本文將對(duì)開(kāi)關(guān)電源的各功能電路進(jìn)行全面且深入的解析，涵蓋其電路組成、工作原理以及常見(jiàn)的電路類型等方面。

開(kāi)關(guān)電源的電路組成

開(kāi)關(guān)電源的主要電路由輸入電磁干擾濾波器（EMI）、整流濾波電路、功率變換電路、PWM 控制器電路、輸出整流濾波電路組成。此外，還有一系列輔助電路，如輸入過(guò)欠壓保護(hù)電路、輸出過(guò)欠壓保護(hù)電路、輸出過(guò)流保護(hù)電路、輸出短路保護(hù)電路等。這些電路相互協(xié)作，確保開(kāi)關(guān)電源能夠穩(wěn)定、可靠地工作。開(kāi)關(guān)電源的電路組成方框圖如下：

圖 1：開(kāi)關(guān)電源電路組成方框圖

輸入電路的原理及常見(jiàn)電路

輸入電路主要分為 AC 輸入整流濾波電路和 DC 輸入濾波電路，它們的作用是對(duì)輸入電源進(jìn)行處理，抑制電磁噪聲和雜波信號(hào)，同時(shí)防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對(duì)電網(wǎng)造成干擾。

• AC 輸入整流濾波電路原理
  • 防雷電路：當(dāng)有雷擊產(chǎn)生高壓經(jīng)電網(wǎng)導(dǎo)入電源時(shí)，由 MOV1、MOV2、MOV3、F1、F2、F3、FDG1 組成的電路進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)加在壓敏電阻兩端的電壓超過(guò)其工作電壓時(shí)，其阻值降低，使高壓能量消耗在壓敏電阻上。若電流過(guò)大，F(xiàn)1、F2、F3 會(huì)燒毀，從而保護(hù)后級(jí)電路。
  • 輸入濾波電路：C1、L1、C2、C3 組成的雙 π 型濾波網(wǎng)絡(luò)主要對(duì)輸入電源的電磁噪聲及雜波信號(hào)進(jìn)行抑制。當(dāng)電源開(kāi)啟瞬間，要對(duì) C5 充電，由于瞬間電流大，加 RT1（熱敏電阻）能有效防止浪涌電流。一定時(shí)間后溫度升高，RT1 阻值減小，這時(shí)它消耗的能量非常小，后級(jí)電路可正常工作。
  • 整流濾波電路：交流電壓經(jīng) BRG1 整流后，經(jīng) C5 濾波得到較為純凈的直流電壓。若 C5 容量變小，輸出的交流紋波將增大。
• DC 輸入濾波電路原理
  • 輸入濾波電路：C1、L1、C2 組成的雙 π 型濾波網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸入電源的電磁噪聲及雜波信號(hào)進(jìn)行抑制，C3、C4 為安規(guī)電容，L2、L3 為差模電感。
  • 抗浪涌電路：R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7 組成抗浪涌電路。在起機(jī)瞬間，由于 C6 的存在 Q2 不導(dǎo)通，電流經(jīng) RT1 構(gòu)成回路。當(dāng) C6 上的電壓充至 Z1 的穩(wěn)壓值時(shí) Q2 導(dǎo)通。如果 C8 漏電或后級(jí)電路短路，在起機(jī)瞬間電流在 RT1 上產(chǎn)生的壓降增大，Q1 導(dǎo)通使 Q2 沒(méi)有柵極電壓不導(dǎo)通，RT1 將會(huì)在很短的時(shí)間燒毀，以保護(hù)后級(jí)電路。

      功率變換電路

   功率變換電路是開(kāi)關(guān)電源的核心部分，它將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換為高頻交流電壓，再通過(guò)變壓器進(jìn)行電壓變換。

