当前位置： 绝缘栅 >> 绝缘栅优势 >> 开关电源工作原理及各功能电路详解
开关电源作为一种高效、稳定的电源解决方案，其应用领域广泛。在工业自动化控制、军工设备、科研设备等领域，开关电源发挥着不可或缺的作用。同时，它也广泛应用于LED照明、工控设备、通讯设备等众多领域，为各种电子设备提供稳定的电力支持。
二、开关电源的工作原理与各功能电路详解开关电源的电路构成主要包括：输入电磁干扰滤波器（EMI），其作用是减少外界对电源的干扰；整流滤波电路，将交流电转换为直流电；功率变换电路，实现电压的转换；PWM控制器电路，负责控制开关管的通断；以及输出整流滤波电路，进一步对电压进行平滑处理。此外，还有一系列辅助电路，如输入过欠压保护、输出过欠压保护、过流保护和短路保护等，确保电源的安全稳定运行。
三、输入电路的工作原理与常见类型输入电路是开关电源中不可或缺的一部分，其作用在于接收外部电源，并对其进行初步的处理。常见的输入电路类型包括交流输入电路和直流输入电路。交流输入电路主要负责将市电或其它交流电源转换为适合电源内部处理的电压范围；而直流输入电路则直接提供稳定的直流电源，以满足电源的供电需求。、交流输入整流滤波电路的工作原理：交流输入整流滤波电路是输入电路中的一种，其核心作用在于将市电或其它交流电源进行整流和滤波，从而得到适合电源内部处理的直流电压。整流过程是将交流电转换为直流电，而滤波则是为了进一步净化直流电，确保其稳定性和可靠性。通过这一电路，开关电源能够有效地接收并处理外部交流电源，为其内部的电路和设备提供所需的直流供电。①防雷电路：在遭遇雷击等高压情况时，电网中的高压会通过MOV、MOV2、MOV3，以及F、F2、F3和FDG等组件构成的电路进行保护。当压敏电阻两端的电压超过其工作范围，其阻值会降低，从而将高压能量消耗在电阻上。若电流过大，F、F2、F3会进行烧毁以保护后级电路。
②输入滤波电路：C、L、C2、C3组成的双π型滤波网络，主要作用是抑制输入电源中的电磁噪声和杂波信号，以防止它们对电源造成干扰。同时，该电路也阻止电源产生的高频杂波对电网造成干扰。在电源启动瞬间，C5需要充电，此时瞬间电流可能较大。为了防止浪涌电流，加入RT（热敏电阻）可以有效地进行控制。由于瞬时能量全部消耗在RT电阻上，随着温度升高，RT的阻值会逐渐减小（RT是负温系数元件），从而减小能量消耗，确保后级电路能够正常工作。
③整流滤波电路：交流电压经过BRG整流后，再经过C5滤波，即可得到较为纯净的直流电压。若C5的容量减小，输出的交流纹波将会增大。
接下来，我们将探讨DC输入滤波电路的工作原理。①输入滤波电路：C、L、C2构成的双π型滤波网络，其核心作用是滤除输入电源中的电磁噪声和杂波信号，从而确保电源的稳定运行，并防止其产生的高频杂波对电网造成干扰。此外，C3、C4作为安规电容，而L2、L3则为差模电感，它们共同构成了更为完善的滤波系统。
②抗浪涌电路：由R、R2、R3、Z、C6、Q、Z2、R4、R5、Q2、RT、C7等一系列组件精心构成。其功能是在电源启动瞬间，通过RT电阻对浪涌电流进行限制，确保后级电路的安全。一旦C8出现漏电或后级电路发生短路，RT上的压降会迅速增大，触发Q导通，进而使Q2因缺乏栅极电压而无法导通。此时，RT将在极短时间内烧毁，从而有效地保护后级电路。
