开关电源基础知识：开关电源工作原理及各功能电路图分析

一、开关电源用途

开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，电子冰箱，液晶显示器，LED灯具，通讯设备，视听产品，安防监控，LED灯带，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。

二、开关电源工作原理及各功能电路详解

开关电源的电路组成：开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。

开关电源的电路组成方框图如下：

三、输入电路的原理及常见电路

1、AC输入整流滤波电路原理：

① 防雷电路：当有雷击，产生高压经电网导入电源时，由MOV1、MOV2、MOV3：F1、F2、F3、FDG1组成的电路进行保护。当加在压敏电阻两端的电压超过其工作电压时，其阻值降低，使高压能量消耗在压敏电阻上，若电流过大，F1、F2、F3会烧毁保护后级电路。

② 输入滤波电路：C1、L1、C2、C3组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。当电源开启瞬间，要对C5充电，由于瞬间电流大，加RT1（热敏电阻）就能有效的防止浪涌电流。因瞬时能量全消耗在RT1电阻上，一定时间后温度升高后RT1阻值减小（RT1是负温系数元件），这时它消耗的能量非常小，后级电路可正常工作。

③ 整流滤波电路：交流电压经BRG1整流后，经C5滤波后得到较为纯净的直流电压。若C5容量变小，输出的交流纹波将增大。

2、 DC输入滤波电路原理：

① 输入滤波电路：C1、L1、C2组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。C3、C4为安规电容，L2、L3为差模电感。

② R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7组成抗浪涌电路。在起机的瞬间，由于C6的存在Q2不导通，电流经RT1构成回路。当C6上的电压充至Z1的稳压值时Q2导通。如果C8漏电或后级电路短路现象，在起机的瞬间电流在RT1上产生的压降增大，Q1导通使Q2没有栅极电压不导通，RT1将会在很短的时间烧毁，以保护后级电路。

四、功率变换电路

1、MOS管的工作原理：目前应用最广泛的绝缘栅场效应管是MOSFET（MOS管），是利用半导体表面的电声效应进行工作的。也称为表面场效应器件。由于它的栅极处于不导电状态，所以输入电阻可以大大提高，最高可达105欧姆，MOS管是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。

2、常见的原理图：

3、工作原理：

R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2组成缓冲器，和开关MOS管并接，使开关管电压应力减少，EMI减少，不发生二次击穿。在开关管Q1关断时，变压器的原边线圈易产生尖峰电压和尖峰电流，这些元件组合一起，能很好地吸收尖峰电压和电流。从R3测得的电流峰值信号参与当前工作周波的占空比控制，因此是当前工作周波的电流限制。当R5上的电压达到1V时，UC3842停止工作，开关管Q1立即关断。 R1和Q1中的结电容CGS、CGD一起组成RC网络，电容的充放电直接影响着开关管的开关速度。R1过小，易引起振荡，电磁干扰也会很大；R1过大，会降低开关管的开关速度。Z1通常将MOS管的GS电压限制在18V以下，从而保护了MOS管。

Q1的栅极受控电压为锯形波，当其占空比越大时，Q1导通时间越长，变压器所储存的能量也就越多；当Q1截止时，变压器通过D1、D2、R5、R4、C3释放能量，同时也达到了磁场复位的目的，为变压器的下一次存储、传递能量做好了准备。IC根据输出电压和电流时刻调整着⑥脚锯形波占空比的大小，从而稳定了整机的输出电流和电压。 C4和R6为尖峰电压吸收回路。

4、推挽式功率变换电路： Q1和Q2将轮流导通。

5、有驱动变压器的功率变换电路：T2为驱动变压器，T1为开关变压器，TR1为电流环。

五、输出整流滤波电路

1、正激式整流电路：

T1为开关变压器，其初极和次极的相位同相。D1为整流二极管，D2为续流二极管，R1、C1、R2、C2为削尖峰电路。L1为续流电感，C4、L2、C5组成π型滤波器。

2、反激式整流电路：

T1为开关变压器，其初极和次极的相位同相。D1为整流二极管，D2为续流二极管，R1、C1、R2、C2为削尖峰电路。L1为续流电感，C4、L2、C5组成π型滤波器。

3、反激式整流电路：

4、工作原理：当变压器次级上端为正时，电流经C2、R5、R6、R7使Q2导通，电路构成回路，Q2为整流管。Q1栅极由于处于反偏而截止。当变压器次级下端为正时，电流经C3、R4、R2使Q1导通，Q1为续流管。Q2栅极由于处于反偏而截止。L2为续流电感，C6、L1、C7组成π型滤波器。R1、C1、R9、C4为削尖峰电路。

