开关电源的工作原理及工作流程.docx

1、开关电源的工作原理及工作流程开关电源 的工作原理及工作流程1电源的定义电脑的电源就是将交流电转换为PC(个人电脑)电脑工作所需要的直流电的转换器，就是电气行业 上所说的开关电源(又稱交换式电源)典型的交 换式电源供应器应有 11个部分组成，分別是：、输入级(Input stage):包含(1) EMI 滤波器和 (2)桥式整流电路 ；EMI (Electromagnetic Interference) 当市电进入电源后，先经过扼流线圈和电容滤波去除高 频杂波和干扰信号，然后经过整流和滤波 得到 高压直流电 。EMI 滤波器的主要目的是 防止连接在同一电力系统的电气装置所产生的传导性电磁杂讯经

2、由电源导线而彼此 互相干扰。桥式整流电路把输入交流电源转换为直流电VI。(桥氏整流器是由4个矽二级体组合而成)功率因数调整级( Powe r Factor Correction, PFC stage) :包括(3.)功率因数调整电路，由Li、PFCIC、Qi、Di和Ci组成PFC stage用来调整电源供应器 的 功率因 数，使符合环保标准。电感(Inductance)Li的典型值约数百嗷mH之间，一般採用鐵粉芯(Iron Power Core)材 质，Qi电晶体的規格要求为耐电压600V耐压电晶体，耐电流7 A以上。PFC IC控制Qi的导通与截止，一般依流过电感的电流波形分为连续式(Con

3、tinuous)和不 连续式(Discontinuous)两种。Di为功因调整用超快速回复二级体(PFC Hyper fast Recovery Diode)，一般規格为耐电压 600V、耐电流5A以上、反向回复时间(Reverse recovery Time, t)为20ns以下，电容器Ci則依其输出漣波規格大小 来決定其值，典型值通常在100卩f以上，耐压在450 500V 之间，一般採用 电解电容材质。 (电容器是用来储存与释放电能，一般电容器会将电容 值直接标示于外壳，若有级性也会标示出来，不然就是用 长短脚来表示， 较长的接脚代表正功率 级( Power stage):包含(4.)功

4、率开关、(5.)脈波寬度调变(Pulse Width Modulation, PWM )与驱动电路、(6.)隔离高频 变压器、 (7.)整流二级体及(8.)输出滤波器；由PWM IC、Q2、D2、C2组成Power stage藉由PWM IC 控制Q2电子开关的导通与否， 配合次级側的二级体和电容，即可得到DC电压的输出，而变压器Ti因为有气隙之故，其初级 圈具有隔离、变压和电感的三重功能，藉由 Q2 电子开关作用将储存于在变压器的能量传遞给次 级側，再藉由电容C 2的充电保持功能来得到直流电压Vo，此外改变变压器初、次级的圈数，就 可以得到想要的DC电源。Q2 为耐电压 600V 的 MOS

5、FET (金氧半場效 电晶体)变压器Ti的一般規格为EI Core或EE Core。(各种电子装備常用到变压器，理由是：提供 各种电压階层确保系统正常操作 ;提供系统中以不同电位操作部份得以 电气隔离;对交流电流 提供高阻抗，但 对直流則提供 低的阻抗;在不同的 电位下，維持或修飾波形 与频率响应。 ) D2为肖特基二级体(Schokky Diode)，作为整流之用，(二级体的功用就是电流只能从单一方向流过）C2是滤波电容，其电容值視输出漣波要求而定，一般在400卩f以上，而耐压則選擇输出电 压的1.27.5倍之间，一般採用电解电容材质。脈波寬度调变（Pulse Width Modulatio

