理解开关电源的工作原理与应用

开关稳压电源简称开关电源（Switching Power Supply），是将一种电源形态变换成另一种形态的电源。它是利用现代电力电子技术，通过控制开关管通断的时间比例来输出稳定电压的一种电源，具有体积小、重量轻、功耗低、效率高、纹波小、智能化程度高、使用方便等优点。电源广泛用于通信、仪器仪表、工业自动化、航空航天、家用电器等领域。随着电力电子技术的发展，特别是大功率器件MOSFET和IGBT的问世更新，将开关电源的工作频率提高到相当高的水平，使其具有更高的稳定性和高性价比等特性，被誉为高效节能电源，代表着电源发展的方向。

开关电源在变换过程中，用高频变压器将一次侧与二次侧隔离，称之为离线式开关变换器（Off-line Switching Converter），常用的AC-DC变换器就是离线式开关变换器。输入电压经低通滤波，进入桥式整流，直接接到用电负载，称为非隔离式开关变换器。凡是用半导体功率器件作开关，将一种电源形态变换成另一种形态的电路，叫做开关变换电路。在变换时，以自动控制稳定输出并有各种保护称之完全开关电源。

开关电源由两大部分组成，即主电路和控制电路。主电路由输入电路、功率变换电路和输出电路组成；控制电路则由信号取样电路、控制电路和频率振荡发生器组成。输入电路由低通滤波电路和一次整流电路构成。220V交流电经低通滤波电路和桥式整流电路后得到未稳压的直流电压V_i，脉动电压经功率因数校正，使它的输入电流与输入电压同相，得到功率因数高、谐波含量低的直流高压，此电压经电子开关和高频变压器进行电能转换，这样直流电压变换成受控制的、符合设计要求的高频方波脉冲电压，高频电压经第二次整流滤波后变为直流电压输出。最后，将输出电压经过分压采样与设置的基准电压进行比较放大进入频率振荡发生器，产生一个高频信号，该信号与控制信号叠加进行脉宽或频率调制，达到脉冲宽度或频率可调，可改变或调整输出电压的高低。所以说，开关电源的实质是电压转换，如图1-1所示。

高频电子开关是电能转换的主要手段和方法。在一个电子开关周期T内，电子开关的接通时间t_on与一个电子开关周期T所占时间之比，叫接通占空比（D），D=t_on/T，如图1-2所示。

断开时间t_off所占周期T的比例称为断开占空比（D′），D′=t_off/T。开关周期等于开关频率的倒数，即T=1/f。例如，一个开关电源的工作频率是50kHz，它的周期T=1/50×10³μs=20μs。很明显，接通占空比D越大，变换器输出电压越高，表明电子开关接通的时间越长，负载感应电压越高，工作频率也越高。这对于开关电源的高频变压器实现小型化有帮助，同时，能量传递的速度也快。但是，开关电源中的开关功率管、高频变压器、控制集成电路以及输入整流二极管由于工作频率提高，导致发热量高、损耗大、效率低。对于不同的变换器形式，所选用的占空比大小是不一样的。

图1-1 开关电源工作原理框图

开关电源与铁心变压器电源以及其他形式的电源比较起来具有较多的优点：(www.xing528.com)

一是节能。绿色电源是开关电源中用途最为广泛的电源，它的效率一般可以达到85%，质量好的可以达到95%甚至更高，而铁心变压器的效率只有70%或者更低。美国一般家用电器和工业电气设备的单机能源效率大于92%。美国的“能源之星”对电子镇流器、开关电源以及家用电器的效率都制定有很仔细的、非常严格的规章条款。

二是体积小，重量轻。据统计，100W铁心变压器的重量为1200g左右，体积达350cm³，而100W开关电源的重量只有250g，而且敞开式电源更轻，体积不到铁心变压器的1/4。

三是开关电源具有各种保护功能，不易损坏。而其他的电源由于本身原因或使用不当，发生短路或断路的事故较多。

四是改变输出电流、电压比较容易，且稳定、可控。

五是根据人们的要求，可设计出各种具有特殊功能的电源，如数字化电源、程序遥控电源等等，以满足人们的需要。

图1-2 占空比示意图