开关电源基本工作原理详解

开关电源基本工作原理详解

引用

CSDN

1.

https://m.blog.csdn.net/mftang/article/details/145576823

概述

开关电源（Switching Power Supply）是一种高效的电能转换装置，其核心是通过半导体开关器件（如MOSFET、IGBT）的高频通断控制，将输入电能转换为稳定的直流输出。以下是其基本工作原理的分步解析：

一、核心组成模块

1. 输入滤波电路

• 作用：滤除电网中的高频干扰，防止电源噪声污染电网。
• 元件：共模电感、X/Y电容。

2. 整流电路

• 作用：将交流输入（AC）转换为脉动直流（DC）。
• 元件：桥式整流器（如GBU806）、高压滤波电容（如450V电解电容）。

3. 开关元件与拓扑结构

• 常见拓扑：
• Buck（降压）：输入电压 > 输出电压
• Boost（升压）：输入电压 < 输出电压
• Flyback（反激）：隔离型，适用于小功率（如充电器）
• LLC谐振：高效大功率（如PC电源）
• 开关器件：MOSFET（高频低损耗）、IGBT（高压大电流）。

4. 高频变压器/电感

• 作用：能量存储与传递，实现电压变换/隔离（仅隔离拓扑需要）。

5. 控制电路

• 功能：生成PWM信号，调节开关占空比以稳定输出。
• 核心芯片：如UC3842（电流模式PWM控制器）、TL494（电压模式控制器）。

6. 输出整流滤波

• 作用：将高频脉冲转换为平滑直流。
• 元件：快恢复二极管（如FR107）、同步整流MOS、LC滤波网络。

7. 反馈与保护

• 电压反馈：光耦（如PC817）+ 基准源（如TL431）构成闭环控制。
• 保护机制：过压保护（OVP）、过流保护（OCP）、过温保护（OTP）。

二、工作流程（以反激式拓扑为例）

1. 开关导通阶段

• 开关管（如MOSFET）导通，输入电压施加在变压器一次侧。
• 一次侧电流线性上升，变压器储存磁能：
• 二次侧二极管因反向偏置截止，负载由输出电容供电。

2. 开关关断阶段

• 开关管关断，一次侧电流突变为零，变压器磁场能量通过二次侧释放。
• 二次侧二极管正向导通，电流向负载和电容供电。
• 输出电容储能并平滑电压波动。

3. PWM调节与稳压

• 输出电压经分压电阻采样，与基准电压（如2.5V）比较。
• 误差信号通过光耦反馈至PWM控制器，调整占空比 ：
• 占空比增大 → 输出电压升高；占空比减小 → 输出电压降低。

三、关键公式与参数

1. 输出电压计算（反激式）

2. 开关频率与效率

四、设计要点与优化

1. 磁性元件设计

• 变压器：选用高磁导率磁芯（如PC40），计算匝数避免饱和。
• 电感：Buck/Boost拓扑需计算临界电感值：

2. 开关损耗与散热
   

3. EMI抑制

• 输入端：π型滤波、共模扼流圈。
• 布局：缩短高频回路，大面积铺地。
• 屏蔽：变压器加铜箔屏蔽层。

五、典型应用场景

1. 消费电子：手机充电器（Flyback）、笔记本电脑适配器（LLC）。
2. 工业设备：PLC控制器电源（Forward）、电机驱动（Buck）。
3. 新能源：光伏逆变器（Boost）、电动汽车车载充电机（PFC+LLC）。

总结

开关电源通过高频开关动作实现高效能量转换，其性能优势体现在效率高、体积小、适应宽输入范围。设计需平衡开关频率、磁性元件尺寸与损耗，同时需重视EMC和热管理。理解拓扑结构选择与闭环控制机制是掌握开关电源设计的核心。