6、n, PWM ）与驱动电路用来控制功率开关的导通与否， 当功率开关导通时，输入电压 VI 会供应到隔离高频变压器的初级繞组上，此时初级繞组上 的电流逐漸增加并将能量储存于其中，同时把能量感应在变压器的次级繞组上， 整流二级体 把变压器次级繞组上的电压轉变为直流电，经输出滤波器滤除漣波成分后输出直流电压，当 功率开关截止时，储存在隔离高频变压器初级繞组上的能量轉移到 次级繞组上，持续提供输 出电流。误差放大器截取一部分 输出电压与想得到的 电压做比较，误差值经光隔离器耦合到 PWM 控制 电路上，藉由改变脈波寬度 来控制功率 开关的导通时间，以精确得到想要的直流 输出 电压。回授级（Feedba

7、ck stage :包含（9.）误差放大器及（10）光隔离器、（11）保护电路。由Ri、R2、R3、Phi、D3组成Feedback stage R2 R3组成分压电路擷取一部分输出电压，经Ph1光耦合器回授到PWM IC，藉调整PWM IC 的 输出脈波寬度以 稳定输出电压值。R1、 R2、 R3 一般採用 1/4W 碳膜电阻，光耦合器 Ph1 的型号为 Infineon 的 SFH615、 SFH617，D3 为三端稳压元件主要产生 2.5V 的稳定參考电压， TL431 为业界常用的型 号。2.开关电源的工作原理及工作流程开关电源的工作原理是通 过运行高频开关技术将输入的较高的交流电压(

8、AC)转换为PC电脑工作 所需要的较低的直流电压(DC)。工作流程如下：当市电进入电源后，先经过扼流线圈和电容滤波去除高频杂波和干扰信号，然后经过整流和滤波开关三级管和开关变压器是开关电源的核心部件，通 过自激式或它激式使开关三级管工作在飽 和、截止(即開、关)状態，从而在开关变压器的副繞组上感应出高频电压，再经过整流、滤波 和稳压后输出各种直流电压。所以开关三级管和开关变压器是ATX电源的核心部件，其质量直 接影响电源的好坏和使用壽命，尤其是开关三级管，工作在高反压状態下，沒有足夠的保护电路， 很容易被擊穿燒毀。开关三级管应当耐压程度不小于800V，输出电流通常不小于5A。3.稳压电路和保护

9、电路稳压电路通常是从电源输出端的输出电压取樣出部分电压与标准电压 做比较，比较出的差值经过 放大后去驱动开关三级管，调节开关管的所占空比。从而达到电压的稳定。保护电路作用是通过檢测各端输出电压或电流的变化，当输出端发生短路、过压、过流、过载、 欠压等現象时，保护电路动作，切断开关管的激励信号，使开关管停振，输出电压和电流为零， 从而起到保护作用。劣质电源在保护电路上偷工减料，使保护电路形同虛設。保护电路具体分为四种：I .过压保护功能：当电源输出电压超过其最大的限定电压时，电源会将其输出自动关闭，以避免 损坏负载 的电路元件（如电脑系统配置），稱之为过压保护。过压保护测试是用来验证电 源当出

10、現上述异常状況以及电源內部回授控制 电路或零件损坏时，有可能 产生异常之输出高电压时，能 否正确地反应。当输入电网电压 或输出电压负载电 流变化而电源的调整线路不完善 时，电源工作 运行配置所需要的电压是固定的，如果 电源沒有过电压保护线路或过电压保护线路失效， 将会因 过电压造成电脑配件的 损坏，即电压性损坏。反过来，如果有此 过电压保护线路， 当发生以上情 況时，电源不再向 电脑提供其他信 号，也就是不 会影响电脑系统 任何配置，从而达到保护的功能。n 短路保护功能：当电源的输出短路时，則电源应该限制其输出电流或关闭，以避免 电路元件损坏。短路保 护测试 是验证由配线连接錯误，或使用电源的