接下来，我们将进一步探讨功率变换电路的工作原理。、MOS管的工作原理：MOSFET（MOS管），作为当前应用最为广泛的绝缘栅场效应管，其工作原理基于半导体表面的电声效应。这种器件也被称作表面场效应器件，因其栅极在不导电状态下的高输入电阻特性，最高可达05欧姆。通过改变栅源电压的大小，MOS管能够调控半导体表面感生电荷的数量，进而精确控制漏极电流的强度。
2、常见的原理图：由于篇幅限制，这里无法直接展示常见的原理图。但您可以通过查阅相关电子工程教材或专业网站，获取更详细的MOS管工作原理图和电路分析。3、工作原理详解：R4、C3、R5、R6、C4、D和D2共同构成缓冲器，与开关MOS管并联，旨在减轻开关管所承受的电压应力，降低电磁干扰（EMI），并防止二次击穿现象。当开关管Q处于关断状态时，变压器的原边线圈容易产生尖峰电压和电流，但这些精心设计的元件能有效吸收这些尖峰。
同时，从R3测得的电流峰值信号被用于当前工作周波的占空比控制，从而实现电流限制。一旦R5上的电压达到V，UC将停止工作，进而立即关断开关管Q。此外，R与Q中的结电容CGS、CGD共同组成RC网络，其充放电特性直接影响开关管的切换速度。若R阻值过小，可能引发振荡并增加电磁干扰；而阻值过大则会降低开关速度。
Z的作用是将MOS管的GS电压限制在8V以下，从而确保MOS管的安全。Q的栅极受控电压为锯形波，其占空比越大，Q的导通时间越长，变压器积累的能量也就越多。当Q截止时，变压器通过D、D2、R5、R4和C3释放能量，同时实现磁场复位，为下一次能量存储和传递做好准备。
IC则根据输出电压和电流实时调整⑥脚锯形波的占空比，从而维持整机输出电流和电压的稳定。而C4和R6则构成尖峰电压吸收回路，进一步保护电路免受尖峰电压的影响。4、推挽式功率变换电路特点：Q与Q2交替导通。5、包含驱动变压器的功率变换电路：T2担任驱动变压器的角色，T则为开关变压器，而TR负责电流环的构建。
四、输出整流与滤波电路在功率变换电路中，除了驱动变压器外，还需要考虑输出整流与滤波的环节。这一部分电路的作用是对变换后的电压进行整流和滤波，以确保输出电压的稳定性和准确性。整流电路将交流电转换为直流电，而滤波电路则进一步减少直流电中的纹波成分，提高输出电压的质量。、正激式整流电路：
正激式整流电路是一种常用的整流方式，其特点在于通过正激式变压器将交流电转换为直流电。在此过程中，整流二极管将变压器的次级输出进行整流，从而得到所需的直流电压。此外，正激式整流电路还具有结构简单、成本低廉等优点，因此在许多应用场合中得到了广泛使用。T作为开关变压器，其初极与次极的相位保持一致。D为整流二极管，负责将变压器的次级输出进行整流，以获取所需的直流电压。同时，D2作为续流二极管，在电路中起到续流的作用。而R、C、R2、C2则构成了削尖峰电路，用于进一步优化电路性能。此外，L作为续流电感，与C4、L2、C5共同组成了一个π型滤波器，旨在减少电路中的电磁干扰和电压波动。2、反激式整流电路的工作原理：
在反激式整流电路中，当开关T导通时，其初极与次极的相位保持一致，从而在次级产生感应电动势。此时，整流二极管D导通，将感应电动势整流为直流电压，为负载提供所需的电能。当开关T关断时，次级感应电动势的方向发生变化，续流二极管D2开始工作，确保电流的连续性。同时，削尖峰电路由R、C、R2、C2组成，用于吸收电路中的尖峰电压，进一步优化电路性能。此外，续流电感L与C4、L2、C5共同构成的π型滤波器，能有效减少电磁干扰和电压波动，确保电路的稳定运行。T作为开关变压器，其初极与次极的相位保持一致。