第1章 开关电源工作原理与电路结构

1.1 开关电源工作原理与分类

1.1.1 开关电源的电路结构

开关电源是进行交流/直流（AC/DC）、直流/直流（DC/DC）、直流/交流（DC/AC）功率变换的装置，通过对主变换回路和控制回路的控制完成变换。主变换回路将输入的交流电变换后传递给负载，它决定开关电源电路的结构形式、变换要求和负载能力等技术指标；控制回路按输入、输出技术指标的要求来检测、控制主变换回路的工作状态。开关电源集成控制电路就是将控制回路集成化的集成电路。

一般开关电源控制集成电路包括振荡器、误差放大器、PWM触发器、状态控制器等部分功能电路，高品质开关电源还包括高电压功率开关管、电流比较器，以及各种保护功能电路。

所谓AC/DC变换就是交流/直流变换；AC/AC变换称为交流/交流变换，即为改变电源的频率；DC/AC变换称为逆变；DC/DC变换为直流电变成交流电后再将交流电变为直流电。自20世纪60年代研发出了二极管、三极管半导体器件后，人们就开始利用半导体器件进行变换。所以，凡是利用半导体功率器件做开关，将一种电源形态变换成另一种电源形态的电路，称为开关电源变换电路。在电源变换时，采用开关变换技术，利用自动控制技术来稳定输出，并加有各种保护控制电路的电源开关变换电路，称为开关电源。

在开关电源的变换过程中，用高频变压器隔离称为离线式开关变换器，常用的AC/DC变换器就是离线式开关变换器。开关电源的工作原理框图如图1-1所示。

第一部分电路是交流市电供电输入电路，包括低通滤波电路和一次整流电路。220V交流输入市电经低通滤波电路和整流电路整流后，输出没有稳压的直流电压Vi，直流电压Vi送到第二部分电路进行功率因数校正，以提高开关电源电路的功率因数。功率因数校正电路的具体实现方法有无源功率因数校正和有源功率因数校正两种。所谓有源功率因数校正是指开关电源在功率因数校正过程中，采用如三极管和集成电路等有源器件来实现功率因数校正功能的电路。由于有源功率因数校正具有功率因数校正特性好的优点，在开关电源电路中得到了广泛应用。第三部分电路是功率变换，功率变换是通过高频电子开关电路和高频脉冲变压器来实现的，把经过功率因数校正输出的直流电压变换成受控制的、符合设计要求的高频脉冲电压。第四部分电路是输出电路，用于将高频脉冲电压经整流滤波后输出所需的直流电压。第五部分电路是驱动控制电路，输出直流电压经过分压、采样后与开关电源电路的基准电压进行比较、放大，从而输出相应的误差控制电压来稳定输出直流电压。第六部分电路是振荡信号产生电路，由它产生高频振荡信号，该高频振荡信号与控制信号叠加，从而实现输出稳压控制，实现高频电源变换。

1.1.2 开关稳压电源工作原理

开关稳压电源是通过对输入的直流电进行高频开关变换，来实现输出电压变换和输出直流电压稳压的控制目的，其工作原理如图1-2所示。

从图1-2（a）可以看出，未稳压交流输入市电经交流输入市电整流电路（功率因数校正）后输出的直流电压 Vi经过高频开关变换后输出高频脉冲波，高频脉冲波的周期为 T，脉冲宽度为Ton，这个高频脉冲波经滤波电路滤波后输出如图1-2（b）所示的直流电压Vo，输出的直流电压Vo可以用式（1-1）计算，可见当输入直流电压Vi发生变化时，改变Ton /T的比值，使Ton /T与Vi的乘积保持不变，就可以使输出直流电压保持不变，从而实现输出直流电压稳压的控制目的。

在一个电子开关周期（T）内，电子开关的接通时间Ton与一个电子开关周期T所占的时间比，称为脉冲占空比（D），D = Ton / T，如图1-3所示，开关周期是开关频率的倒数。例如，一个开关电源的工作频率是50kHz，它的开关工作周期。很明显，脉冲占空比（D）越大，输出的直流电压Vo越高。提高开关工作频率对实现开关电源高频变压器的小型化很有帮助，但是提高开关工作频率，使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的发热量高、损耗大。对于不同的变换器形式，可用的脉冲占空比大小是不一样的。