• MOS 管的工作原理：目前應(yīng)用最廣泛的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管是 MOSFET（MOS 管），它利用半導(dǎo)體表面的電聲效應(yīng)進(jìn)行工作，也稱為表面場(chǎng)效應(yīng)器件。由于其柵極處于不導(dǎo)電狀態(tài)，輸入電阻可以大大提高，最高可達(dá) 105 歐姆。MOS 管利用柵源電壓的大小，來(lái)改變半導(dǎo)體表面感生電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。
• 常見(jiàn)的原理圖及工作原理：R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2 組成緩沖器，和開(kāi)關(guān) MOS 管并接，使開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力減少，EMI 減少，不發(fā)生二次擊穿。在開(kāi)關(guān)管 Q1 關(guān)斷時(shí)，變壓器的原邊線圈易產(chǎn)生尖峰電壓和尖峰電流，這些元件組合一起，能很好地吸收尖峰電壓和電流。從 R3 測(cè)得的電流峰值信號(hào)參與當(dāng)前工作周波的占空比控制，因此是當(dāng)前工作周波的電流限制。當(dāng) R5 上的電壓達(dá)到 1V 時(shí)，UC3842 停止工作，開(kāi)關(guān)管 Q1 立即關(guān)斷。R1 和 Q1 中的結(jié)電容 CGS、CGD 一起組成 RC 網(wǎng)絡(luò)，電容的充放電直接影響著開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)速度。R1 過(guò)小，易引起振蕩，電磁干擾也會(huì)很大；R1 過(guò)大，會(huì)降低開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)速度。Z1 通常將 MOS 管的 GS 電壓限制在 18V 以下，從而保護(hù)了 MOS 管。Q1 的柵極受控電壓為鋸形波，當(dāng)其占空比越大時(shí)，Q1 導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，變壓器所儲(chǔ)存的能量也就越多；當(dāng) Q1 截止時(shí)，變壓器通過(guò) D1、D2、R5、R4、C3 釋放能量，同時(shí)也達(dá)到了磁場(chǎng)復(fù)位的目的，為變壓器的下一次存儲(chǔ)、傳遞能量做好了準(zhǔn)備。IC 根據(jù)輸出電壓和電流時(shí)刻調(diào)整著⑥腳鋸形波占空比的大小，從而穩(wěn)定了整機(jī)的輸出電流和電壓。C4 和 R6 為尖峰電壓吸收回路。
  
  圖 4：功率變換電路原理圖
• 推挽式功率變換電路：Q1 和 Q2 將輪流導(dǎo)通。
  
  圖 5：推挽式功率變換電路
• 有驅(qū)動(dòng)變壓器的功率變換電路：T2 為驅(qū)動(dòng)變壓器，T1 為開(kāi)關(guān)變壓器，TR1 為電流環(huán)。

輸出整流濾波電路

輸出整流濾波電路的作用是將變壓器輸出的高頻交流電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓，并對(duì)其進(jìn)行濾波，減少輸出電壓的紋波。

• 正激式整流電路：T1 為開(kāi)關(guān)變壓器，其初極和次極的相位同相。D1 為整流二極管，D2 為續(xù)流二極管，R1、C1、R2、C2 為削尖峰電路。L1 為續(xù)流電感，C4、L2、C5 組成 π 型濾波器。
• 反激式整流電路：T1 為開(kāi)關(guān)變壓器，其初極和次極的相位相反。D1 為整流二極管，R1、C1 為削尖峰電路。L1 為續(xù)流電感，R2 為假負(fù)載，C4、L2、C5 組成 π 型濾波器。
• 同步整流電路：當(dāng)變壓器次級(jí)上端為正時(shí)，電流經(jīng) C2、R5、R6、R7 使 Q2 導(dǎo)通，電路構(gòu)成回路，Q2 為整流管。Q1 柵極由于處于反偏而截止。當(dāng)變壓器次級(jí)下端為正時(shí)，電流經(jīng) C3、R4、R2 使 Q1 導(dǎo)通，Q1 為續(xù)流管。Q2 柵極由于處于反偏而截止。L2 為續(xù)流電感，C6、L1、C7 組成 π 型濾波器。R1、C1、R9、C4 為削尖峰電路。

穩(wěn)壓環(huán)路的作用是穩(wěn)定開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓，使其不受輸入電壓和負(fù)載變化的影響。