整流二极管D负责将感应电动势转化为直流电压，为负载提供所需电能。在开关T关断时，续流二极管D2开始工作，确保电流的连续性。此外，削尖峰电路由R、C、R2、C2组成，旨在吸收电路中的尖峰电压，优化电路性能。同时，续流电感L与C4、L2、C5共同构成的π型滤波器，可有效减少电磁干扰和电压波动，确保电路的稳定运行。3、反激式整流电路的工作原理：在反激式整流电路中，当开关T闭合时，其初极与次极的相位保持一致，从而在次极感应出电动势。整流二极管D随后将此感应电动势转化为直流电压，为负载提供稳定的电能。而在开关T断开时，续流二极管D2开始发挥作用，确保电流的顺畅连续。此外，削尖峰电路由R、C、R2、C2构成，其作用是吸收电路中产生的尖峰电压，进而优化电路的整体性能。同时，续流电感L与C4、L2、C5共同组成的π型滤波器，能够有效地减少电磁干扰和电压波动，为电路的稳定运行提供有力保障。4、工作原理详解：
在反激式整流电路中，当变压器次级上端为正时，电流会依次经过C2、R5、R6、R7，从而使得Q2整流管导通，构成回路。此时，Q栅极因反偏而处于截止状态。相反，当变压器次级下端为正时，电流则会经过C3、R4、R2，导致Q续流管导通，而Q2栅极同样因反偏而截止。续流电感L2与C6、L、C7共同组成的π型滤波器，有效减少了电磁干扰和电压波动，确保了电路的稳定运行。此外，R、C、R9、C4构成了削尖峰电路，其作用是吸收电路中产生的尖峰电压，进一步优化了电路的整体性能。、反馈电路原理简述：
在反激式整流电路中，反馈电路起着至关重要的作用。它通过监测输出电压的变化，并据此调整占空比，从而实现对输出电压的精确控制。具体来说，当输出电压低于设定值时，反馈电路会增大PWM信号的占空比，使变压器次级获得更多的能量，进而提升输出电压；反之，则会减小占空比，以减少能量输入，降低输出电压。通过这种方式，反馈电路确保了输出电压的稳定性和准确性。2、工作原理详解：当输出电压U0上升时，经过取样电阻R7、R8、R0、VR的分压作用，U③脚的电压也会相应升高。一旦这个电压超过U②脚的基准电压，U①脚便会输出高电平，导致Q导通。这时，光耦OT的发光二极管开始发光，进而使光电三极管导通。这一连串的反应会导致UC①脚的电位降低，从而改变U⑥脚的输出占空比，使U0降低。
相反，当输出电压U0下降时，U③脚的电压也会随之降低。一旦这个电压低于U②脚的基准电压，U①脚便会输出低电平，Q不导通。随之，光耦OT的发光二极管不发光，光电三极管也不导通。这将导致UC①脚的电位升高，进而改变U⑥脚的输出占空比，使U0升高。
这样，通过一系列的反馈和调节，输出电压能够保持在一个相对稳定的水平。同时，我们可以通过调节VR来改变输出电压的具体数值。值得注意的是，反馈环路是开关电源稳定性的关键。任何反馈电阻或电容的错误、漏接或虚焊都可能导致自激振荡，进而引发波形异常、空载或满载振荡以及输出电压的不稳定等问题。、在输出端发生短路时，PWM控制电路能够通过多种方法将输出电流限制在安全范围内，实现限流功能。若功率限流在短路时无法发挥作用，则需额外增设一部分电路来确保安全性。
