开关电源工作原理

一、开关电源工作原理
ATX开关电源原理框图：
简述上图工作原理：
220V交流电经过一、二级EMI滤波后变成纯50Hz全桥整流滤波后，交流电输出300V直流电压。300V主开关管、主开关变压器、待机电源开关管、待机电源开关变压器同时增加直流电压。主电源开关变压器上没有电压输出，因为此时主开关管没有开关信号，处于截止状态V至 3.3V，5组电压均无电压输出。1
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但我们也注意到，300V直流电加入待机电源开关管和待机电源开关变压器后，由于待机电源开关管设计为自激振荡模式，待机电源开关管立即开始工作，在待机电源开关变压器二次输出两组交流电压。 5VSB和 22V电压， 22V电压是专门控制的IC供电的。 5VSB将待机电压添加到主板上。
当用户按下机箱时Power按钮启动后，(绿色)色线处于低电平，主控IC内部振荡电路立即启动，产生脉冲信号。推管放大后，脉冲信号通过推变压器添加到主开关管的基底，使主开关管处于高频开关状态。主开关变压器输出各组电压，通过整流和滤波获得各组直流电压，输出到主板。但此时主板上CPU还没开始，一定要等 5V电压从零上升到95%后，IC检测到 5V上升到4.75V时，IC发出P.G信号，使CPU启动，计算机正常工作。用户关机时，绿线处于高电平，IC内部立即停止振荡，主开关管因无脉冲信号而停止工作。-12至 3.每组电压降至零。电源处于待机状态。
输出电压的稳定性取决于脉冲宽度的变化，称为脉冲宽度调制PWM。从高压直流到低压多路直流的过程也可以称为DC-DC转换是开关电源的核心技术。开关转换的显著优点是大大提高了电能转换效率，是典型的PC电源效率为70—75%，而相应的线性稳压电源的效率仅有50%左右。
二是保护电路的工作原理
正常使用时，当IC检测测到负载处于短路、过流、过压、欠压、过载等状态时，IC内部发出信号，停止内部振荡，主开关管因无脉冲信而停止工作。从而达到保护电源的目的。
从以上原理可以看出，即使我们关掉电脑，如果不切断交流输入端，待机电源一直在工作，电源仍然有5到10瓦的功耗。
三、内部电路结构
内部电路分为抗干扰电路、整流滤波电路、开关电路、保护电路、输出电路等。
(1)电源输入插座后，由线圈和电容组成的抗干扰电路抗干扰电路(如图1所示），它可以过滤电源线上的高频杂波和同相干扰信号，形成电源抗电磁干扰的第一道防线。由于这部分电路不影响电源的正常工作，许多便宜的电源将被省略。随着3C在这一部分，认证制度的实施开始增加PFC(功率因数校正)电路，3C认证的电脑电源，必须增加PFC电路。PFC电路可减少对电网的谐波污染和干扰。
PFC有两种电路：有源PFC和无源PFC。无源PFC交流输入的基波电流与电压之间的相位差一般采用电感补偿法降低，以提高功率因数PFC由电感电容器和电子元件组成，功率因数较高，但成本较高。有源PFC电路损耗低，可靠性高，因此，可以获得高度稳定的输出电压PFC不需要大容量的滤波电容。PFC已经提到了电路的正面PFC，PFC电路称为功率因素校正电路，功率因素越高，电能利用率越高。PFC电路有两种方式源电路：PFC(对称为被动式PFC）和有源PFC（主动式PFC）。
无源PFC
无源PFC：交流输入的基波电流与电压的相位差通过沉重的工频电感来弥补，强迫电流与电压相位一致。PFC效率低，一般只有65%-70%，工频电感大而笨重，但由于成本低，很多ATX这种方式用于电源(见上图)。
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有源PFC