在实用中，根据改变脉冲占空比D 的实现方式不同，开关电源有PWM（脉冲宽度调制）、PFM（脉冲频率调制）和PFM/PWM（脉冲调频、调宽）实现方式。在PWM实现方式中，利用开关工作频率不变，利用改变开关工作导通时间Ton的方法来改变脉冲占空比D，从而实现输出直流电压稳压的目的。而在PFM工作方式中，利用保持开关工作导通时间Ton不变，而改变脉冲开关工作频率（周期）的方法来改变脉冲占空比D，从而实现输出直流电压稳压的目的。而在PFM/PWM实现方式中，利用既改变脉冲开关导通时间Ton，又改变脉冲开关工作频率（周期）的方法来改变脉冲占空比D，从而实现输出直流电压稳压的目的。以上几种输出直流电压稳压的实现方法在开关电源中都有所应用。

1.1.3 开关电源的分类

1.根据开关电路单开关、双开关拓扑划分

根据开关电路单开关、双开关拓扑，开关电源可分为以下两种。

1）单开关拓扑

单开关拓扑输出单极性交流电（除非工作在谐振开关状态）。从工作原理上来说，单端正激式、单端反激式开关逆变电路结构都应归属于单开关变换电路拓扑。它只利用了开关变压器磁芯磁化曲线的一半（一个象限），单端反激式开关逆变器输出功率一般在200W以下，而单端正激式开关逆变器的输出功率较单端反激式开关逆变器要大。

2）双开关拓扑

双开关拓扑输出双极性交流电。它利用了开关变压器磁芯磁化曲线的全部（两个象限）。按双开关电路拓扑在开关电源中的应用又可分为半桥、全桥、推挽和推挽串、并联谐振式电流、电压型变换等几种主要电路拓扑。

2.按输出电压的控制方式划分

由于开关电源的输出电压和开关电源的脉冲占空比有关。所以开关电源按控制方式可分为：

1）脉冲宽度调制（PWM）方式

开关电源输出电压，它正比于开关管的导通时间Ton，而反比于开关脉冲的重复周期 T，可以通过取样、比较、误差放大后去控制开关管的导通时间 Ton。通过这一反馈控制过程可以调整输出电压Vo，从而实现开关电源的输出电压稳压控制。

2）脉冲频率调制（PFM）方式

脉冲频率调制方式是利用反馈控制电路来控制开关脉冲频率，即开关脉冲周期（T），从而实现开关电源的脉冲占空比D调节，达到开关电源输出电压稳压控制的目的。

3）脉冲调频、调宽（PFM/PWM）控制方式

脉冲调频、调宽控制方式是利用既控制开关电源的脉冲宽度（Ton），又控制开关电源的脉冲开关周期（T）的方法来实现脉冲占空比调节，从而实现开关电源输出电压稳压控制的目的。

4）调压方式

调压方式是利用调节开关电源直流供电电压大小的方法，来达到调节逆变器的输出交流电压幅度，从而实现开关电源的输出电压稳压控制的目的。

3.按开关电源的激励方式划分

按开关电源的激励方式可分为自激式和他激式。

1）自激式开关电源

自激式开关电源是利用电路中的开关管和高频脉冲变压器构成正反馈环路，来完成自激振荡，使开关电源正常工作。自激式开关电源的输出功率一般在100W左右，电路比较简单，造价较低。

2）他激式开关电源

他激式开关电源必须有一个振荡器，振荡器用以产生开关脉冲用来驱动控制开关电源中的功率开关管，使开关电源正常工作。他激式开关电源的输出功率较自激式开关电源大，电路较自激式开关电源复杂，造价较高。

4.按功率开关管的连接方式划分

开关电源一般采用单端正激式、单端反激式、双管正激式、双单端正激式、双正激式、推挽式、半桥式、全桥式等电路拓扑。单端正激式、单端反激式、双单端正激式、推挽式的开关管的承受电压在两倍以上的输入电压，如果开关管按60%降额使用，则使开关管不易选型。而在推挽式和全桥式拓扑的开关电源中可能出现变压器磁芯单向偏磁饱和，使开关管损坏。半桥电路因为具有自动抗不平衡能力，所以就不会出现变压器磁芯单向偏磁饱和的问题。双管正激式和半桥电路开关管的承受电压仅为电源的最大输入电压，即使按60%降额使用，开关管选用也比较容易。

5.按调整管工作方式划分

直流稳压电源按调整管工作方式可以分为线性直流稳压电源和开关直流稳压电源两大类。

1）线性直流稳压电源

线性直流稳压电源也称串联调整式稳压电源，其稳压性能好，输出纹波电压小，工作可靠性高，易于做成多路输出电压连续可调的稳压电源产品。线性直流稳压电源的特点就是它的稳压功率调整管工作在线性区，利用调节在功率调整管上的电压降来稳定输出电压。但是它必须使用笨重的工频变压器与电网隔离，并且调整管上的功耗较大，需要安装一个很大的散热器来给调整管散热，致使电源的体积和重量大、工作效率低，工作效率一般不大于50%。