2、短路保护电路通常有两种类型。以下展示的是小功率短路保护电路的原理：当输出电路发生短路，导致输出电压消失，光耦OT无法导通。此时，UC①脚的电压会上升至约5V，R与R2的分压超过TL43的基准电压，从而使之导通。这将导致UC⑦脚VCC的电位被拉低，进而使IC停止工作。在UC停止工作后，①脚的电位消失，TL43不再导通，UC⑦脚电位上升，UC重新启动，如此往复。一旦短路现象解除，电路将自动恢复至正常工作状态。3、中功率短路保护电路的原理简述：当输出电路发生短路时，输出电压会消失，导致光耦OT无法导通。此时，UC①脚的电压会升高至约5V，进而使得R与R2的分压超过TL43的基准电压，从而触发TL43的导通。这将导致UC⑦脚VCC的电位被拉低，使IC停止工作。在UC停止工作后，①脚的电位会消失，使得TL43不再导通，UC⑦脚电位随后上升，UC重新启动。这一系列动作将持续进行，直到短路现象得到解除，电路才能自动恢复到正常的工作状态。当输出电路发生短路时，UC①脚的电压会升高。同时，如果U③脚的电位高于②脚，那么比较器将会翻转，导致①脚输出高电位，进而给C充电。随着C两端电压的逐渐升高，当其超过U⑤脚的基准电压时，U⑦脚将输出低电位，这使得UC①脚的电压降低至V以下。一旦UC停止工作，输出电压将降为0V。这一系列动作将持续进行，直到短路现象得到解除，电路才能恢复正常工作。值得注意的是，R2和C共同决定了充放电的时间常数，如果它们的阻值不正确，那么短路保护功能将无法发挥作用。4、接下来，我们将简要概述一下常见的限流和短路保护电路的工作原理。这一电路设计旨在保护系统免受电流过载或短路的影响。其核心部件包括UC和U等，通过一系列精密的电压比较和逻辑控制，实现对电路的稳定保护。当输出电路遭遇短路或过流情况时，变压器原边的电流会相应增大，进而导致R3两端的电压降也增大。这种变化会引起UC的③脚电压上升。随着③脚电压超过V，UC的⑥脚输出占空比会逐渐增大，直至UC最终关闭并停止输出。这一系列反应构成了对电路的有效保护，防止系统因电流过载或短路而受损。5、下图所示为采用电流互感器进行取样电流的保护电路。该保护电路以电流互感器取样，虽功耗较低，但成本相对较高且电路较为复杂。其工作原理可简要描述为：在输出电路发生短路或电流超过设定值时，TR次级线圈会感应到较高的电压。一旦UC的③脚电压超过伏，UC便会停止工作，从而切断电流。而当短路或过载情况消失后，电路会自行恢复工作。
五、输出端限流保护措施在电路设计中，输出端的限流保护是一项至关重要的措施。它旨在确保在短路或过载情况下，电路能够及时响应并切断电流，从而保护相关设备和人员的安全。通过合理的限流保护措施，可以有效避免因电流过大而导致的潜在风险。上图展示了一种常见的输出端限流保护电路，其工作原理如下：在电路中，当输出电流超出设定范围时，RS（通常采用锰铜丝）两端的电压会相应上升。这种电压变化会导致U芯片的③脚电压高于②脚的基准电压，进而使U的①脚输出高电压。随后，Q三极管因高电压而导通，触发光耦产生光电效应。这一效应使得UC芯片的①脚电压降低，从而导致输出电压整体下降。这一系列动作的目的是及时限制输出过载电流，实现限流保护。
六、输出过压保护电路的工作原理输出过压保护电路旨在确保输出电压始终处于安全范围内，一旦超过设计值，该电路便会启动保护机制。在开关电源内部稳压环路出现故障或用户操作不当导致输出过压时，此保护电路会迅速作出反应，以防止对后级用电设备造成损害。常见的过压保护电路包括以下几种：、可控硅触发过压保护电路：这种保护电路利用可控硅的触发特性，当输出电压超过设定阈值时，通过触发可控硅来迅速切断电源，从而实现对后级用电设备的保护。其优点在于响应速度快，保护效果好，但需要注意的是，可控硅的触发参数需要根据具体应用场景进行精确调整。