11、元件或零元件故障所 导致的短路时电源能否正确地反应。 当发生短路时，电路应立即关闭输出，否則短路所 产生的大电流燒毀电脑配置或电源部件。III. 过电流保护功能：当电源的输出电流超过额定时，电源应该限制其输出电流或关闭输出，以避 免负载电流过大而损坏或发生危险，或者电源內部零件 损坏或发生危险 。IV .过功率保护功能：当电源的输出功率（单一输出或多组输出）超过额定功率时，电源应该限制 其输出功率或 关闭其输出，以避免 负载功率过大而损坏或发生危险。而电源內部零件 损坏而造成 较大的负载功率时，則电源也应该关闭 或限制其 输出，以避免 损坏。过功率保护测试是验证当 上 述任何一种状況发生时，电

12、源能否正确地反应。方塊图FGEFrmiHm , C?M厨稠曾11嗚Qltuir l:划魄波拌輪尚弗流涎波3：匸笊前 电【TTTViljnU?k 口 -Ml：omz3输出常说谑波器LlJUiF .-WI2M (DiiT XfV “、卫崗Krt岂噸、P剛電呼工直W期aMifi迟v忙II、：匸 r ：CM UUlu卜、毀-：I-VlWteip r：ii “ 艸igjOS- tUS M 口 IN-ib?Taf-；u aruLil与F LIL* IJOi线路图:或DKAHISffMsWIl ”Vin ? UdpiinwllRlQ1 2.! VJKWAUSK2J3? IELiKMjyjWi8 2Fll阳逍

13、桂I ILK. IXIr t D1 rLUI41i:4tCSiS伉治=LL*lk - Rrrri unui *RH 3LWJC? ! | 回(WBP5沁g EwJ0L22KJE“畫nc i 厂STMioiEitnrr*:cX|JTl V.-4TpeiAHC:I EC?R IEiISUa :IH亡MIK.VI12UOiti： 対十Ml +- +CJA5 OliPSfWliMS；c M5&T如 I：FJ!- =t4閃lgrSufk原理说明:1.EMI 滤 波器主要利用LF1,CX1,LF2形成n型滤波器来抑制电源供应器在作切换时造成的杂讯干扰 LF1,CX1,LF2主要为抑制传导部分，而CY1及C

14、Y2則主要是BY PASS杂讯的作用。2.桥式整流滤波Switching Power Supply 以 Bridge Rectifier 来整流,以得到幾乎近 于固定准位的直流 电压,由于电 子电路需要一个固定的直流 电压及电流以提供 电源及偏压使电路能夠正常工作 ,图中 Bridge Rectifier需用四个Diode,如下图中所示，当in put为正半週D1&D2 ON(D3&D4 OFF),电流由图示, 反之則 D3&D4 ON(D1&D2 ON) 。3.输入低电压保护利用二级体(D3)来作半波整流，并透过电容(C7,C8)滤波得到直流电压，而高压直流电压经过 R17,R42,R18,

15、R19的分压后得到一个输入电压的信号,当输入电压过低时来告知IC将系统关闭，而 IC內部設定的值 为2V,就是说可以藉由调整R17,R42,R18,R19的分压来控制输入电压的保护点。4.电流回授 :利用R10来使电流转换为电压信号,以侦测MOSFET(Q1)导通时的电流大小及比较IC的输出的結 果,也是二次测输出过载保护,而电压信号会透过 R11 及 C4 形成的低通滤波器,来过滤不必要的高 频杂讯,以免造成 IC 的误动作,而得到的信 号将送至 IC3 的 PIN5 给 IC 做參考。5.电压回授:除了主线圈及次级线圈之外,我們在同一 个变压器中多繞制了另一组线圈,此线圈我們稱之为辅助 线圈,原理是在同一鐵心上所 感应到的磁場強度 会是相同的 ,只是圈数比的不同 会影响电压的高低, 而我們利用辅助线圈来監控二次测的负载及电压状況，而得到的信号将送至IC3的PIN2给IC做參 考。6.辅助电源及输出过电压 保护:我們利用 辅助线圈所产生的电压,提供给