六、稳压环路原理

1、反馈电路原理图：

2、工作原理：当输出U0升高，经取样电阻R7、R8、R10、VR1分压后，U1③脚电压升高，当其超过U1②脚基准电压后U1①脚输出高电平，使Q1导通，光耦OT1发光二极管发光，光电三极管导通，UC3842①脚电位相应变低，从而改变U1⑥脚输出占空比减小，U0降低。当输出U0降低时，U1③脚电压降低，当其低过U1②脚基准电压后U1①脚输出低电平，Q1不导通，光耦OT1发光二极管不发光，光电三极管不导通，UC3842①脚电位升高，从而改变U1⑥脚输出占空比增大，U0降低。周而复始，从而使输出电压保持稳定。调节VR1可改变输出电压值。反馈环路是影响开关电源稳定性的重要电路。如反馈电阻电容错、漏、虚焊等，会产生自激振荡，故障现象为：波形异常，空、满载振荡，输出电压不稳定等。

七、短路保护电路

1、在输出端短路的情况下，PWM控制电路能够把输出电流限制在一个安全范围内，它可以用多种方法来实现限流电路，当功率限流在短路时不起作用时，只有另增设一部分电路。

2、短路保护电路通常有两种，下图是小功率短路保护电路，其原理简述如下：

当输出电路短路，输出电压消失，光耦OT1不导通，UC3842①脚电压上升至5V左右，R1与R2的分压超过TL431基准，使之导通，UC3842⑦脚VCC电位被拉低，IC停止工作。UC3842停止工作后①脚电位消失，TL431不导通UC3842⑦脚电位上升，UC3842重新启动，周而复始。当短路现象消失后，电路可以自动恢复成正常工作状态。

3、下图是中功率短路保护电路，其原理简述如下：

当输出短路，UC3842①脚电压上升,U1 ③脚电位高于②脚时，比较器翻转①脚输出高电位，给 C1充电，当C1两端电压超过⑤脚基准电压时 U1⑦脚输出低电位，UC3842①脚低于1V，UCC3842 停止工作，输出电压为0V，周而复始，当短路消失后电路正常工作。R2、C1是充放电时间常数，阻值不对时短路保护不起作用。

4、下图是常见的限流、短路保护电路。其工作原理简述如下：

当输出电路短路或过流，变压器原边电流增大，R3 两端电压降增大，③脚电压升高，UC3842⑥脚输出占空比逐渐增大，③脚电压超过1V时，UC3842关闭无输出。

5、下图是用电流互感器取样电流的保护电路

有着功耗小，但成本高和电路较为复杂，其工作原理简述如下：输出电路短路或电流过大，TR1次级线圈感应的电压就越高，当UC3842③脚超过1伏，UC3842 停止工作，周而复始，当短路或过载消失，电路自行恢复。

八、输出端限流保护

上图是常见的输出端限流保护电路，其工作原理简述如上图：当输出电流过大时，RS（锰铜丝）两端电压上升，U1③脚电压高于②脚基准电压，U1①脚输出高电压，Q1导通，光耦发生光电效应，UC3842①脚电压降低，输出电压降低，从而达到输出过载限流的目的。

九、输出过压保护电路的原理

输出过压保护电路的作用是：当输出电压超过设计值时，把输出电压限定在一安全值的范围内。当开关电源内部稳压环路出现故障或者由于用户操作不当引起输出过压现象时，过压保护电路进行保护以防止损坏后级用电设备。

应用最为普遍的过压保护电路有如下几种：

1、可控硅触发保护电路：

如上图，当Uo1输出升高，稳压管（Z3）击穿导通，可控硅（SCR1）的控制端得到触发电压，因此可控硅导通。Uo2电压对地短路，过流保护电路或短路保护电路就会工作，停止整个电源电路的工作。当输出过压现象排除，可控硅的控制端触发电压通过R对地泄放，可控硅恢复断开状态

2、光电耦合保护电路：

如上图，当Uo有过压现象时，稳压管击穿导通，经光耦（OT2）R6到地产生电流流过，光电耦合器的发光二极管发光，从而使光电耦合器的光敏三极管导通。Q1基极得电导通， 3842的③脚电降低，使IC关闭，停止整个电源的工作，Uo为零，周而复始，。

3、输出限压保护电路：输出限压保护电路如下图，当输出电压升高，稳压管导通光耦导通，Q1基极有驱动电压而道通，UC3842③电压升高，输出降低，稳压管不导通，UC3842③电压降低，输出电压升高。周而复始，输出电压将稳定在一范围内（取决于稳压管的稳压值）。

4、输出过压锁死电路：

5、工作原理

输入电压经L1、L2、L3等组成的EMI滤波器，BRG1整流一路送PFC电感，另一路经R1、R2分压后送入PFC控制器作为输入电压的取样，用以调整控制信号的占空比，即改变Q1的导通和关断时间，稳定PFC输出电压。L4是PFC电感，它在Q1导通时储存能量，在Q1关断时施放能量。D1是启动二极管。D2是PFC整流二极管，C6、C7滤波。PFC电压一路送后级电路，另一路经R3、R4分压后送入PFC控制器作为PFC输出电压的取样，用以调整控制信号的占空比，稳定PFC输出电压。