当输出电压Uo升高到一定程度，稳压管Z3将被击穿并导通，这时可控硅SCR的控制端会获得一个触发电压，导致可控硅导通。随后，Uo2电压将直接对地短路，从而触发过流保护电路或短路保护电路的动作，使整个电源电路停止工作。一旦输出过压的情况得到解决，可控硅的控制端触发电压会通过电阻R对地泄放，使得可控硅恢复断开状态。2、光电耦合保护电路的工作原理：在电源电路中，光电耦合保护电路扮演着重要的角色。当输出电压Uo超过一定阈值时，稳压管Z3会被击穿并导通，进而在可控硅SCR的控制端产生一个触发电压，导致可控硅导通。此时，Uo2电压将直接对地短路，触发过流或短路保护电路的动作，从而切断电源电路的工作。一旦输出过压的情况得到妥善处理，可控硅的控制端触发电压会通过电阻R对地泄放，使可控硅恢复至断开状态。当输出电压Uo出现过高时，稳压管Z3会被击穿并导通，进而在光电耦合器OT2的控制端产生电流。这个电流经过电阻R6流入地线，使得光电耦合器的发光二极管开始发光。由于发光二极管的光照作用，光电耦合器的光敏三极管会因此导通。导通后，三极管的基极电流会使Q晶体管得电并导通。这一导通状态会导致芯片的③脚电压降低，进而使IC芯片关闭，从而切断整个电源电路的工作，使得Uo电压降为零。这一系列动作会不断重复，形成周而复始的保护机制。3、输出限压保护电路的工作原理：当输出电压升高时，稳压管会导通，进而使得光电耦合器光耦导通。这时，Q晶体管的基极会获得驱动电压而导通，导致UC芯片的③脚电压升高，从而使得输出电压降低。当输出电压降低到一定程度时，稳压管不再导通，光电耦合器光耦也随之关闭。这样，UC芯片的③脚电压降低，输出电压又会相应升高。这一系列动作会不断重复，形成一个周而复始的反馈机制，确保输出电压稳定在一定的范围内，这个范围由稳压管的稳压值所决定。4、输出过压锁死电路的工作原理：当输出电压超过设定值时，电路会启动保护机制，锁死输出，确保设备安全。5、工作原理详解输入电压首先会经过由L、L2、L3等元件组成的EMI滤波器进行初步处理。随后，BRG整流器将其中一路电压送至PFC电感，另一路则通过R、R2分压后，被送入PFC控制器，作为输入电压的取样信号。这个取样信号被用来调整控制信号的占空比，进而改变开关Q的导通与关断时间，确保PFC输出电压的稳定。L4作为PFC电感，在Q导通时储存电能，在Q关断时释放电能，从而实现电压的转换与稳定。D为启动二极管，而D2则是PFC整流二极管，配合C6、C7进行滤波。最后，PFC电压将分为两路，一路直接送往后级电路，另一路则经过R3、R4分压后，再次送入PFC控制器，作为PFC输出电压的取样，进行闭环控制。十一、输入过欠压保护功能当输入电压超过或低于设定范围时，电路会启动过欠压保护功能。这一功能旨在确保电路在异常电压条件下能够安全、稳定地工作，避免因电压波动而导致的潜在损害。、原理示意图：2、工作原理AC输入和DC输入的开关电源，其输入过欠压保护原理是相似的。在保护电路中，取样电压源自输入滤波后的电压。该取样电压被分为两路进行处理。一路经过R、R2、R3、R4的分压后，输入到比较器的3脚。当取样电压高于2脚所提供的基准电压时，比较器的脚会输出高电平，从而控制主控制器，使电源关断，确保无输出。另一路取样电压则经过R7、R8、R9、R0的分压后，输入到比较器的6脚。若取样电压低于5脚所设定的基准电压，比较器的7脚将输出高电平，同样地，这会触发主控制器，使电源关闭，无输出。
