1、開關(guān)電源概述

　　電源是各種電子設(shè)備不可或缺的組成部分，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)及能否安全可靠地工作。目前常用的直流穩(wěn)壓電源和開關(guān)電源兩大類。由于開關(guān)電源本身消耗的能量低，電源效率比普通線性穩(wěn)壓電源提高一倍，被廣泛用于電子計(jì)算機(jī)、通訊、家電等各個(gè)行業(yè)。對于開關(guān)電源的廣泛應(yīng)用，有必要對其原理進(jìn)行了解、對其發(fā)展趨勢有所掌握，對現(xiàn)實(shí)工作將有極大幫助。開關(guān)電源（SwitchModePowerSupply，即SMPS）被譽(yù)為高效節(jié)能型電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)已成穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。

　　隨著全球?qū)δ茉磫栴}的重視，電子產(chǎn)品的耗能問題將愈來愈突出，如何降低其待機(jī)功耗，提高供電效率成為一個(gè)急待解決的問題。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源雖然電路結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，但它存在著效率低（只有40%－50%）、體積大、銅鐵消耗量大，工作溫度高及調(diào)整范圍小等缺點(diǎn)。為了提高效率，人們研制出了開關(guān)式穩(wěn)壓電源，它的效率可達(dá)85%以上，穩(wěn)壓范圍寬，除此之外，還具有穩(wěn)壓精度高、不使用電源變壓器等特點(diǎn)，是一種較理想的穩(wěn)壓電源。正因?yàn)槿绱?，開關(guān)式穩(wěn)壓電源已廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，開關(guān)電源就是用通過電路控制開關(guān)管進(jìn)行高速的導(dǎo)通與截止，將直流電轉(zhuǎn)化為高頻率的交流電提供給變壓器進(jìn)行變壓，從而產(chǎn)生所需要的一組或多組電壓。

　　2、開關(guān)電源的基本原理和組成

　　2.1、基本原理

　　開關(guān)電源按控制原理來分類，大致有以下3種工作方式：

　　1）脈沖寬度調(diào)制式，簡稱脈寬調(diào)制（PulseWidthModulation，縮寫為PWM）式。其主要特點(diǎn)是固定開關(guān)頻率，通過改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)占空比，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓目的。其核心是脈寬調(diào)制器。開關(guān)周期的固定為設(shè)計(jì)濾波電路提供了方便。但是，它的缺點(diǎn)是受功率開關(guān)最小導(dǎo)通時(shí)間的限制，對輸出電壓不能作寬范圍調(diào)節(jié)；此外，輸出端一般要接假負(fù)載（亦稱預(yù)負(fù)載），以防止空載時(shí)輸出電壓升高。目前，大多數(shù)的集成開關(guān)電源采用PWM方式。

　　圖1 ?兩種控制方式的調(diào)制波形

　　2）脈沖頻率調(diào)制方式，簡稱脈頻調(diào)制（PulseFrequencyModulation，縮寫為PFM）式。其特點(diǎn)是將脈沖寬度固定，通過改變開關(guān)頻率來調(diào)節(jié)占空比，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的目的。其核心是脈頻調(diào)制器。在電路設(shè)計(jì)上要用固定脈寬發(fā)生器來代替脈寬調(diào)制器中的鋸齒波發(fā)生器，并利用電壓？頻率轉(zhuǎn)換器（例如壓控振蕩器VCO）改變頻率。它的穩(wěn)壓原理是：當(dāng)輸出電壓Uo升高時(shí)，控制器輸出信號的脈沖寬度不變而周期變長，使占空比減小，Uo降低。PFM式開關(guān)電源的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍很寬，輸出端可不接假負(fù)載。PWM方式和PFM方式的調(diào)制波形分別如圖1（a）、（b）所示，tp表示脈沖寬度（即功率開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間tON），T代表周期。從中可以比較容易的看出兩者的區(qū)別。但它們也有共同之處：

　?。?）均采用時(shí)間比率控制（TRC）的穩(wěn)壓原理，無論是改變tp還是T，最終調(diào)節(jié)的都是脈沖占空比。盡管采用的方式不同，但控制目標(biāo)一致，可謂殊途同歸。

　　（2）當(dāng)負(fù)載由輕變重，或者輸入電壓從高變低時(shí)，分別通過增加脈寬、升高頻率的方法使輸出電壓保持穩(wěn)定。

　　3）混合調(diào)制方式，是指脈沖寬度與開關(guān)頻率均不固定，彼此都能改變的方式，它屬于PWM和PFM的混合方式。它包含了脈寬調(diào)制器和脈頻調(diào)制器。由于和T均可單獨(dú)調(diào)節(jié)，因此占空比調(diào)節(jié)范圍最寬，適合制作供實(shí)驗(yàn)室使用的輸出電壓可以寬范圍調(diào)節(jié)的開關(guān)電源。

　　以上3種工作方式統(tǒng)稱為“時(shí)間比率控制”（TimeRatioControl，簡稱TRC）方式。需要指出的是，脈寬調(diào)制器既可作為一片獨(dú)立的集成電路使用（例如UC3842型脈寬調(diào)制器），亦可被集成在DC/DC變換器中（例如LM2576型開關(guān)穩(wěn)壓器集成電路），還能集成在AC/DC變換器中（例如TOP250型單片開關(guān)電源集成電路）。其中，開關(guān)穩(wěn)壓器屬于DC/DC電源變換器，開關(guān)電源一般為AC/DC電源變換器。

　　2.2、開關(guān)電源的組成

　　開關(guān)電源的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示，其工作原理是：市電進(jìn)入電源首先經(jīng)整流和濾波轉(zhuǎn)為高壓直流電，然后通過開關(guān)電路和高頻開關(guān)變壓器轉(zhuǎn)為高頻率低壓脈沖，再經(jīng)過整流和濾波電路，最終輸出低電壓的直流電源。同時(shí)在輸出部分有一個(gè)電路反饋給控制電路，通過控制PWM占空比以達(dá)到輸出電壓穩(wěn)定。