开关电源电路图及原理设计-论文
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开关电源电路图及原理设计
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用于（PC）的离线式（隔离型）开关电源。
开关电源（：Switching Mode Power Supply），又稱交換式電源、开关变换器，是一种高频化电能转换装置。其功能是将一個位準的電壓，透過不同形式的架構轉換為用戶端所需求的電壓或電流。
根据输入及输出电压形式的不同，包括：
交流-交流（AC/AC）变换器：、
交流-直流（AC/DC）变换器：
直流-交流（DC/AC）变换器：
直流-直流（DC/DC）变换器：电压变换器、电流变换器
我们可以把稳压电源想象成为如下的一种情形：当你试图从一个直径较大的自来水管中取出连续不断的且较小的水流时，你可以采用两种策略：一种是使用一个转接阀门，并将阀门开启在较小位置，这就是的工作原理——（我们可以将阀门看作）线性电源的电压调整晶体管上承受着很大的“压力”（具体的表现是转换为热量的形式散耗）；或者，你可以改进一下，让大水管的水流到一个比较大的“桶”里，小水管连接到这个桶上取水，接着，你需要做的就是断续的打开/关闭大水管上的阀门，保证桶内的水既不会完全没有，也不会因为太多而溢出——开关电源的基本原理就是如此。
与传统的线性电源相比，开关电源的优势在于高（此处的效率可以简单的看作输入功率与输出功率之比），加之开关晶体管工作于开关状态，损耗较小，发热较低，不需要体积/重量非常大的，因此体积较小、重量较轻。但开关电源工作时，由于频率较高，会对及周围设备造成干扰，因此，必须妥善的处理此问题。
线性电源的优势在于结构相对简单，可靠性相对较高，电流可以很容易的做到比较低，维修也较为方便。
实际上，现代的电路中，开关电源电路和线性电源电路在大多数情况下，是组合使用的——使用开关电源进行初步的变换，给纹波、精度要求不高的电路使用；同时，使用低压差线性电源电路（LDO）获取精密的、低纹波（噪声）的电压供诸如（OP-AMP），（A/D Converter）使用。
开关电源的拓扑指开关电源电路的构成形式。一般是根据输出地线与输入地线有无，分为隔离及非隔离变换器。非隔离即输入端与输出端相通，没有隔离措施，常见的DC/DC变换器大多是这种类型。所谓隔离是指输入端与输出端在电路上不是直接联通的，使用隔离变压器通过方式进行能量传递，输入端和输出端之间是完全电气隔离的。通常来说，为了保护使用者的人身安全，使用或输入电压高于（目前公认是36伏特）的开关电源必须是隔离式。
非隔離式變換器是最為簡單的交換式電源結構，它們的電源變換方式為「直流-直流」變換。根據電壓變換類型，分為三種基本類型：升壓斬波器（Boost Chopper，又稱Boost變換器，Boost Converter）、降壓斬波器（Buck Chopper，又稱Buck變換器，Buck Converter）以及降壓-升壓斬波器（Buck-Boost Chopper，又稱Buck-Boost變換器，Buck-Boost Converter），它們的結構都非常相似，輸入、輸出和地都會在一點上交匯，都使用電感器作能量存儲之用，它們之間的主要區別在於电感器的连接方式，若电感器放置于電路的输出端，则为降壓斬波拓撲；电感器放置于電路的输入端，则是升壓斬波拓撲。当电感器连接到地时，就是降壓-升壓斬波拓撲。由於結構的相似性，因此往往簡單改變這些電路拓撲中一些元器件的連接或是改變輸入極性，可成為另一種變換器拓撲，比如一個12V輸入、5V輸出的降壓斬波器可以將原輸出接地並從接地端引出新的輸出端獲得一個7V輸入、-5V輸出的降壓-升壓斬波器。
由降壓-升壓斬波電路，還衍生出升降壓斬波電路、Cuk、SEPIC以及ZETA等多種非隔離型直流-直流變換電路，SEPIC變換器和ZETA變換器都是?uk變換器的小幅重排版。實際使用中根據負載需要，基本升壓斬波電路以及基本降壓斬波電路的組合，可構成複合斬波器。對結構相同的基本斬波電路，可構成多相多重斬波器，以滿足負載對電源更高的穩定性和效能。近年來還出現一種只利用電容器作儲能元件的電荷泵變換器電路。另有中性點拓撲結構用於電源供應器以及有源濾波器上。
在脈衝佔空比極短時，開關器件的效率會下降。如果需要更高數值的電壓變換，那樣就需要用到帶變壓器的隔離型拓撲了。
下表是非隔离型拓扑類型總覽。表中「D」是變換器觸發脈衝的佔空比，數值在0到1之間。輸入電壓（V1）假定遠大於0；如果無輸入電壓，就沒有輸出電壓（V2）。