有源PFC：有源PFC由电子元件组成，体积小，重量轻，通过专用IC调整电流波形相位，效率大大提高，达95%以上。采用有源PFC通常输入端只有一个高压滤波电容器，同时由于有源PFC它可以作为辅助电源，因此可以节省待机电源，并使用有源电源PFC电源输出电压纹波很小。但由于有源PFC成本高，所以通常只能在高级应用中看到。如下图所示：
实物图如下图所示：4
（二）EMI滤波电路
EMI滤波器的主要功能是过滤外部电网高频脉冲对电源的干扰，减少开关电源本身对外部电磁的干扰。事实上，它是利电感和电容的特点，使频率为50Hz大约交流电可以顺利通过滤波器，但高于50Hz上述高频干扰杂波被滤波器过滤掉，因此它有另一个名称，将被过滤掉EMI滤波器称为低通滤波器(彩电称)，其含义是低频可以通过，高频可以过滤。下面是EMI滤波电路线路图：
上图中的C1和L1组成第一级EMI滤波，C2、C3、C4与L组成二次滤波器。实物图如下图所示：5
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一级EMI滤波电路7
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二级EMI滤波电路
两道EMI所有滤波电路都在做PCB板上的[下图]
在优质电源中，都有两道EMI滤波电路，路在电源插座处，另一路在电源处PCB板上(也有两个EMI所有滤波电路都在做PCB板上的情况)，这两条路EMI电路能很好地过滤掉电网中的高频杂波和同相干扰电流，同时将电源中产生的电磁辐射降到最低，泄漏到电源外的电磁辐射不会对人体或其他设备产生不良影响。劣质电源通常节省第一级EMI滤波电路，甚至是第二级EMI还节省了滤波电路。
省掉了第一道EMI（如下图）9
(三)整流滤波电路
整流滤波电路由一个全桥和两个高压电解电容组成。桥内有四个二极管，负责将交流电转换为直流电。整流后的直流电波动很大。为了获得稳定的电压，需要使用滤波器电容器滤波。滤波后，电压相对稳定。整流桥的耐压性一般为600V以上，根据输出功率选择最大电流，桥后两个高筒元件为高压电解电容，其作用是去除电流中的杂波，输出稳定的直流，滤波电容的容量与滤波效果密切相关。大容量高压电解电容器一般为470μF以上，如果作者的电源使用680μF容量高压电容(如图2所示）。大容量高压电解电容器一般为470μF以上，如果作者的电源使用680μF容量高压电容(如图2所示）。10
(4)桥式整流和滤波
将输入端的交流电转换为脉冲直流电有两种类型，一种是由四个二极管组成的桥式整流电路；另一种是将四个二极管包装在一起。两种连接效果相同，二极管的正导电流不小于1A，反向击穿电压不小于7000V。
高压滤波器主要由电容器组成，一般有两个电容器：200W电源，电容≥330uF；250W电源，电容≥470uF；300W电源，电容≥680uF。如图所示：
上图，L1和C3组成无源PFC电路，C1、C二是滤波电容器。实物图如下图所示：11
高压滤波电容器12
低压滤波电容器13
低容量滤波电容用于降低成本，如200W只用220uF，300W只用470uF，甚至使用旧电容器来降低成本。PFC电感不足或省略PFC。
(五)开关电路
开关电路是电源的核心部分。主要由开关管，PWM由控制芯片、开关变压器和高频整流二极管组成。由开关管和PWM控制芯片形成振荡电路，产生高频脉冲，通过开关变压器获得多组输出，通过高频整流二极管整流获得不同的电压（如图3所示））。开关电路的输出端和输入端有反馈电路，因此电路可根据输出端反馈信号自动调整振荡频率，从而影响输出电压。当输出电压过高时，反馈信号会降低振荡频率，因此，输出电压也，反之亦然。通常电压功率大，开关变压器的体积也会更大。PWM控制芯片用于驱动开关管输出的工作电压，通常是控制芯片的型号TL494或相同的功能KA7500B（如图4），辅助电路还包括基准电压电路、取样电路、比较电流和保护电路。14
