開關(guān)電源

（一）簡介

開關(guān)電源又稱交換式電源、開關(guān)變換器，是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置，是電源供應(yīng)器的一種。其功能是將一個(gè)位準(zhǔn)的電壓，透過不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為用戶端所需求的電壓或電流。開關(guān)電源的輸入多半是交流電源（例如市電）或是直流電源，而輸出多半是需要直流電源的設(shè)備，例如個(gè)人電腦，而開關(guān)電源就進(jìn)行兩者之間電壓及電流的轉(zhuǎn)換。

（二）開關(guān)電源主要用途

開關(guān)電源產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制、軍工設(shè)備、科研設(shè)備、LED照明、工控設(shè)備、通訊設(shè)備、電力設(shè)備、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體制冷制熱、空氣凈化器，電子冰箱，液晶顯示器，LED燈具，通訊設(shè)備，視聽產(chǎn)品，安防監(jiān)控，LED燈帶，電腦機(jī)箱，數(shù)碼產(chǎn)品和儀器類等領(lǐng)域。

（三）開關(guān)電源主要分類

1、微型低功率開關(guān)電源

開關(guān)電源正在走向大眾化，微型化。開關(guān)電源將逐步取代變壓器在生活中的所有應(yīng)用，低功率微型開關(guān)電源的應(yīng)用要首先體現(xiàn)在，數(shù)顯表、智能電表、手機(jī)充電器等方面。現(xiàn)階段國家在大力推廣智能電網(wǎng)建設(shè)，對電能表的要求大幅提高，開關(guān)電源將逐步取代變壓器在電能表上面的應(yīng)用。

2、反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源

反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源與一般串聯(lián)式開關(guān)電源的區(qū)別是，這種反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源輸出的電壓是負(fù)電壓，正好與一般串聯(lián)式開關(guān)電源輸出的正電壓極性相反；并且由于儲(chǔ)能電感L只在開關(guān)K關(guān)斷時(shí)才向負(fù)載輸出電流，因此，在相同條件下，反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源輸出的電流比串聯(lián)式開關(guān)電源輸出的電流小一倍。

開關(guān)電源工作原理圖

下面是開關(guān)電源10大工作原理圖解析：

（一）整流橋并聯(lián)

在小功率設(shè)計(jì)中，一般很少用到整流橋的并聯(lián)，但在某些大功率輸出的情況下，不想增添新的器件單個(gè)整流橋電流又不滿足輸入功率要求，就需要用到整流橋的并聯(lián)了，整流橋的并聯(lián)不能采用兩個(gè)整流橋各自整流后直流并聯(lián)的方式，也就是不能采用圖1的方式，因?yàn)檎鳂驔]有配對，單純靠自身的V-I特性，一般是無法均流的，這樣就會(huì)造成兩個(gè)整流橋發(fā)熱不一致。而采用圖2的方式，通常認(rèn)為在一個(gè)封裝內(nèi)的兩個(gè)二極管是非常匹配的，是可以均分電流的，所以采用圖2的方式就可以實(shí)現(xiàn)整流橋的并聯(lián)了。

（二）浮地驅(qū)動(dòng)

在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)提到MOS管需要浮地驅(qū)動(dòng)，那么什么是浮地驅(qū)動(dòng)呢？簡單的說就是MOS管的S極與控制IC的地不是直接相連的，也就是說不是共地的。以我們常用的BUCK電路為例，如下圖：控制IC的地一般是與輸入電源的地共地的，而MOS管的S極與輸入電源的地之間還有一個(gè)二極管，所以控制IC的驅(qū)動(dòng)信號(hào)不能直接接到MOS管的柵極，而需要額外的驅(qū)動(dòng)電路或驅(qū)動(dòng)IC，比如變壓器隔離驅(qū)動(dòng)或類似IR2110這樣的帶自舉電路的驅(qū)動(dòng)芯片。

當(dāng)然還有另外的方式，那就是采用別的方式給控制IC供電，然后將控制IC的地連接到MOS管的S端，這樣就不是浮地了，控制IC的輸出就可以直接驅(qū)動(dòng)MOS管。

