1.2　開關(guān)電源的組成與工作原理

1.2.1　開關(guān)穩(wěn)壓電源的組成

開關(guān)穩(wěn)壓電源通常由電磁干擾（EMI）濾波器、整流電路、濾波電路和DC/DC變換器電路組成。其典型結(jié)構(gòu)如圖1-2-1所示。

交流輸入電壓（通常是220V，50Hz）經(jīng)過EMI濾波器進(jìn)入整流電路。EMI濾波器用于減小開關(guān)電源的噪聲干擾，阻止開關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲傳輸?shù)诫娋W(wǎng)中，避免干擾電網(wǎng)中的其他電器設(shè)備（例如通信設(shè)備）。

整流電路直接將交流輸入電壓整流，然后通過濾波電路產(chǎn)生較高的直流電壓（通常是300V左右），稱為直流高壓。該直流電壓為DC/DC變換器的DC輸入電壓。

DC/DC變換器也稱功率變換電路，是開關(guān)電源的核心部分，通常由功率開關(guān)管、高頻變壓器和PWM控制器等組成。DC/DC變換器先將DC輸入電壓變?yōu)楦哳l交流電壓，施加到高頻變壓器的初級(jí)繞組。高頻變壓器次級(jí)繞組感應(yīng)出的交流電壓再經(jīng)過高頻整流與濾波電路，最終轉(zhuǎn)換為DC電壓輸出。因?yàn)樽儔浩鞯某跫?jí)繞組和次級(jí)繞組相互絕緣，所以通過高頻變壓器實(shí)現(xiàn)了AC輸入和DC輸出之間的電氣隔離。

1.2.2　開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作原理

開關(guān)穩(wěn)壓電源的核心電路是DC/DC變換器，為了和線性穩(wěn)壓電源對(duì)比，下面以降壓式DC/DC變換器為例，介紹開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本工作原理。降壓式DC/DC變換器的電路結(jié)構(gòu)與等效電路如圖1-2-2所示。其中圖（a）為電路結(jié)構(gòu)，圖（b）為等效電路。

圖中，VT被稱為功率開關(guān)管，其作用可等效為能夠高速動(dòng)作的開關(guān)S。VD_Z為穩(wěn)壓二極管，用于產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓（也稱參考電壓）U_REF。R₂和R₃被稱為取樣電阻，它們用來檢測(cè)輸出電壓U_O，并分壓產(chǎn)生反饋電壓U_F。EA為誤差放大器，它可將反饋電壓U_F與基準(zhǔn)電壓U_REF進(jìn)行比較放大，從而產(chǎn)生控制電壓U_C。其中，誤差放大器的工作原理與線性穩(wěn)壓電源完全相同。VD為續(xù)流二極管，用于延續(xù)電感L中的電流。L為濾波電感，因?yàn)榱鬟^較大的負(fù)載電流，也稱功率電感。C為輸出濾波電容。R_L為負(fù)載電阻。

與線性穩(wěn)壓電源不同的是，開關(guān)穩(wěn)壓電源具有PWM控制器。PWM控制器將控制電壓U_C的變化轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)占空比D的變化，使功率開關(guān)管VT按照不同的占空比導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的改變。

DC/DC變換器的工作原理可以結(jié)合圖1-2-2（b）中的等效電路和圖1-2-3中波形的占空比變化來解釋。當(dāng)PWM控制器使功率開關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)，相當(dāng)于開關(guān)S閉合。此時(shí)，輸入電壓U_I加到了濾波電感L左端，電壓U_L=U_I；經(jīng)過一段時(shí)間t_ON（t_ON稱為導(dǎo)通時(shí)間）以后，PWM控制器使功率開關(guān)管VT關(guān)斷，相當(dāng)于開關(guān)S斷開。此時(shí)，續(xù)流二極管VD導(dǎo)通，使濾波電感L左端電壓為0V，即U_L=0V。經(jīng)過一段時(shí)間t_OFF（t_OFF稱為關(guān)斷時(shí)間）以后，PWM控制器再次使VT導(dǎo)通，進(jìn)入下一個(gè)開關(guān)周期，并一直重復(fù)下去。

導(dǎo)通時(shí)間t_ON與關(guān)斷時(shí)間t_OFF之和為開關(guān)周期T，即T=t_ON+t_OFF。通常開關(guān)周期T是固定不變的，當(dāng)導(dǎo)通時(shí)間t_ON變長(zhǎng)的時(shí)候，關(guān)斷時(shí)間t_OFF就相應(yīng)的變短。導(dǎo)通時(shí)間t_ON與開關(guān)周期T的比值叫做占空比，用D來表示，即D=t_ON/T。

圖1-2-3中給出了3種不同占空比時(shí)U_L點(diǎn)的電壓波形，其中圖（a）是D=0.25時(shí)的電壓波形，圖（b）和圖（c）分別是D=0.5和D=0.75時(shí)的電壓波形。由于電感L和電容C的濾波作用，U_L點(diǎn)的電壓波形經(jīng)過LC濾波之后，將變?yōu)槠交闹绷鬏敵鲭妷?i>U_O。

輸出電壓U_O為輸入電壓U_I與占空比D的乘積，即U_O=U_I×D。改變占空比D，就能改變導(dǎo)通時(shí)間t_ON，進(jìn)而改變輸出電壓U_O。在相同的輸入電壓下，占空比越大，對(duì)應(yīng)的輸出電壓就越高。在DC/DC變換器中，PWM控制器就是用來改變占空比D的。

在圖1-2-2所示的開關(guān)電源中，當(dāng)電路檢測(cè)到U_O升高時(shí)，誤差放大器EA輸出電壓U_C將降低，通過PWM控制器使占空比D下降，從而使輸出電壓U_O保持不變。

與線性穩(wěn)壓電源相比，開關(guān)電源的功率開關(guān)管VT等效為開關(guān)S而不是可變電阻R，當(dāng)VT導(dǎo)通時(shí)，其壓降通常僅為1V左右，VT的導(dǎo)通損耗比線性穩(wěn)壓電源小得多。線性電源調(diào)整管VT的功率損耗為輸入/輸出壓差與負(fù)載電流的乘積，即P_D=（U_I-U_O）×I_L，通常（U_I-U_O）需要3V以上。開關(guān)電源功率開關(guān)管VT的導(dǎo)通損耗為P_D=1×I_L，而與（U_I-U_O）的大小幾乎無關(guān)。

例如在12V輸入，5V輸出的線性電源中，如果負(fù)載電流為1A，則電源調(diào)整管VT的功率損耗為P_D=（12-5）×1=7W；如果是相同參數(shù)的開關(guān)電源，功率開關(guān)管VT的功率損耗僅為P_D=1×1=1W，比線性電源損耗小得多，這就是開關(guān)電源能夠獲得高效率的根本原因。

當(dāng)然，開關(guān)電源除了功率開關(guān)管VT的導(dǎo)通損耗以外，還有VT的開關(guān)損耗以及續(xù)流二極管VD的損耗等。盡管如此，開關(guān)電源的總體損耗也比線性電源小很多。