開(kāi)關(guān)電源原理圖及基本組成詳解（8款開(kāi)關(guān)電源電路圖）-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2019-10-16
開(kāi)關(guān)電源原理圖詳解，開(kāi)關(guān)電源又稱(chēng)交換式電源、開(kāi)關(guān)變換器，是一種高頻化電能轉換裝置，是電源供應器的一種。其功能是將一個(gè)位準的電壓，透過(guò)不同形式的架構轉換為用戶(hù)端所需求的電壓或電流。
1、主電路
沖擊電流限幅：限制接通電源瞬間輸入側的沖擊電流。
輸入濾波器：其作用是過(guò)濾電網(wǎng)存在的雜波及阻礙本機產(chǎn)生的雜波反饋回電網(wǎng)。
整流與濾波：將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電。
逆變：將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開(kāi)關(guān)電源的核心部分。
輸出整流與濾波：根據負載需要，提供穩定可靠的直流電源。
2、控制電路
一方面從輸出端取樣，與設定值進(jìn)行比較，然后去控制逆變器，改變其脈寬或脈頻，使輸出穩定，另一方面，根據測試電路提供的數據，經(jīng)保護電路鑒別，提供控制電路對電源進(jìn)行各種保護措施。
3、測電路
提供保護電路中正在運行中各種參數和各種儀表數據。
4、輔助電源
實(shí)現電源的軟件（遠程）啟動(dòng)，為保護電路和控制電路（PWM等芯片）工作供電。
開(kāi)關(guān)式穩壓電源接控制方式分為調寬式和調頻式兩種，在實(shí)際的應用中，調寬式使用得較多，在目前開(kāi)發(fā)和使用的開(kāi)關(guān)電源集成電路中，絕大多數也為脈寬調制型(PWM)。因此下面就主要介紹調寬式開(kāi)關(guān)穩壓電源。
調寬式開(kāi)關(guān)穩壓電源的基本原理可參見(jiàn)下圖。
圖1 調寬式示意圖
對于單極性矩形脈沖來(lái)說(shuō)，其直流平均電壓 Uo 取決于矩形脈沖的寬度，脈沖越寬，其直流平均電壓值就越高。直流平均電壓Ｕ?？捎晒接嬎?，即
Uo=Um×T1/T
式中 Um 為矩形脈沖最大電壓值；T 為矩形脈沖周期；T1 為矩形脈沖寬度。從上式可以看出，當 Um 與 T 不變時(shí)，直流平均電壓 Uo 將與脈沖寬度 T1 成正比。這樣，只要我們設法使脈沖寬度隨穩壓電源輸出電壓的增高而變窄，就可以達到穩定電壓的目的。
1．基本電路
圖2 開(kāi)關(guān)電源基本電路框圖
交流電壓經(jīng)整流電路及濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動(dòng)成份的直流電壓，該電壓進(jìn)人高頻變換器被轉換成所需電壓值的方波，最后再將這個(gè)方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?