典型輸出功率（）;
輸入/輸出電壓關係
降壓斬波電路
（Buck Chopper）
0 ≤輸出≤輸入,
電流輸入需是連續的，輸入電壓高於輸出電壓，降壓，輸出電壓極性不變
升壓斬波電路
（Boost Chopper）
輸出≥輸入,
電流輸入需是連續的，輸入電壓低於輸出電壓，升壓，輸出電壓極性不變
降壓-升壓斬波電路
（Buck-boost chopper）
輸入和輸出的電流都是不連續的
升壓-降壓斬波電路
（Split-pi或boost-buck）
兩個電感器和三個電容器
輸出大於等於或小於等於輸入，大於0
輸入或輸出功率控制
一個電容器和兩個電感器
任何，輸出輸入極性倒置，
輸入和輸出電流都是連續的，加州理工學院的Slobodan ?uk博士發表的降壓-升壓斬波變換器電路的改進形式
SEPIC變換器
一個電容器和兩個電感器
輸入電流是連續的
Zeta變換器
一個電容器和兩個電感器
輸出電流是連續的
（Charge pump或Switched capacitor）
只有電容器
电路简单，不需要磁性儲能元件电感器，使用电容來達成變換並输出，在一些離散的變換比率值上會擁有較高的轉換效率。
所有的隔離式拓撲都包含一個變壓器，通過調整變壓器的匝數比可獲得更高或更低或是負電位的輸出電壓。在一些拓撲結構裏，可在變壓器上繞上多重繞組以便輸出多種電壓值。一些變換器還會利用變壓器充當儲能器件，而其它的變換器仍需要獨立的電感器。它們的電源變換方式均為「直流-交流-直流」變換。
輸出功率（）
輸入電壓範圍（）
儲能元器件
（Flyback converter）
降壓斬波器的隔離式形態
振鈴扼流器（Ringing choke converter，RCC）
低成本、自振式的返馳式變換器的變體。
半順向式變換器
（Half-forward）
（Forward converter）
降壓斬波器的隔離式形態
諧振順向式變換器
（Resonant forward）
電感器和電容器
單電源軌輸入，無穩壓輸出，高效率，低電磁干擾（）
推挽式變換器
（Push-pull converter）
100–1,000
半橋式變換器
（Half-bridge）
全橋式變換器
（Full-bridge）
400–5,000
對變壓器的利用效率最高，在這幾種變換器中輸出功率最高。
諧振零電位式變換器
（Resonant, zero voltage switched）
電感器和電容器
隔離式?uk變換器（Isolated ?uk）
兩個電感器和兩個電容器
零電位式交換式電源供應器（Zero voltage switched power supplies），因能量損失低，發熱量很低，僅需要非常小的散熱器就可滿足需要，因此這類電源供應器可以將體積做得很小。圖中所示的ZVS可以提供1千瓦的功率，變壓器並沒有展示。
返馳式變換器的對數控制回環的性能狀態可能會比其它類型變換器的更難控制。
順向式變換器也可細分，主要區別在於變壓器如何在每個電壓變換週期內重設至零磁通點。
當電壓值於最小值時出現低谷的準諧振零電流/零電壓開關
在準諧振零電流/零電壓開關（quasi-resonant zero-current/zero-voltage switch，ZCS/ZVS）將電能拆分為一定大小的「封包」形式輸出，開關的開通和關斷發生在零電流點和零電壓點，而形成一個無損耗開關。準諧振開關，也稱作「谷值開關」，可從以下兩方面降低電磁干擾：
當電壓值降到最低值（於谷值時）使雙極型開關器件開關動作以將硬開關效應產生的電磁干擾降到最低。
當檢測到谷值時，使開關動作，而非是通過固定的週期/頻率觸發開關器件，引入了將射頻發射頻譜分離的自然頻率抖動來降低整體的電磁輻射。
更高的輸入電壓以及同步整流模式使得交換式電源的電能轉換過程的效率更高，即使電源控制器的電能消耗也被計入。更高的開關頻率使得一些電源組件的體積得以減小，如變壓器，但是高頻率的開關動作會產生大量的。諧振式順向變換器產生的電磁干擾是所有類型的交換式電源中最小的，這是因為它使用了軟開關技術，將電壓、電流的突波降到最低，相對於傳統的會產生很大的電壓、電流突波的硬開關來說。
控制模式是指稳定电压输出的方法。从采样量上可分为电流模式和电压模式，从转移函数上可分为和。
电压模式：采样输出电压而进行的控制模式。
电流模式：采样输入电流和输出电压而进行负反馈的控制模式。
双电压模式：采样输出电压和输入电压进行负反馈的控制模式。
PID控制：采用和的一阶或二阶PID控制系统。
Bang-Bang控制：只采用构建的迟滞控制系统。又称为迟滞模式。
ON Semiconductor.
