷、異質材料積層與共燒等元件製程技術，並開發數組規格的元件。
功率因數（PowerFactorCorrectionPFC）
功率因數的實際意義
功率因數為1有什麼好處？
我們可以從使用者和電力公司兩方面來探討；首先在一個115VAC的電源插孔，一般可供給15A的電流給負載，在這種條件下一個沒有功因校正（PowerfactorCorrection,P.F.C.）電路的電源供應器（一般P.F.=0.6）其有效電流會從15A減至9A而已。
舉例而言，一個電源插孔可同時供給4台具有P.F.C.電路的電腦（280W）使用，但只能給兩部不含P.F.C.電路的電腦使用。
而對於電力公司而言，虛功（ReactivePower,Q）和失真功率（distortionPower,D）是因為諧波電流造成的，多餘的功率損耗將減低電源網路的效率，而且電力公司必須使用較粗的電纜來傳輸電力；此外，諧波電流會造成電力污染，讓電力公司的電力控制較困難。
在歐洲已定出EN60555和國際規範IEC555-2來限制電源設備的諧波電流大小。
根據筆者所知，歐洲對於燈具和大於70-80W的電器設備必須加裝P.F.C.電路才可以輸入，這項規定將在1998年施行，藉時號稱電腦王國的台灣所產製監視器（monitor）、電源供應器（SMPS）...，皆必須有P.F.C.電路才能爭取更大的商機。
功率因數的基本操作原理
一個功率因數矯正器（PowerfactorCorrector）基本上即是一個ACtoDC的轉換器，所以與轉換式電源供應器的架構相同，如圖4是一個基本的功率因數矯正器的方塊圖。
一個標準的轉換式電源供應器利用脈波寬度調變（PulseWidthModulation）來調整輸入功率的大小，以供應適當的負載所需，脈波寬度調變器控制切換開關（通常利用PowerMOSFET來達成）將DC輸入電壓切成一串電壓脈波，隨後利用變壓器和快速二極體將其轉成平滑的DC電壓輸出，這個輸出電壓隨即與一個參考電壓（這個電壓是電源供應器應該輸出的標準電壓值）做比較，所產生的電壓差回授至PWM的控制器，利用這誤差電壓訊號來改變脈波寬度的大小，如果輸出電壓過高，脈波寬度會減小，進而減小電源供應，使得輸出電壓回復至正常輸出值。
一個P.F.C.也是利用這個方法，但是加入一個更先進的元件使得來自AC電源的電流是一個正弦波並且與AC電壓同相位，此時誤差電壓訊號的調變是由整流後的AC電壓和輸出電壓的變化來控制，最後誤差電壓訊號回授至PWM控制器，也就是說當AC電壓較高時P.F.C.電路就從AC電源吸取較多的功率，反之若AC電壓較低則吸引較少的功率，如此可以減少AC電流的諧波產生。
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