控制電路為一脈沖寬度調制器，它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調制及基準電壓等電路構成。這部分電路目前已集成化，制成了各種開(kāi)關(guān)電源用集成電路?？刂齐娐酚脕?lái)調整高頻開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)時(shí)間比例，以達到穩定輸出電壓的目的。
2、開(kāi)關(guān)電源原理圖-單端反激式開(kāi)關(guān)電源
單端反激式開(kāi)關(guān)電源的典型電路如圖三所示。電路中所謂的單端是指高頻變換器的磁芯僅工作在磁滯回線(xiàn)的一側。所謂的反激，是指當開(kāi)關(guān)管 VT1 導通時(shí)，高頻變壓器Ｔ初級繞組的感應電壓為上正下負，整流二極管 VD1 處于截止狀態(tài)，在初級繞組中儲存能量。
當開(kāi)關(guān)管 VT1 截止時(shí)，變壓器Ｔ初級繞組中存儲的能量，通過(guò)次級繞組及 VD1 整流和電容Ｃ濾波后向負載輸出。
圖3 單端反激式開(kāi)關(guān)電源
單端反激式開(kāi)關(guān)電源是一種成本最低的電源電路，輸出功率為 20 － 100 Ｗ，可以同時(shí)輸出不同的電壓，且有較好的電壓調整率。唯一的缺點(diǎn)是輸出的紋波電壓較大，外特性差，適用于相對固定的負載。
單端反激式開(kāi)關(guān)電源使用的開(kāi)關(guān)管 VT1 承受的最大反向電壓是電路工作電壓值的兩倍，工作頻率在 20 － 200kHz 之間。
3、開(kāi)關(guān)電源原理圖-單端正激式開(kāi)關(guān)電源
單端正激式開(kāi)關(guān)電源的典型電路如圖四所示。這種電路在形式上與單端反激式電路相似，但工作情形不同。當開(kāi)關(guān)管 VT1 導通時(shí)， VD2 也導通，這時(shí)電網(wǎng)向負載傳送能量，濾波電感Ｌ儲存能量；當開(kāi)關(guān)管 VT1 截止時(shí)，電感Ｌ通過(guò)續流二極管 VD3 繼續向負載釋放能量。
圖4 單端正激式開(kāi)關(guān)電源
在電路中還設有鉗位線(xiàn)圈與二極管 VD2 ，它可以將開(kāi)關(guān)管 VT1 的最高電壓限制在兩倍電源電壓之間。為滿(mǎn)足磁芯復位條件，即磁通建立和復位時(shí)間應相等，所以電路中脈沖的占空比不能大于５０％。由于這種電路在開(kāi)關(guān)管 VT1 導通時(shí)，通過(guò)變壓器向負載傳送能量，所以輸出功率范圍大，可輸出 50 － 200 Ｗ的功率。電路使用的變壓器結構復雜，體積也較大，正因為這個(gè)原因，這種電路的實(shí)際應用較少。
4、開(kāi)關(guān)電源原理圖-自激式開(kāi)關(guān)穩壓電源
自激式開(kāi)關(guān)穩壓電源的典型電路如圖五所示。這是一種利用間歇振蕩電路組成的開(kāi)關(guān)電源，也是目前廣泛使用的基本電源之一。
圖5 自激式開(kāi)關(guān)穩壓電源
當接入電源后在 R1 給開(kāi)關(guān)管 VT1 提供啟動(dòng)電流，使 VT1 開(kāi)始導通，其集電極電流 Ic 在 L1 中線(xiàn)性增長(cháng)，在 L2 中感應出使 VT1 基極為正，發(fā)射極為負的正反饋電壓，使 VT1 很快飽和。
與此同時(shí)，感應電壓給 C1 充電，隨著(zhù) C1 充電電壓的增高， VT1 基極電位逐漸變低，致使 VT1 退出飽和區， Ic 開(kāi)始減小，在 L2 中感應出使 VT1 基極為負、發(fā)射極為正的電壓，使 VT1 迅速截止，這時(shí)二極管 VD1 導通，高頻變壓器Ｔ初級繞組中的儲能釋放給負載。在 VT1 截止時(shí)， L2 中沒(méi)有感應電壓，直流供電輸人電壓又經(jīng) R1 給 C1 反向充電，逐漸提高 VT1 基極電位，使其重新導通，再次翻轉達到飽和狀態(tài)，電路就這樣重復振蕩下去。
這里就像單端反激式開(kāi)關(guān)電源那樣，由變壓器Ｔ的次級繞組向負載輸出所需要的電壓。自激式開(kāi)關(guān)電源中的開(kāi)關(guān)管起著(zhù)開(kāi)關(guān)及振蕩的雙重作從，也省去了控制電路。電路中由于負載位于變壓器的次級且工作在反激狀態(tài)，具有輸人和輸出相互隔離的優(yōu)點(diǎn)。這種電路不僅適用于大功率電源，亦適用于小功率電源。
5、開(kāi)關(guān)電源原理圖-推挽式開(kāi)關(guān)電源