• 反饋電路原理圖及工作原理：當(dāng)輸出 U0 升高，經(jīng)取樣電阻 R7、R8、R10、VR1 分壓后，U1③腳電壓升高，當(dāng)其超過(guò) U1②腳基準(zhǔn)電壓后 U1①腳輸出高電平，使 Q1 導(dǎo)通，光耦 OT1 發(fā)光二極管發(fā)光，光電三極管導(dǎo)通，UC3842①腳電位相應(yīng)變低，從而改變 U1⑥腳輸出占空比減小，U0 降低。當(dāng)輸出 U0 降低時(shí)，U1③腳電壓降低，當(dāng)其低過(guò) U1②腳基準(zhǔn)電壓后 U1①腳輸出低電平，Q1 不導(dǎo)通，光耦 OT1 發(fā)光二極管不發(fā)光，光電三極管不導(dǎo)通，UC3842①腳電位升高，從而改變 U1⑥腳輸出占空比增大，U0 升高。周而復(fù)始，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。調(diào)節(jié) VR1 可改變輸出電壓值。反饋環(huán)路是影響開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)定性的重要電路。如反饋電阻電容錯(cuò)、漏、虛焊等，會(huì)產(chǎn)生自激振蕩，故障現(xiàn)象為：波形異常，空、滿載振蕩，輸出電壓不穩(wěn)定等。
  
  圖 7：穩(wěn)壓環(huán)路反饋電路

短路保護(hù)電路

短路保護(hù)電路的作用是在輸出端短路的情況下，將輸出電流限制在一個(gè)安全范圍內(nèi)，保護(hù)開(kāi)關(guān)電源和后級(jí)用電設(shè)備。短路保護(hù)電路通常有多種實(shí)現(xiàn)方式，以下是幾種常見(jiàn)的短路保護(hù)電路及其工作原理：

• 小功率短路保護(hù)電路：當(dāng)輸出電路短路，輸出電壓消失，光耦 OT1 不導(dǎo)通，UC3842①腳電壓上升至 5V 左右，R1 與 R2 的分壓超過(guò) TL431 基準(zhǔn)，使之導(dǎo)通，UC3842⑦腳 VCC 電位被拉低，IC 停止工作。UC3842 停止工作后①腳電位消失，TL431 不導(dǎo)通 UC3842⑦腳電位上升，UC3842 重新啟動(dòng)，周而復(fù)始。當(dāng)短路現(xiàn)象消失后，電路可以自動(dòng)恢復(fù)成正常工作狀態(tài)。
  
  圖 8：小功率短路保護(hù)電路
• 中功率短路保護(hù)電路：當(dāng)輸出短路，UC3842①腳電壓上升，U1③腳電位高于②腳時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)①腳輸出高電位，給 C1 充電，當(dāng) C1 兩端電壓超過(guò)⑤腳基準(zhǔn)電壓時(shí) U1⑦腳輸出低電位，UC3842①腳低于 1V，UCC3842 停止工作，輸出電壓為 0V，周而復(fù)始，當(dāng)短路消失后電路正常工作。R2、C1 是充放電時(shí)間常數(shù)，阻值不對(duì)時(shí)短路保護(hù)不起作用。
• 常見(jiàn)的限流、短路保護(hù)電路：當(dāng)輸出電路短路或過(guò)流，變壓器原邊電流增大，R3 兩端電壓降增大，③腳電壓升高，UC3842⑥腳輸出占空比逐漸增大，③腳電壓超過(guò) 1V 時(shí)，UC3842 關(guān)閉無(wú)輸出。
• 用電流互感器取樣電流的保護(hù)電路：輸出電路短路或電流過(guò)大，TR1 次級(jí)線圈感應(yīng)的電壓就越高，當(dāng) UC3842③腳超過(guò) 1 伏，UC3842 停止工作，周而復(fù)始，當(dāng)短路或過(guò)載消失，電路自行恢復(fù)。

輸出端限流保護(hù)

常見(jiàn)的輸出端限流保護(hù)電路的工作原理是：當(dāng)輸出電流過(guò)大時(shí)，RS（錳銅絲）兩端電壓上升，U1③腳電壓高于②腳基準(zhǔn)電壓，U1①腳輸出高電壓，Q1 導(dǎo)通，光耦發(fā)生光電效應(yīng)，UC3842①腳電壓降低，輸出電壓降低，從而達(dá)到輸出過(guò)載限流的目的。

圖 9：輸出端限流保護(hù)電路

輸出過(guò)壓保護(hù)電路的原理

輸出過(guò)壓保護(hù)電路的作用是當(dāng)輸出電壓超過(guò)設(shè)計(jì)值時(shí)，把輸出電壓限定在一安全值的范圍內(nèi)，防止損壞后級(jí)用電設(shè)備。常見(jiàn)的過(guò)壓保護(hù)電路有以下幾種：