（三）滯環(huán)比較器

在保護(hù)電路中，為了防止保護(hù)電路在保護(hù)點(diǎn)附近來回震蕩，所以一般都增加一定的滯環(huán)。

在下圖中，1M電阻就起到滯環(huán)的作用，如果沒有1M電阻，很明顯，VF電壓達(dá)到2.5V運(yùn)放輸出低電平，低于2.5V，運(yùn)放輸出高電平。增加1M電阻后，在運(yùn)放輸出低電平時(shí)，6腳電平為0.7+（2.5-0.7）*1000/1010=2.48V。當(dāng)VF低于6腳電平后，7腳輸出高電平（如果運(yùn)放供電15V，7腳輸出可按照14V計(jì)算）可以計(jì)算此時(shí)6腳電平為2.5+（14-2.5）*10/1010=2.61V，如果這是一個(gè)輸入欠壓保護(hù)電路，且VF為100：1的取樣，則當(dāng)輸入電壓高于261V，電路正常工作，當(dāng)電壓低于248V才會(huì)欠壓保護(hù)，這樣就增強(qiáng)了保護(hù)電路的抗干擾能力。

一般經(jīng)常用到滯環(huán)比較器的地方有：過欠壓保護(hù)電路、轉(zhuǎn)燈電路等

（四）誤差放大器輸出鉗位電路

設(shè)計(jì)電源中，無論是恒壓源還是恒流源，只要是閉環(huán)控制，總少不了誤差放大器，在進(jìn)入閉環(huán)之前，誤差放大器輸出電壓為最高值，正常來說，誤差放大器供電一般在15V左右，則誤差放大器的輸出在開環(huán)的時(shí)候?yàn)?4V左右，隨著輸入信號(hào)的增加，達(dá)到穩(wěn)壓（穩(wěn)流）點(diǎn)后，誤差放大器從最高點(diǎn)開始降低直到閉環(huán)需要的值，在誤差放大器輸出降低過程中，時(shí)間越常自然輸出超調(diào)越大電路越不容易進(jìn)入穩(wěn)定。

增加一個(gè)二極管+穩(wěn)壓管后，可以在一定程度上改善這個(gè)問題，如下圖所示，如果穩(wěn)壓管是5V的，那么在開環(huán)的時(shí)候，誤差放大器輸出被鉗位在6V左右，這樣當(dāng)進(jìn)入閉環(huán)的時(shí)候，誤差放大器輸出就不是從14V開始下降而是從6V左右，降低到閉環(huán)需要的電壓值自然需要的時(shí)間就短，電路就越容易進(jìn)入穩(wěn)定。

大家可以去看看IC內(nèi)部的誤差放大器輸出，無論IC供電電壓多少伏，誤差放大器輸出電壓的最大值應(yīng)該都不會(huì)是IC供電電壓，而是6V左右吧，不知道是不是也是基于這個(gè)原因。

（五）雙環(huán)控制系統(tǒng)的切換

在設(shè)計(jì)電路中，帶有限流功能的恒壓源及帶有限壓功能的恒流源相信大家都不陌生，很多網(wǎng)友在設(shè)計(jì)電路的時(shí)候，有時(shí)候會(huì)采用下圖所示電路，一個(gè)穩(wěn)壓環(huán)一個(gè)穩(wěn)流環(huán)，逐漸增加負(fù)載，穩(wěn)流環(huán)輸出低電平進(jìn)入限流，當(dāng)負(fù)載減小退出限流的時(shí)候，穩(wěn)壓環(huán)需要一個(gè)切換時(shí)間，那么就出現(xiàn)了兩環(huán)路都不工作的一個(gè)空白區(qū)，在這時(shí)間內(nèi)，電路相當(dāng)于開環(huán)，對電路來說，總歸不是好事。 

但如果第二個(gè)電路，就不存在這樣的問題，限流的時(shí)候，穩(wěn)流環(huán)拉低穩(wěn)壓環(huán)的基準(zhǔn)，在這個(gè)過程中，兩個(gè)環(huán)路都在工作，即使在限流過程中，突然斷開負(fù)載，由于穩(wěn)壓環(huán)一直在工作，所以在很短時(shí)間內(nèi)電路就會(huì)進(jìn)入穩(wěn)定。而不會(huì)出現(xiàn)上述電路的空白區(qū)。