推挽式開(kāi)關(guān)電源的典型電路如圖六所示。它屬于雙端式變換電路，高頻變壓器的磁芯工作在磁滯回線(xiàn)的兩側。電路使用兩個(gè)開(kāi)關(guān)管 VT1 和 VT2 ，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管在外激勵方波信號的控制下交替的導通與截止，在變壓器Ｔ次級統組得到方波電壓，經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?/span>
圖6 推挽式開(kāi)關(guān)電源
這種電路的優(yōu)點(diǎn)是兩個(gè)開(kāi)關(guān)管容易驅動(dòng)，主要缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)管的耐壓要達到兩倍電路峰值電壓。電路的輸出功率較大，一般在 100-500Ｗ范圍內。
6、開(kāi)關(guān)電源原理圖-降壓式開(kāi)關(guān)電源
降壓式開(kāi)關(guān)電源的典型電路如圖七所示。當開(kāi)關(guān)管 VT1 導通時(shí)，二極管 VD1 截止，輸人的整流電壓經(jīng) VT1 和 L 向Ｃ充電，這一電流使電感Ｌ中的儲能增加。當開(kāi)關(guān)管 VT1 截止時(shí)，電感Ｌ感應出左負右正的電壓，經(jīng)負載 RL 和續流二極管 VD1 釋放電感Ｌ中存儲的能量，維持輸出直流電壓不變。電路輸出直流電壓的高低由加在 VT1 基極上的脈沖寬度確定。
圖7 降壓式開(kāi)關(guān)電源
這種電路使用元件少，它同下面介紹的另外兩種電路一樣，只需要利用電感、電容和二極管即可實(shí)現。
7、開(kāi)關(guān)電源原理圖-升壓式開(kāi)關(guān)電源
升壓式開(kāi)關(guān)電源的穩壓電路如圖八所示。當開(kāi)關(guān)管 VT1 導通時(shí)，電感Ｌ儲存能量。當開(kāi)關(guān)管 VT1 截止時(shí)，電感Ｌ感應出左負右正的電壓，該電壓疊加在輸人電壓上，經(jīng)二極管 VD1 向負載供電，使輸出電壓大于輸人電壓，形成升壓式開(kāi)關(guān)電源。
圖8 升壓式開(kāi)關(guān)電源
8、開(kāi)關(guān)電源原理圖-反轉式開(kāi)關(guān)電源
反轉式開(kāi)關(guān)電源的典型電路如圖九所示。這種電路又稱(chēng)為升降壓式開(kāi)關(guān)電源。無(wú)論開(kāi)關(guān)管 VT1 之前的脈動(dòng)直流電壓高于或低于輸出端的穩定電壓，電路均能正常工作。
圖9 反轉式開(kāi)關(guān)電源
當開(kāi)關(guān)管VT1導通時(shí)，電感L儲存能量，二極管VD1截止，負載RL靠電容C上次的充電電荷供電。當開(kāi)關(guān)管VT1截止時(shí)，電感Ｌ中的電流繼續流通，并感應出上負下正的電壓，經(jīng)二極管 VD1向負載供電，同時(shí)給電容Ｃ充電。
開(kāi)關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開(kāi)關(guān)電源小型化，并使開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應用，推動(dòng)了開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展前進(jìn)，每年以超過(guò)兩位數字的增長(cháng)率向著(zhù)輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。
開(kāi)關(guān)電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類(lèi)，DC/DC變換器現已實(shí)現模塊化，且設計技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國內外均已成熟和標準化，并已得到用戶(hù)的認可，但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進(jìn)程中，遇到較為復雜的技術(shù)和工藝制造問(wèn)題。
另外，開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展與應用在節約能源、節約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。開(kāi)關(guān)電源中應用的電力電子器件主要為二極管、IGBT和MOSFET、變壓器。
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