(PDF). July 11, 2002 .
. .au Page 4
Irving, Brian T.; Jovanovi?, Milan M., , Proc. IEEE Applied Power Electronics Conf.（APEC）. March 2002:  897–903
Further information on resonant forward topology for consumer applications
- 台达开关电源
：隐藏分类：详细介绍开关电源的结构、原理及故障检修技巧
14:49:40&&&来源:互联网 &&
　　随着许多高新技术的发展，开关技术在不断地创新。开关电源的设计要以安全性、可靠性为首要原则，在各种指标满足正常使用要求的条件下，为使电源在突发故障情况下安全可靠地工作，本文将详细的分析的结构、原理及故障提出检修的技巧以供大家参考。　　一、开关电源的结构　　开关电源主要由控制电路、检测电路、辅助电源四大部份构成。　　(1)主电路　　冲击电流限幅：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。　　输入滤波器：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。　　整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。　　逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分。　　输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。　　(2)控制电路　　一方面从输出端取样，与设定值进行比较，然后去控制逆变器，改变其脉宽或脉频，使输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对电源进行各种保护措施。　　(3)检测电路　　提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。　　(4)辅助电源　　实现电源的软件(远程)启动，为保护电路和控制电路(PWM等芯片)工作供电。　　二、开关电源原理介绍　　开关电源原理框图见下图所示。　　1.通电瞬间，灯泡闪亮一下后，逐渐熄灭，则电源从输入至整流滤波均正常，故障应在后面电路。否则电源保险或输入滤波电感开路。　　2.若整流滤波电路正常，则检测开关管两端是否有310V电压，若无，则取样电阻R0或变压器初级开路。　　3.若开关管电压正常，则检测开关管驱动电路是否有几伏至十几伏电压，若无则检测启动电阻和驱动电路。　　4.若驱动有电压，开关管正常，则自激绕组有故障或反馈电路有故障。　　5.若灯泡常亮，则开关管击穿(短路)或整流桥击穿(短路)。　　6.若灯泡周期性亮灭，则负载有短路故障，可着重检测负载。　　7.若更换开关管多次击穿，则检测峰值电压消除电路及负载是否有开路故障。　　8.经过上述维修步骤并检测负载电压基本正常后，即可闭合开关K,再次检测时若输出正常，则说明开关电源已修复。　　注意：开关电源负反馈电路及变压器次级绝不能开路，否则会损坏电路其他部分。　　三、开关电源常见故障　　1.保险烧或炸　　2.无输出，保险管正常　　3.有输出电压，但输出电压过高　　4.开关电源负载有短路故障　　5.输出电压端整流二极管、滤波电容失效　　四、开关电源检修技巧　　1.针对保险烧或炸的故障主要检查300V上的大滤波电容、整流桥各二极管及开关管等部位，抗干扰电路出问题也会导致保险烧、发黑。需要注意的是：因开关管击穿导致保险烧一般会把电流检测电阻和电源控制芯片烧坏。负温度系数热敏电阻也很容易和保险一起被烧坏。　　2.针对无输出，保险管正常的这种现象说明开关电源未工作或进入了保护状态。首先要测量电源控制芯片的启动脚是否有启动电压，若无启动电压或者启动电压太低，则要检查启动电阻和启动脚外接的元件是否漏电，此时如电源控制芯片正常，则经上述检查可以迅速查到故障。若有启动电压，则测量控制芯片的输出端在开机瞬间是否有高、低电平的跳变，若无跳变，说明控制芯片坏、外围振荡电路元件或保护电路有问题，可先代换控制芯片，再检查外围元件;若有跳变，一般为开关管不良或损坏。　　3.对于有输出电压，但输出电压过高的这种故障一般来自于稳压取样和稳压控制电路。在直流输出、取样电阻、误差取样放大器如TL431、光耦、电源控制芯片等电路共同构成一个闭合的控制环路，任何一处出问题就会导致输出电压升高。　　4.开关电源负载有短路故障(特别是DC/DC变换器短路或性能不良等)，此时，应该断开开关电源电路的所有负载，以区分是开关电源电路还是负载电路有故障。若断开负载电路电压输出正常，说明是负载过重;或仍不正常说明开关电源电路有故障。　　5.而对于输出电压端整流二极管、滤波电容失效的情况，可以通过代换法进行判断。　　总之，开关电源故障的检修有易有难，但只要抓住其核心的东西，即充分熟悉开关电源的基本结构及特性，它就能迅速地排除开关故障，达到事半功倍的效果。
编辑：探路者
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