（六）漏感的測量

在電源變壓器設(shè)計(jì)過程中，相信大家都很清楚變壓器的漏感如何測量，很多網(wǎng)友經(jīng)常在帖子里提到，我的變壓器電感1mH漏感600uH，如果你也測量到這種情況，那么最好再確認(rèn)一下，因?yàn)槲覀冎缆└袃?chǔ)存的能量是無法傳遞到副邊的，如果你的變壓器參數(shù)如上所說，你想想你的變壓器的效率會(huì)有多少？還有的網(wǎng)友會(huì)納悶，自己繞的變壓器明明漏感測試的不大，為什么在應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)那么大的尖峰？因?yàn)樵趯?shí)際工作中，不僅僅變壓器的漏感在起作用，你的布線電感也在起作用。

正確的測試漏感的方法應(yīng)該是其余器件先不焊，將變壓器首先焊接在pcb上，然后用粗短線將MOS管，輸出整流二極管短接，將輸出濾波電容短接，從輸入濾波電容測量進(jìn)去得到的是輸入的漏感。將輸入濾波電容短接，從輸出濾波電容測量進(jìn)入，得到的是輸出端的漏感，這樣的測試方法考慮了PCB的分布電感，更接近實(shí)際的情況。

（七）MOS管的驅(qū)動(dòng)

這個(gè)圖是過欠壓、過流保護(hù)的電路，分別通過兩個(gè)光耦控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)，正常情況下光耦導(dǎo)通，MOS管導(dǎo)通，出現(xiàn)異常后光耦切斷，MOS管斷開，這個(gè)圖至少有兩個(gè)明顯的錯(cuò)誤，大家看看在哪里。（R6R7為1k，R25R26為10k）

（八）反饋電路中兩個(gè)電阻的選擇依據(jù)

以384X電路為例，常用的光藕隔離反饋電路接法有兩種，一種是將2腳接地，光藕4腳接1腳，通過拉低1腳的電平來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。

有的人覺得這種方式不合理，會(huì)采用下圖的方式，這種方式也是一樣的道理，這里以下圖為例說明電阻R5及R6的選擇。

電路中，R7、R8接成比例放大，放大倍數(shù)為1，也就是R7=R8，電容C2主要起濾波作用，我一般選擇的很小100P。如果電流采樣信號(hào)在0-1V范圍內(nèi)，電路都正常工作，對應(yīng)COMP端電壓，就是就是1V--4.4V（內(nèi)部二極管壓降認(rèn)為0.7V，1V為PDF提供的最低工作電壓）那么折算到R6上電壓應(yīng)該能在0.6V--4V變化。如果光藕傳輸比為β，則可以得到下面的式子 4≤R6*（V0-2.5-1.1）*β/R5

也就是說，當(dāng)光藕原邊流過最大電流的時(shí)候，副邊電流在R6上的壓降應(yīng)不小于4V。至于R5的選擇，我在另一個(gè)帖子提到，一般光偶原邊電流控制在5mA即可，這樣就可以選擇R6的值。

（九）小功率反激類電源的調(diào)試

小功率反激類輸出電源，對于經(jīng)常設(shè)計(jì)的人來說，基本都是空載或輕載直接上電，由于 已經(jīng)輕車熟路，所以基本不會(huì)有什么問題，主要問題在于參數(shù)的優(yōu)化。但對于菜鳥或新手來說，有時(shí)候電路原理還不是很明了，想通過動(dòng)手來加強(qiáng)印象，如果自己做出來的電源直接上電，估計(jì)炸機(jī)的可能性會(huì)超過一半，所以還是循序漸進(jìn)好一些。

首先，單獨(dú)給控制IC供電，看看IC工作是否正常，主要看頻率及MOS管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，如果單獨(dú)供電，IC都工作不正常的話，你如果直接上電后果是什么不用說了吧？IC單獨(dú)供電正常后，我一般都是找一個(gè)帶限流功能的直流輸出電源給自己設(shè)計(jì)的電源供電，然后空載上電，看輸出電壓是否正常，由于直流輸出電源帶限流功能，所以即使存在問題也是供電電源限流保護(hù)，空載輸出電壓正常再逐漸加載。