由于开关电源的开关管只在开和关两种状态下工作，关闭时几乎不消耗功率，而且开的时候因为自身压降很小，因此，它自身的损失也很小，这就是开关电源热量低、效率高的原因。高频开关变压器也是整个电路的核心部件（如图5所示））。
高频开关变压器降压后的电流也应采用二极管和电容器进行整流和滤波，但整流时的工作频率很高，必须使用具有快速恢复功能的肖特基整流二极管。普通的整流二极管很难做到这一点。整流部分使用的电容不仅容量大，而且交流电阻低，否则无法过滤电流中的高频交流成分。
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还可以看到一两个带有磁心的巨大电感线圈，与滤波器电容器一起过滤高频交流成分，以确保纯直流输出（如图6所示）。高质量的电源电感线圈不仅尺寸大，而且绕线也很规范。而且劣质电源的线圈很小，绕线不规则，附近的滤波电容也很小。
开关三极管和开关变压器是开关电源的核心部件，需要独立的脉冲信号振荡器，ATX电源主开关管采用这种方式)使开关三极管饱和、截止(即开关)，从而在开关变压器的副绕组上感应高频电压，然后在整流、滤波、稳压后输出各种直流电压。因此，开关三极管和开关变压器的质量直接影响电源的质量和使用寿命，特别是开关三极管，在高反压状态下工作，没有足够的保护电路，容易破坏和燃烧。以下散热器为开关三极管：16
(六)保护电路
有些电源有四种保护电路，即过流、过压、过载和短路保护。
1、输入端过压保护
高压滤波电路边缘有两个蓝色压敏电阻，其耐压值为270V，当前电压超过27V时，压敏电阻就会被击穿，从而保护电源其它电路以及电脑配件的安全。
二、输入端过流保护
第二道EMI在滤波电容旁边，会有一根保险丝，当瞬时电流很大时，保险丝就会熔断，从而保护电源和电脑。
3、输出端过流保护17
过电流会损坏电源和附件。在下图中，控制电路线连接到控制电路部分和驱动变压器。当控制电路监测输出端电流过大时，驱动变压器将通过导线反馈到驱动变压器，并关闭电源的输出。
4、输出端过压保护
输出端输出过高的电压会对计算机配件造成致命损坏。因此，防止输出过压是一个非常重要的功能。一些稳压管分布在岩石355输出端的控制电路中。当比较器检测到的输出电压与基准电压偏差较大时，稳压管将调整电压。
5、输出端过载保护&nbp;18
电源是能量的转换设备，而不是像电池是存储能量的设备，因此其输出不受额定功率的限制，比如额定150W的电源，可以提供200W甚至更高的功率，但此时输出电压将出现很大的波动，跌出正常的5%的范围，并且产生的热量甚至可以烧毁电源，因此不设过载保护的电源是危险的。
过载保护的机理与过流保护一样，也是由控制电路和驱动变压器进行的。
6、 输出端短路保护
输出端短路时，LM339N的比较器会侦测到电流的变化，并通过驱动变压器、PWM关断开关管的输出。
7、 温度控制
电脑电源的转换效率通常在70~80%之间，这就意味着相当一部分能量将转化为热量，热量积聚在电源中不能及时散发，会使电源局部温度过高，从而对电源造成伤害。一些电源设计了温控电路，散热片附近的温度探头会检测电源内部温度，并智能调整风扇转速，对电源内部温度进行控制。 19
电源不仅要保证输出到电脑配件的功率，还必须保证输出的质量。
稳压电路通常是从电源输出端的输出电压取样出部分电压与标准电压作比较，比较出的差值经过放大后去调节开关管的所占空比。从而达到电压的稳定。保护电路作用是通过检测各端输出电压或电流的变化，当输出端发生短路、过压、过流、过载、欠压等现象时，保护电路动作，切断开关管的激励信号，使开关管停振，输出电压和电流为零。起到保护作用。稳压、保护、振荡电路、控制电路均集成在一块IC上如图：
