系统介绍开关电源工作原理详解析

电源为了节省成本往往会砍掉重要的MOV元件。对于配备MOV元件电源而言，有无浪涌抑制器已经不重要了，因为电源已经有了抑制浪涌的功能。

　　图8中的L1 and L2是铁素体线圈;C1 and C2为圆盘电容，通常是蓝色的，这些电容通常也叫“Y”电容;C3是金属化聚酯电容，通常容量为100nF、470nF或680nF，也叫“X”电容;有些电源配备了两颗X电容，和市电并联相接，如图8 RV1所示。

　　X电容可以任何一种和市电并联的电容;Y电容一般都是两两配对，需要串联连接到火、零之间并将两个电容的中点通过机箱接地。也就是说，它们是和市电并联的。

　　瞬变滤波电路不仅可以起到给市电滤波的作用，而且可以阻止开关管产生的噪声干扰到同在一根市电上的其他电子设备。

　　一起来看几个实际的例子。如图9所示，你能看到一些奇怪之处吗?这个电源居然没有瞬变滤波电路!这是一款低廉的“山寨”电源。请注意，看看电路板上的标记，瞬变滤波电路本来应该有才对，但是却被丧失良知的黑心JS们带到了市场里。

　　这款低廉的“山寨”电源没有瞬变滤波电路

　　再看图10实物所示，这是一款具备瞬变滤波电路的低端电源，但是正如我们看到的那样，这款电源的瞬变滤波电路省去了重要的MOV压敏电阻，而且只有一个铁素体线圈;不过这款电源配备了一个额外的X电容。

　　低端电源的EMI电路

　　瞬变滤波电路分为一级EMI和二级EMI，很多电源的一级EMI往往会被安置在一个独立的PCB板上，靠近市电接口部分，二级EMI则被安置在电源的主PCB板上，如下图11和12所示。

　　一级EMI配备了一个X电容和一个铁素体电感

　　再看这款电源的二级EMI。在这里我们能看到MOV压敏电阻，尽管它的安置位置有点奇怪，位于第二个铁素体的后面。总体而言，应该说这款电源的EMI电路是非常完整的。

　　完整的二级EMI

　　值得一提的是，以上这款电源的MOV压敏电阻是黄色的，但是事实上大部分MOV都是深蓝色的。

　　此外，这款电源的瞬变滤波电路还配备了保险管(图8中F1所示)。需要注意了，如果你发现保险管内的保险丝已经烧断了，那么可以肯定的是，电源内部的某个或者某些元器件是存在缺陷的。如果此时更换保险管的话是没有用的，当你开机之后很可能再次被烧断。

　　第5页：倍压器和一次侧整流电路

　　●倍压器和一次侧整流电路

　　上文已经说过，开关电源主要包括主动式PFC电源和被动式PFC电源，后者没有PFC电路，但是配备了倍压器(voltage doubler)。倍压器采用两颗巨大的电解电容，也就是说，如果你在电源内部看到两颗大号电容的话，那基本可以判断出这就是电源的倍压器。前面我们已经提到，倍压器只适合于127V电压的地区。

　　两颗巨大的电解电容组成的倍压器

　　拆下来看看

　　在倍压器的一侧可以看到整流桥。整流桥可以是由4颗二极管组成，也可以是有单个元器件组成，如图15所示。高端电源的整流桥一般都会安置在专门的散热片上。

　　整流桥

　　在一次侧部分通常还会配备一个NTC热敏电阻——一种可以根据温度的变化改变电阻值的电阻器。NTC热敏电阻是Negative Temperature Coefficient的缩写形式。它的作用主要是用来当温度很低或者很高时重新匹配供电，和陶瓷圆盘电容比较相似，通常是橄榄色。

　　第6页：主动式PFC电路

　　●主动式PFC电路

　　毫无疑问，这种电路仅可以在配有主动PFC电路的电源中才能看到。图16描述的正是典型的PFC电路：

　　主动式PFC电路图

　　主动式PFC电路通常使用两个功率MOSFET开关管。这些开关管一般都会安置在一次侧的散热片上。为了易于理解，我们用在字母标记了每一颗MOSFET开关管：S表示源极(Source)、D表示漏极(Drain)、G表示栅极(Gate)。

　　PFC二极管是一颗功率二极管，通常采用的是和功率晶体管类似的封装技术，两者长的很像，同样被安置在一次侧的散热片上，不过PFC二极管只有两根针脚。

　　PFC电路中的电感是电源中最大的电感;一次侧的滤波电容是主动式PFC电源一次侧部分最大的电解电容。图16中的电阻器是一颗NTC热敏电阻，可以更加温度的变化而改变电阻值，和二级EMI的NTC热敏电阻起相同的作用。

　　主动式PFC控制电路通常基于一颗IC整合电路，有时候这种整合电路同时会负责控制PWM电路(用于控制开关管的闭合)。这种整合电路通常被称为 “PFC/PWM combo”.