如果沒有帶限流功能的直流電源，我的意見也不要貿(mào)然直接加交流，可以在交流輸入端串聯(lián)一個(gè)白熾燈做限流功能，然后看空載是否正常，如果正常后再將白熾燈去掉加交流，這樣會(huì)安全一些。

（十）交叉調(diào)整率是如何產(chǎn)生的

上面這個(gè)圖，如果沒有R及L，就是一個(gè)很普通的反激電路輸出整流的兩個(gè)繞組，在這里，R為變壓器及布線部分的直流阻抗，L為變壓器繞組的漏感，N1N2就是理想的變壓器繞組了。對于理想的變壓器繞組，繞組電壓正比于匝比，也即是如果5匝繞組輸出5V，那么10匝繞組輸出就是10V。

如果第一個(gè)繞組是穩(wěn)壓5V輸出的，在空載情況下，繞組基本沒有電流，R1、L1上壓降可以不考慮，二極管壓降為電流是零時(shí)候的壓降值。這個(gè)時(shí)候N1繞組電壓可以認(rèn)為是輸出電壓5V+二極管壓降0.4V。那么10匝繞組的電壓就是2*（5+0.4）=10.8V，繞組空載的時(shí)候，輸出電壓為10.4V，隨著第二個(gè)繞組帶載電流增大，電阻R2及L2上壓降增加，二極管V2壓降也增加，那么C2上電壓逐漸開始降低，這個(gè)電壓的變化為N2繞組的負(fù)載調(diào)整率，而不是交叉調(diào)整率。

MOS管應(yīng)用電路

MOS管最顯著的特性是開關(guān)特性好，所以被廣泛應(yīng)用在需要電子開關(guān)的電路中，常見的如開關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，也有照明調(diào)光。

現(xiàn)在的MOS驅(qū)動(dòng)，有幾個(gè)特別的應(yīng)用

1、低壓應(yīng)用

當(dāng)使用5V電源，這時(shí)候如果使用傳統(tǒng)的圖騰柱結(jié)構(gòu)，由于三極管的be有0.7V左右的壓降，導(dǎo)致實(shí)際最終加在gate上的電壓只有4.3V。這時(shí)候，我們選用標(biāo)稱gate電壓4.5V的MOS管就存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。同樣的問題也發(fā)生在使用3V或者其他低壓電源的場合。

2、寬電壓應(yīng)用

輸入電壓并不是一個(gè)固定值，它會(huì)隨著時(shí)間或者其他因素而變動(dòng)。這個(gè)變動(dòng)導(dǎo)致PWM電路提供給MOS管的驅(qū)動(dòng)電壓是不穩(wěn)定的。

為了讓MOS管在高gate電壓下安全，很多MOS管內(nèi)置了穩(wěn)壓管強(qiáng)行限制gate電壓的幅值。在這種情況下，當(dāng)提供的驅(qū)動(dòng)電壓超過穩(wěn)壓管的電壓，就會(huì)引起較大的靜態(tài)功耗。

同時(shí)，如果簡單的用電阻分壓的原理降低gate電壓，就會(huì)出現(xiàn)輸入電壓比較高的時(shí)候，MOS管工作良好，而輸入電壓降低的時(shí)候gate電壓不足，引起導(dǎo)通不夠徹底，從而增加功耗。

3、雙電壓應(yīng)用

在一些控制電路中，邏輯部分使用典型的5V或者3.3V數(shù)字電壓，而功率部分使用12V甚至更高的電壓。兩個(gè)電壓采用共地方式連接。MOS管驅(qū)動(dòng)電路

這就提出一個(gè)要求，需要使用一個(gè)電路，讓低壓側(cè)能夠有效的控制高壓側(cè)的MOS管，同時(shí)高壓側(cè)的MOS管也同樣會(huì)面對1和2中提到的問題。

在這三種情況下，圖騰柱結(jié)構(gòu)無法滿足輸出要求，而很多現(xiàn)成的MOS驅(qū)動(dòng)IC，似乎也沒有包含gate電壓限制的結(jié)構(gòu)。
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