2）开关直流稳压电源

与线性直流稳压电源不同的另一类稳压电源就是开关直流稳压电源，它的电路实现形式主要有单端反激式、单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式等。它和线性直流稳压电源的根本区别就在于它的输出电压调整管工作于高频开关状态。功率输出电压调整管不是工作在饱和区即截止区，功率开关管上的功耗很低，电源工作效率可达70%～90%，比普通线性直流稳压电源的工作效率提高近一倍。开关电源是利用体积很小的高频变压器来实现电压变换及电网隔离的，不仅去掉了笨重的工频变压器，还可以采用体积较小的滤波元件和散热器，这就为研究与开发高工作效率、高功率密度，高工作可靠性、体积小、重量轻的开关电源奠定了基础。

相对于线性直流稳压电源来说，开关直流稳压电源的缺点是它的输出纹波电压较大（一般不大于1%Vo(P-P)，好的可以做到十几mV(P-P) 或更小），下面介绍几种常用的开关电源。

（1）AC/DC电源

AC/DC电源也称一次电源，它将来自交流电网的交流市电经整流滤波得到一个400V左右的直流高电压输出，供后面连接的DC/DC变换器在输出端得到一个或几个稳定的直流电压输出，输出功率从几瓦到几千瓦，可以用于不同的应用场合。

（2）DC/DC电源

DC/DC电源在通信电源系统中也被称为二次电源，它是把一次电源或直流电池组提供的直流输入电压经DC/DC变换以后，在输出端得到一组或几组直流输出电压的开关电源。

（3）通信电源

通信电源实质上就是DC/DC变换器式开关电源，只是它一般以直流-48V/-24V供电，将直流-48V/-24V的供电电压变换成电路所需的工作电压，并用后备电池作为直流供电的备份。

（4）电台电源

电台电源将交流220V/110V输入市电电压经变换后输出13.8V直流电压，电源功率由所供电的电台功率而定，直流输出电流从几安培到几百安培均有产品。为防止由于交流输入市电电网断电而影响电台工作，在使用时需用电池组作为直流供电备份，所以，此类开关电源除输出一个13.8V直流电压外，还需具有对电池充电的自动转换功能。

（5）模块电源

随着科学技术飞速发展，对电源工作的可靠性、容量/体积比要求越来越高，模块电源越来越显示其优越性，它具有工作频率高、体积小和工作可靠性高，便于安装和易于组合扩容等优点，得到了广泛的应用。

（6）特种电源

高电压小电流电源、大电流电源、400Hz输入的AC/DC电源等均可以归于特种电源，可以根据特殊需要来选用。

（7）数字电源

数字电源与模拟电源的区别主要集中在控制与通信部分。在简单易用、参数变更要求不多的应用场合中，模拟电源产品具有优势，由于模拟电源应用的针对性，模拟电源可以通过硬件固化来实现。而在可控因素较多、实时反应速度更快、需要用到多个模拟电源管理的复杂高性能系统应用中，数字电源更具有优势。

相对模拟电源，数字电源是通过软件编程来实现多方面的应用，数字电源的可扩展性与可重复使用性使用户可以方便更改电源的工作参数，优化电源系统。通过实时过电流保护与管理，数字电源还可以减少外围器件的数量。

数字电源有用DSP控制的，也有用MCU控制的。相对来说，DSP控制的电源采用数字滤波方式，DSP控制的电源较MCU控制的电源更能满足复杂的电源需求、实时反应速度更快、电源稳压性能更好。数字电源的优点是它的可编程工作特性，比如数字电源的通信、检测、遥测等所有功能都可用软件编程实现。另外，数字电源具有高性能和工作可靠性高的特点，使用非常灵活。

但是，在一些应用领域模拟电源管理技术还有很多优势。首先，模拟电源管理设备适合于用硬件完成固定或定制的功能性设备，传统的脉冲带宽调制（PWM）控制技术用于完成已知电源结构、应用的控制和固定功能已经很成熟。如果对应用有彻底的理解且设计相当简单，无须和外部通信，那么模拟电源更有可能提供非常经济有效的解决方案，具有很好的成本优势。

其次，在成本方面数字电源没有优势，因数字电源的成本较高。目前，因为数字电源需要大的滤波器，所以工作效率比模拟电源低。同时数字电源的工作可靠性还有待证明，特别是对电源管理要求非常严格和应用环境比较特殊的环境，而模拟电源在此方面有它特有的优势。