　　照旧，先看一些实例。在图17中，我们将一次侧的散热片去除之后可以更好的看到元器件。左侧是瞬变滤波电路的二级EMI电路，上文已经详细介绍过;再看左侧，全部都是主动式PFC电路的组件。由于我们已经将散热片去除，所以在图片上已经看不到PFC晶体管以及PFC二极管了。此外，稍加留意的话可以看到，在整流桥和主动式PFC电路之间有一个X电容(整流桥散热片底部的棕色元件)。通常情况下，外形酷似陶制圆盘电容的橄榄色热敏电阻都会有橡胶皮包裹。

　　主动式PFC元器件

　　图18是一次侧散热片上的元件。这款电源配备了两个MOSFET开关管和主动式PFC电路的功率二极管：

　　开关管、功率二极管

　　下面我们将重点介绍开关管……

　　第7页：开关管

　　●开关管

　　开关电源的开关逆变级可以有多种模式，我们总结了一下几种情况：

　　模式开关管数量二极管数量电容数量变压器针脚

　　单端正激1114

　　双管正激2202

　　半桥2022

　　全桥4002

　　推挽2003

　　当然了，我们只是分析某种模式下到底需要多少元器件，事实上当工程师们在考虑采用哪种模式时还会收到很多因素制约。

　　目前最流行的两种模式时双管正激(two-transistor forward)和全桥式(push-pull)设计，两者均使用了两颗开光管。这些被安置在一次侧散热片上的开光管我们已经在上一页有所介绍，这里就不做过多赘述。

　　以下是这五种模式的设计图：

　　单端正激(Single-transistor forward configuration)

　　双管正激(Two-transistor forward configuration)

　　半桥(Half bridge configuration)

　　全桥(Full bridge configuration)

　　推挽(Push-pull configuration)

　　第8页：变压器和PWM控制电路

　　●变压器和PWM控制电路

　　先前我们已经提到，一太PC电源一般都会配备3个变压器：个头最大的那颗是之前图3、4和图19-23上标示出来的主变压器，它的一次侧与开关管相连，二次侧与整流电路与滤波电路相连，可以提供电源的低压直流输出(+12V，+5V，+3.3V，-12V，-5V)。

　　最小的那颗变压器负载+5VSB输出，通常也成为待机变压器，随时处于“待命状态”，因为这部分输出始终是开启的，即便是PC电源处于关闭状态也是如此。

　　第三个变压器室隔离器，将PWM控制电路和开关管相连。并不是所有的电源都会装备这个变压器，因为有些电源往往会配备具备相同功能的光耦整合电路。

　　变压器

　　这台电源采用的是光耦整合电路，而不是变压器

　　PWM控制电路基于一块整合电路。一般情况下，没有装备主动式PFC的电源都会采用TL494整合电路(下图26中采用的是可兼容的DBL494整合芯片)。具备主动式PFC电路的电源里，有时候也会采用一种用来取代PWM芯片和PFC控制电路的芯片。CM6800芯片就是一个很好的例子，它可以很好的集成PWM芯片和PFC控制电路的所有功能。

　　PWM控制电路

　　第9页：二次侧(一)

　　●二次侧

　　最后要介绍的是二次侧。在二次侧部分，主变压器的输出将会被整流和过滤，然后输出PC所需要的电压。-5 V和–12 V的整流是只需要有普通的二极管就能完成，因为他们不需要高功率和大电流。不过+3.3 V, +5 V以及+12 V等正压的整流任务需要由大功率肖特基整流桥才行。这种肖特基有三个针脚，外形和功率二极管比较相似，但是它们的内部集成了两个大功率二极管。二次侧整流工作能否完成是由电源电路结构决定，一般有可能会有两种整流电路结构，如图27所示：

　　整流模式

　　模式A更多的会被用于低端入门级电源中，这种模式需要从变压器引出三个针脚。模式B则多用于高端电源中，这种模式一般只需要配备两个变压器，但是铁素体电感必须够大才行，所以这种模式成本较高，这也是为什么低端电源不采用这种模式的主要原因。

　　此外，对于高端电源而言，为了提升最大电流输出能力，这些电源往往会采用两颗二极管串联的方式将整流电路的最大电流输出提升一倍。

　　无论是高端还是低端电源，其+12 V和+5 V的输出都配备了完整的整流电路和滤波电路，所以所有的电源至少都需要2组图27所示的整流电路。

　　对于3.3V输出而言，有三种选项可供选择：

　　☆在+5 V输出部分增加一个3.3V的电压稳压器，很多低端电源都是采用的这种设计方案;

　　☆为3.3 V输出增加一个像图27所示的完整的整流电路和滤波电路，但是需要和5 V整流电路共享一个变压器。这是高端电源比较普通的一种设计方案。

　　☆采用一个完整的独立的3.3V整流电路和滤波电路。这种方案非常罕见，仅在少数发烧级顶级电源中才可能出现，比如说安耐美的银河1000W。

　　由于3.3V输出通常是完全公用5V整流电路(常见于低端电源)或者部分共用(常见于高端电源中)，所以说3.3V输出往往会受到5V输出的限制。这就是为什么很多电源要在铭牌中著名“3.3V和5V联合输出”。

　　下图28是一台低端电源的二次侧。这里我们可以看到负责产生PG信号的整合电路。通常情况下，低端电源都会采用LM339整合电路。