• 可控硅觸發(fā)保護(hù)電路：當(dāng) Uo1 輸出升高，穩(wěn)壓管（Z3）擊穿導(dǎo)通，可控硅（SCR1）的控制端得到觸發(fā)電壓，因此可控硅導(dǎo)通。Uo2 電壓對(duì)地短路，過(guò)流保護(hù)電路或短路保護(hù)電路就會(huì)工作，停止整個(gè)電源電路的工作。當(dāng)輸出過(guò)壓現(xiàn)象排除，可控硅的控制端觸發(fā)電壓通過(guò) R 對(duì)地泄放，可控硅恢復(fù)斷開(kāi)狀態(tài)。
  
  圖 10：可控硅觸發(fā)保護(hù)電路
• 光電耦合保護(hù)電路：當(dāng) Uo 有過(guò)壓現(xiàn)象時(shí)，穩(wěn)壓管擊穿導(dǎo)通，經(jīng)光耦（OT2）R6 到地產(chǎn)生電流流過(guò)，光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光，從而使光電耦合器的光敏三極管導(dǎo)通。Q1 基極得電導(dǎo)通，3842 的③腳電降低，使 IC 關(guān)閉，停止整個(gè)電源的工作，Uo 為零，周而復(fù)始。
  
  圖 11：光電耦合保護(hù)電路
• 輸出限壓保護(hù)電路：當(dāng)輸出電壓升高，穩(wěn)壓管導(dǎo)通光耦導(dǎo)通，Q1 基極有驅(qū)動(dòng)電壓而導(dǎo)通，UC3842③電壓升高，輸出降低，穩(wěn)壓管不導(dǎo)通，UC3842③電壓降低，輸出電壓升高。周而復(fù)始，輸出電壓將穩(wěn)定在一范圍內(nèi)（取決于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值）。
• 輸出過(guò)壓鎖死電路：在圖 A 中，當(dāng)輸出電壓 Uo 升高，穩(wěn)壓管導(dǎo)通，光耦導(dǎo)通，Q2 基極得電導(dǎo)通，由于 Q2 的導(dǎo)通 Q1 基極電壓降低也導(dǎo)通，Vcc 電壓經(jīng) R1、Q1、R2 使 Q2 始終導(dǎo)通，UC3842③腳始終是高電平而停止工作。在圖 B 中，UO 升高 U1③腳電壓升高，①腳輸出高電平，由于 D1、R1 的存在，U1①腳始終輸出高電平 Q1 始終導(dǎo)通，UC3842①腳始終是低電平而停止工作。

功率因數(shù)校正電路（PFC）

功率因數(shù)校正電路的作用是提高開(kāi)關(guān)電源的功率因數(shù)，減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。

• 原理示意圖及工作原理：輸入電壓經(jīng) L1、L2、L3 等組成的 EMI 濾波器，BRG1 整流一路送 PFC 電感，另一路經(jīng) R1、R2 分壓后送入 PFC 控制器作為輸入電壓的取樣，用以調(diào)整控制信號(hào)的占空比，即改變 Q1 的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，穩(wěn)定 PFC 輸出電壓。L4 是 PFC 電感，它在 Q1 導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存能量，在 Q1 關(guān)斷時(shí)施放能量。D1 是啟動(dòng)二極管。D2 是 PFC 整流二極管，C6、C7 濾波。PFC 電壓一路送后級(jí)電路，另一路經(jīng) R3、R4 分壓后送入 PFC 控制器作為 PFC 輸出電壓的取樣，用以調(diào)整控制信號(hào)的占空比，穩(wěn)定 PFC 輸出電壓。
  
  圖 12：功率因數(shù)校正電路

輸入過(guò)欠壓保護(hù)

輸入過(guò)欠壓保護(hù)電路的作用是在輸入電壓過(guò)高或過(guò)低時(shí)，保護(hù)開(kāi)關(guān)電源不受損壞。AC 輸入和 DC 輸入的開(kāi)關(guān)電源的輸入過(guò)欠壓保護(hù)原理大致相同。保護(hù)電路的取樣電壓均來(lái)自輸入濾波后的電壓。