另外，数字电源的设计需要编程，这就加大了数字电源的开发复杂程度。目前，从电源的研发角度来说模拟电源还是主流。

当然，数字和模拟两种电源技术各有所长，目前还谈不上谁取代谁。数字电源技术的出现及其带来的挑战必会使模拟电源技术继续向前快速发展，其结果是两种电源技术各展所长，共同推动电源技术的发展。

6.按谐振工作方式划分

按谐振工作方式可以分为串联谐振、并联谐振、串/并联谐振等开关变换电路；按谐振式的开关接通时刻来分，又可分为零电流谐振开关（ZCS）和零电压谐振开关（ZVS）。

7.按开关电源的供电方式划分

按开关电源的供电方式可以分为电流型变换开关电源和电压型变换开关电源。

电流型变换开关电源在它的直流供电输入端接有一个大电感，使其直流供电输入可以等效为一个电流源，电流型变换开关电源具有控制速度快、控制特性好的优点，但电路需要一个或两个大电感，并且对功率开关管的耐压要求高（πVdc）。而电压型变换开关电源在它的直流供电输入端接有一个大电容，使其直流供电输入可以等效为一个电压源，对功率开关管的耐电压要求较电流型变换开关电源低，控制特性不及电流型变换开关电源。电流型变换开关电源是在电压型变换开关电源之后发展起来的，电压型变换开关电源较电流型变换开关电源多。

电压型逆变电路在直流供电输入端并联有大电容，一方面可以抑制直流电压的脉动，减少直流电源的内阻，使直流电源近似为恒压源；另一方面也为来自逆变器侧的无功电流提供导通路径。因此，称为电压型逆变电路。

电流型逆变电路在直流供电侧串联有大电感，使直流供电电源近似为恒流源，故称为电流型逆变电路。电路中串联的电感一方面可以抑制直流电流的脉动；另一方面可承受来自逆变电路侧的无功分量，维持电路间的电压平衡。

电压型逆变电路与电流型逆变电路相比较，各自的特点如下。

（1）直流回路的滤波环节。电压型逆变电路的直流回路的滤波环节主要采用大电容。因此，电源阻抗小，相当于恒压源。电流型逆变电路的直流回路的滤波环节主要采用大电感，相当于恒流源。

（2）输出波形。电压型逆变电路输出的电压波形是交变的矩形波，输出的电流波形在感性负载时近似于正弦波，但含有较多的高次谐波分量。电流型变换电路输出的电流波形是交变矩形波，其输出的电压波形接近正弦波。

（3）四象限运行。电压型逆变电路不容易进行四象限运行，原因是四象限运行时要求逆变电路能运行在整流状态，而产生直流电源的整流桥能运行在逆变状态，这就要求直流供电侧的电压极性能改变。由于直流端接有大电容，因此直流电压极性难以改变。虽然逆变电路都设有反馈二极管可将负载电流反馈给直流供电回路，但直流供电侧若想将能量反馈回交流电网，就必须增加一组与原整流器反并联的整流器，使再生能量经过反馈二极管的电流能反馈回电网。这样为获得再生能量而增加一套整流器，由于不经济而很少使用。电流型逆变电路由于在其直流供电侧串联大电感，在维持电流方向不变的情况下，整流桥可改变电压极性，所以很容易将逆变电路运行在整流状态，而使整流桥处于逆变状态，实现四象限运行。

（4）动态性能。电压型逆变电路有大电容，进行电流控制较困难；电流型逆变电路可以用电流反馈环控制，响应速度快，动态性能好。

（5）过电流及短路保护。电流型逆变电路因回路中串有大电感，能抑制短路等故障时的电流上升率，故电流型逆变电路的过电流和短路保护容易实现；而电压型逆变电路的过电流和短路保护则较为困难。

（6）对功率开关管的要求。电压型逆变电路中的功率开关管要求关断时间短，但耐电压要求较低；而电流型逆变电路中的功率开关管对关断时间无严格要求，但耐电压要求相对较高。

（7）采用电流型逆变电路需加一个电感或两个电感，并且在开关管截止时，功率开关管承受的电压应力较电压型逆变电路要大，而两个电感的体积较大。在中、小功率电源中，电流型PWM控制是大量采用的方法，电流型控制较电压型控制具有可以实现逐周期电流限制，比电压型控制速度更快，不会因为过电流而使功率开关管损坏；优良的电网电压调整率；快捷的瞬态响应特性；控制环路工作稳定，易于补偿；输出纹波电压比电压控制型小得多等优点。