十一、输入过欠压保护

1、原理图：

2、工作原理

AC输入和DC输入的开关电源的输入过欠压保护原理大致相同。保护电路的取样电压均来自输入滤波后的电压。取样电压分为两路，一路经R1、R2、R3、R4分压后输入比较器3脚，如取样电压高于2脚基准电压，比较器1脚输出高电平去控制主控制器使其关断，电源无输出。另一路经R7、R8、R9、R10分压后输入比较器6脚，如取样电压低于5脚基准电压，比较器7脚输出高电平去控制主控制器使其关断，电源无输出。

来源：网络整理

开关电源9个电路设计项目分享，原理图，PCB，应用说明

应用实例（1）

一种简单的三段式铅酸电池充电器控制电路：

本PCB文件是由上图原理（没有继电器电路）设计的12V/4A简单的三段式充电器。

应用实例（2）

简单的单颗TL431限流恒压控制方法：

当电流增大时TL431-1的电位被太高，从而起到现在电流的功能，因为R3的存在对输出电压进行了补偿。所以基本上可以做到限流稳压功能为一体，具有相对的成本优势。

应用实例（3）

一种低压氙气灯电源启动电路：

此电路是一个限制输出功率的半桥电路，利用电容限制电流的方法。（调节VR2可以得到不同的启动电压值，调节VR1可以得到不同的输出电流来匹配不同的低压氙气灯的搭配）。

输出两个绕组，第一个是能够提供27V30A的主绕组，第二个是能够提供140V启动电压，经过串联在整流二极管前面的电容来限制启动机电流<0.5A电流的。当开机时输出电压根据辅助绕组的反馈电压，开环状态启动绕组电压被限制到140V左右，氙气灯在高达140V电压立即启动后，由于高压绕组的串联电容存在，这个电流无法高起来。而一旦氙气灯启动，此电压被迫同步拉低到主绕组电压27V左右，因为前端互感器电流采样使得输出功率受限制，所以27V的电压不会被抬高。

因为串联电容限制电流达到同步启动的方法使得电路必须工作在固定频率下，而输入电压范围也不能偏差太高。一般在5%范围内变化不会影响氙气灯的正常工作。

此电路的特点就是有效解决同步启动的问题，实现自然同步比软件控制更为可靠。

氙气灯的启动特点就是要求必须完全同步，如果电压低就无法启动。但一旦启动后电流就必须在电流上来的同时电压要降低到24V-28V，过高就会出现灯管爆炸的危险，电流低于25A就会熄灭。而熄灭后不能立即重新启动。应用这一方法得以有效且低成本的满足要求。

应用实例（4）

一种波形比较理想的变压器隔离驱动电路：

波形比较理想的变压器隔离驱动应用实例：

应用实例（5）

偏小变压器反激开关电源设计之参考建议本案例是EC-2828变压器全电压输入，输出功率60W。

EC-2828变压器全电压输入，输出功率60W。

对于偏小磁芯变压器的设计：主要有磁芯Ae面积偏小的问题，将会带来初级圈数偏多的现象。可以适当提高工作频率，本案例工作频率在70KHz-75KHz。由于圈数偏多初次级的耦合将会更有利。所以VCC绕组电压在短路瞬间会上冲到比较高的状态，本案例原理图上有可控硅做过压保护功能。而后因为次级绕组的短路耦合到VCC绕组使其电压降低到IC不能启动这个过程是可以实现的。

要做到以上特性：VCC绕组线径必须要小，我个人一般取0.17mm以下，小于0.12会很容易断。这样小的线径谈不上节约铜材，但是可以利用铜线的阻抗来代替很多设计人员习惯在VCC整流二极管上串联小阻值电阻的功能，而且这个利用线圈本身的阻抗对交流的抑制能力在本案例当中更有效，可以防止瞬间冲击而损坏后级电路的功效。

初级与次级主绕组必须是最近相邻的绕组，这样耦合会更有利。

开关电源在MOSFET-D端点工作时候产生的干扰是最大的（也是RCD吸收端与变压器相连的端点），在变压器绕制时建议将他绕在变压器的第一个绕组，并作为起点端，让他藏在变压器最里层，这样后面绕组铜线的屏蔽是有较好抑制干扰效果的。

VCC绕组在计算其圈数时尽量的在IC最低工作电压乘以1.1倍作为误差值，不用考虑铜线的压降，因为启动前电流是非常小的，所以这个电阻并没有多少影响，几乎可以忽略不计。而在电路未启动之前，由于高压端启动电阻的充电，可以将VCC上电容上的电压充到IC启动的电压，一旦电路有问题一下启动不了VCC由于绕组电压的预设值偏低。电路也是不会启动的，一般表现为嗝状态。

为何要按照IC的工作电压低端取值？因为我们次级绕组是与初级绕组相邻绕制的，耦合效果相对而言是最好的。我们做短路试验也是做次级的输出短路，因为耦合效果好，次级短路时VCC在经过短暂的上冲后会快速降低，降到IC的关闭电压时电路得到最好的保护。需要注意这个电压需要高于MOSFET饱和导通1V以上，避免驱动不足。

还有利于降低IC本身的功耗，是否可以提高IC的寿命无法验证，但稳定性应该更高。

应用实例（6）

一种反激双路输出相对稳定的解决方案：