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开关电源工作原理

发布时间:1970-01-01

开关电源工作原理

通过高频开关技术将输入的较高的交流电压(AC)转换为PC电脑工作所需要的较低的直流电压(DC) 开关电源的中心思想:用提高工作频率等手段来提高电源的功率密度,进而达到减少变压器的体积和重量的目的。采用开关变换的显著优点是大大提高了电能的转换效率,典型的PC电源效率为70%-75%,而相应的线性稳压电源的效率仅有50%左右。输出电压的稳定则是依赖对脉冲宽度的改变来实现,这就叫做脉宽调制PWM。

开关电源工作流程

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。接着通过开关电路把直流电转为高频脉动直流电,再送高频开关变压器降压。然后滤除高频交流部分,这样最后输出供电脑使用相对纯净的低压直流电。

抗干扰电路(EMI)

由一个线圈和两个电容组成,通常有两级EMI。功能:滤除由电网进来的各种干扰信号,防止电源开关电路形成的高频扰窜电网。

PFC电路

PFC(Power Factor Correction)即“功率因数校正”,主要用来表征电子产品对电能的利用效率。功率因数越高,说明电能的利用效率越高。通过CCC认证的电脑电源,都必须增加PFC电路。PC电源采用传统的桥式整流、电容滤波电路会使AC输入电流产生严重的波形畸变,向电网注入大量的高次谐波,因此网侧的功率因数不高,仅有0.6左右,并对电网和其它电气设备造成严重谐波污染与干扰。PFC有两种,一种是无源PFC(也称被动式PFC),一种是有源PFC(也称主动式PFC)。

无源PFC

无源PFC一般采用电感补偿方法,通过使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数,但无源PFC的功率因数不是很高,只能达到0.7~0.8。位置在第二层滤波之后,全桥整流电路之前。

整流滤波电路

高压整流滤波电路由一个全桥(由四个二极管组成)和两个高压电解电容组成。把220V交流市电转换成300V直流电。低压整流滤波电路由二极管和电解电容组成(12V使用快恢复管,5V和3.3V使用肖特基管),如图。

开关电路——核心部分

关键元件:PS-ON、精密稳压电路、PWM 控制芯片、推动管(由两个三极管组成)、驱动变压器、主开关变压器原理:由推动管和PWM (Pulse Width Modulation)控制芯片构成振荡电路,产生高频脉冲待机时,主板启闭控制电路的电子开关断开,PWM 控制芯片封锁调制脉宽输出,使T2推动变压器,T1主电源开关变压器停振,停止提供输出电压。受控启动后,主板启闭电子开关接地。PWM 控制芯片输出脉宽调制信号并控制Q3、Q4的c极所接T2推动变压器初级绕组的激励振荡,T2次级它激振荡产生的感应电势作用于T1主电源开关变压器的一次绕组,二次绕组的感应电势经整流形成+3 3V,±5V,±12V的输出电压。

保护电路——七重保护

1、输入端过压保护:耐压值为270V的压敏电阻2、输入端过流保护:保险丝3、输出端过流保护:通过导线反馈,驱动变压器就会相应动作,关断电源的输出。4、输出端过压保护:当比较器检测到的输出电压与基准电压偏差较大时,稳压管就会对电压进行调整。5、输出端过载保护:过载保护的机理与过流保护一样,也是由控制电路和驱动变压器进行的。6、输出端短路保护:输出端短路时,比较器会侦测到电流的变化,并通过驱动变压器、PWM关断开关管的输出。7、温度控制:通过温度探头检测电源内部温度,并智能调整风扇转速,对电源内部温度进行控制。


几种基本类型的开关电源工作原理

1-2.串联式开关电源

1-2-1.串联式开关电源的工作原理

图1-1-a是串联式开关电源的最简单工作原理图,图1-1-a中Ui是开关电源的工作电压,即:直流输入电压;K是控制开关,R是负载。当控制开关K接通的时候,开关电源就向负载R输出一个脉冲宽度为Ton,幅度为Ui的脉冲电压Up;当控制开关K关断的时候,又相当于开关电源向负载R输出一个脉冲宽度为Toff,幅度为0的脉冲电压。这样,控制开关K不停地“接通”和“关断”,在负载两端就可以得到一个脉冲调制的输出电压uo 。

图1-1-b是串联式开关电源输出电压的波形,由图中看出,控制开关K输出电压uo是一个脉冲调制方波,脉冲幅度Up等于输入电压Ui,脉冲宽度等于控制开关K的接通时间Ton,由此可求得串联式开关电源输出电压uo的平均值Ua为:

串联式开关电源输出电压uo的幅值Up等于输入电压Ui,其输出电压uo的平均值Ua总是小于输入电压Ui,因此,串联式开关电源一般都是以平均值Ua为变量输出电压。所以,串联式开关电源属于降压型开关电源。

串联式开关电源也有人称它为斩波器,由于它工作原理简单,工作效率很高,因此其在输出功率控制方面应用很广。例如,电动摩托车速度控制器以及灯光亮度控制器等,都是属于串联式开关电源的应用。如果串联式开关电源只单纯用于功率输出控制,电压输出可以不用接整流滤波电路,而直接给负载提供功率输出;但如果用于稳压输出,则必须要经过整流滤波。
串联式开关电源的缺点是输入与输出共用一个地,因此,容易产生EMI干扰和底板带电,当输入电压为市电整流输出电压的时候,容易引起触电,对人身不安全。

 

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