电源的散热风扇不仅可以冷却电源内部元件，而且可以起到冷却整个系统的作用，但要定期清洁，如果使用中感觉风扇噪音变大，应清理里面的灰尘（或换一个质量好的风扇）以提高电源工作时的稳定性。
（七）电源的性能指标
在购买电源时要特别注意一下电源表面的标签标有的电源功率大小、交流输入电压和直流输出电压的详细指标。此外，还要注意一下电源的认证情况，进口电源还标有国际认证的FCC A 和FCC B 标准，在国内也有国标A （工业级）和国标B 级（家用电器级）标准，中国电子工业合格产品标准， 长城
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认证电源、3 C 认证等权威认证（如图8 ）。
1、电源的功率
电源能够输出的功率，与开关管、开关变压器、电源的散热设计都有关系，其中，开关管是关键部件。三极管输出电流越大、内阻越小，电源输出的功率就会越大。使用两个KSE13007三极管作为开关管，采用TO-220的封装，个头较小，使用这种元件的电源其输出功率一般只能最大输出200到250W；而使用TO-03封装的2SC2625三极管的电源可以提供250～300W的输出功率，这种三极管的个头要大一些，所以通过三极管外形的识别也能够快速的区分电源最大输出功率的高低。还有很多电源采用13009三极管，通常用在250~300W的电源上。
2、电压的波动
电压的波动与电源的负载有很大关系，随着硬件数量的增加，耗电量也随之增加，电源各个输出端的输出电流也会明显增加，而电源固有的内阻将会损耗掉部分能量而导致输出电压逐渐降低，当负载超过电源的限度时其输出电压就会产生明显的下降，所以我们可以从电源的各个输出端电压值下降的幅度来判断电源是否已经出现功率不足的情况。
    为了保证输出电压的稳定，ATX电源内部设计了一套补偿电路，能够根据输出电压下跌的幅度自动进行补偿来抵消输出电压的下降，但通常ATX电源并没有为每一路输出电压提供单独的稳压电路，而是同时补偿，比如+3.3V、+5V和+12V中的+5V因为负载太大而导致输出电压开始下降，电源会同时增加这三路的输出电压，并不会单独对+5V进行控制，其结果必然导致+3.3V和+12V的输出电压过渡补偿而超过额定的电压，当电源设计欠佳或输出功率不足时这种特有的现象就更加明显！
BIOS显示的电压以及一些检测软件检测的电压，往往与实际电压并不完全相等，其间存在着一定的误差，而且这种误差随着负载的增加而逐渐加大，开始时只有0.05～0.1V，到后来就增加到0.1～0.25V，所以大家不能完全信任主板监控得到的电压的大小，还是使用万用表测量更加准确。
不过大家还是可以通过BIOS中轻重负载下电压变化的幅度来了解电源的情况，如果出现电压大跌大涨时同样说明电源的功率可能已经不足了。另外要注意的是，不同主板上BIOS显示的电压与实际电压的误差大小也不完全相同，有的主板上即使在轻负载下也有0.2V甚至更大的误差。
（八）细节部分
了解电源的品质，往往有些地方容易被我们忽视。
电源盖壳上的×××马拉胶，为什么会有这么一条胶带呢？这是因为电源PCB板边缘与底座的铁板距离非常近，在使用时可能产生高压打火，贴上一条马拉胶可以防止高压打火。
黑色的“结”是一个磁环。电源内部有一些线圈，电流流过是会产生交变的磁场并向外辐射，而这个磁环就是来抵消磁场产生的电磁辐射的。其实在一些做工很不错的机箱中也可以见到这个东西。
散热片旁边的透明塑料隔离可以防止元器件之间意外接触散热片发生故障等。除了以上的细节外，电源内部采用的固定胶水、焊点等也会影响电源的寿命。