【开关电源百科】开关电源工作原理分析 开关电源电路图

什么是开关电源

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

开关电源用途

开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，电子冰箱，液晶显示器，LED灯具，通讯设备，视听产品，安防监控，LED灯袋，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。

开关电源种类

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；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。

（1）DC/DC变换

DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton（通用），二是频率调制方式，ton不变，改变Ts（易产生干扰）。其具体的电路由以下几类：

A、Buck电路——降压斩波器，其输出平均电压U0小于输入电压Ui，极性相同。

B、Boost电路——升压斩波器，其输出平均电压U0大于输入电压Ui，极性相同。

C、Buck-Boost电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。

D、Cuk电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电容传输。

（2）AC/DC变换

AC/DC变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。

AC/DC变换按电路的接线方式可分为，半波电路、全波电路。按电源相数可分为，单相、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。

开关电源的组成

开关电源大致由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成（如图）。

（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）检测电路

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。【详细】

开关电源工作原理

开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压。开关元件以一定的时间间隔重复地接通和断开，在开 关无件接通时输入电源Vi通过开关S和滤波电路向负载RL提供能量，当开关S断开时，电路中的储能装置（L1、C2、二极管D组成的电路）向负载RL释放 在开关接通时所储存的能量，使负载得到连续而稳定的能量。

VO=TON/T*Vi；

VO 为负载两端的电压平均值；TON 为开关每次接通的时间；T 为开关通断的工作周期；

由式可知，改变开关接通时间和工作周期的比例，VO间电压平均值也随之改变，因此，随着负载及输入电源电压的变化自动调整TON和T的比例便使输出电压VO 维持不变。改变接通时间TON和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比，这种方法称为“时间比率控制”（TimeRationControl，缩写为 TRC）。

按TRC控制原理，有三种方式：

（1）脉冲宽度调制（PulseWithModulation，缩写为PWM）：开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。

（2）脉冲频率调制（PulseFrequencyModulation，缩写为PFM）：导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。

（3）混合调制：导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的混合。【详细】

1、选用合适的输入电压范围。以交流输入为例，常用的输入电压规格有110V，220V，所以相应就有了110V、220V交流切换，以及通用输入电压（AC：85V-264V）三种规格。应根据使用地区选定输入电压规格。

2、选择合适的功率。开关电源在工作时会消耗一部分功率，并以热量的形式释放出来。为了使电源的寿命增长，建议选用多30%输出功率额定的机种。

3、考虑负载特性。为了提高系统的可靠性，建议开关电源工作在50%-80%负载为佳，即假设所用功率为20W，应选用输出功率为25W-40W的开关电源。

4、如果负载是马达、灯泡或电容性负载，当开机瞬间时电流较大，应选用合适电源以免过载。如果负载是马达时应考虑停机时电压倒灌。

5、此外尚需考虑电源的工作环境温度，及有无额外的辅助散热设备，在过高a的环温电源需减额输出。需参考环温对输出功率的减额曲线。

6、根据应用所需选择各项功能：

保护功能：过电压保护（OVP）、过温度保护（OTP）、过负载保护（OLP）等。

应用功能：信号功能（供电正常、供电失效）、遥控功能、遥测功能、并联功能等。

特殊功能：功因矫正（PFC）、不断电（UPS）

7、选择所需符合的安规及电磁兼容（EMC）认证。

根据使用情况，定出需要的输出电压、电流；电源的尺寸、安装方式和安装孔位；有几路输出，各路输出是否需要电气隔离；输入电压范围；根据环境温度，决定开关电源的降额程度，电源功率；是否需要认证及安规标准；电源的冷却方式：自然冷却或强制风冷；电磁兼容标准。

8、尽量选用厂家的标准电源，包括标准尺寸和输出电压。这样货期比较快；相反，特殊的尺寸和输出电压，则会延长货期、增加成本。

9、选择品牌。开关电源作为电子设备的心脏，对电子设备的安全可靠运行有着至关重要的作用。所以选择品牌的开关电源也很重要。【详细】

1、使用电源前，先确定输入输出电压规格与所用电源的标称值是否相符。

2、通电之前，检查输入输出的引线是否连接正确，以免损坏用户设备。

3、检查安装是否牢固，安装螺丝与电源板器件有无接触，测量外壳与输入、输出的绝缘电阻，以免触电。

4、为保证使用的安全性和减少干扰，请确保接地端可靠接地。

5、多路输出的电源一般分主、辅输出，主输出特性优于辅输出，一般情况下输出电流大的为主输出。为保证输出负载调整率和输出动态等指标，一般要求每路至少带10%的负载。若用辅路不用主路，主路一定加适当的假负载。具体参见相应型号的规格书。

6、请注意：电源频繁开关将会影响其寿命。工作环境及带载程度也会影响其寿命。【详细】

1、断电情况下，“看、闻、问、量”

看：打开电源的外壳，检查保险丝是否熔断，再观察电源的内部情况，如果发现电源的PCB板上有烧焦处或元件破裂，则应重点检查此处元件及相关电路元件。

闻：闻一下电源内部是否有糊味，检查是否有烧焦的元器件。

问：问一下电源损坏的经过，是否对电源进行违规操作。

量：没通电前，用万用表量一下高压电容两端的电压先。如果是开关电源不起振或开关管开路引起的故障，则大多数情况下，高压滤波电容两端的电压未泄放悼，用万用表测量AC电源线两端的正反向电阻及电容器充电情况，电阻值不应过低，否则电源内部可能存在短路。电容器应能充放电。脱开负载，分别测量各组输出端的对地电阻，正常时，表针应有电容器充放电摆动，最后指示的应为该路的泄放电阻的阻值。

2、加电检测

通电后观察电源是否有烧保险及个别元件冒烟等现象，若有要及时切断供电进行检修。

测量高压滤波电容两端有无300伏输出，若无应重点查整流二极管、滤波电容等。

测量高频变压器次级线圈有无输出，若无应重点查开关管是否损坏，是否起振，保护电路是否动作等，若有则应重点检查各输出侧的整流二极管、滤波电容、三通稳压管等。

如果电源启动一下就停止，则该电源处于保护状态下，可直接测量PWM芯片保护输入脚的电压，如果电压超出规定值，则说明电源处于保护状态下，应重点检查产生保护的原因。

【开关电源常见故障维修→】

1、开关电源是直流电转变为高频脉冲电流，将电能储存到电感、电容元件中，利用电感、电容的特性将电能按预定的要求释放出来来改变输出电压或电流的；线性电源没有高频脉冲和储存元件，它利用元器件线性特性在负载变化时瞬间反馈控制输入达到稳定电压和电流的。

2、开关电源可以降压，也可以升压；线性电源只能降压。

3、开关电源效率高；线性电源效率低。

4、线性电源控制速度快，波纹小；开关电源波纹大。【详细】