開關電源

開關模式電源（Switch Mode Power Supply，簡稱SMPS），又稱交換式電源、開關變換器，是一種高頻化電能轉換裝置，是電源供應器的一種。其功能是將一個位準的電壓，透過不同形式的架構轉換為用戶端所需求的電壓或電流。開關電源的輸入多半是交流電源（例如市電）或是直流電源，而輸出多半是需要直流電源的設備，例如個人電腦，而開關電源就進行兩者之間電壓及電流的轉換。

開關電源不同於線性電源，開關電源利用的切換晶體管多半是在全開模式（飽和區）及全閉模式（截止區）之間切換，這兩個模式都有低耗散的特點，切換之間的轉換會有較高的耗散，但時間很短，因此比較節省能源，產生廢熱較少。理想上，開關電源本身是不會消耗電能的。電壓穩壓是透過調整晶體管導通及斷路的時間來達到。相反的，線性電源在產生輸出電壓的過程中，晶體管工作在放大區，本身也會消耗電能。開關電源的高轉換效率是其一大優點，而且因為開關電源工作頻率高，可以使用小尺寸、輕重量的變壓器，因此開關電源也會比線性電源的尺寸要小，重量也會比較輕。

若電源的高效率、體積及重量是考慮重點時，開關電源比線性電源要好。不過開關電源比較複雜，內部晶體管會頻繁切換，若切換電流尚加以處理，可能會產生雜訊及電磁干擾影響其他設備，而且若開關電源沒有特別設計，其電源功率因數可能不高。

人們在開關電源技術領域是邊開發相關電力電子器件，邊開發開關變頻技術，兩者相互促進推動著開關電源每年以超過兩位數字的增長率向著輕、小、薄、低雜訊、高可靠、抗干擾的方向發展。開關電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類。

微型低功率開關電源

開關電源正在走向大眾化，微型化。開關電源將逐步取代變壓器在生活中的所有應用，低功率微型開關電源的應用要首先體現在，數顯表、智能電錶、手機充電器等方面。現階段國家在大力推廣智能電網建設，對電能表的要求大幅提高，開關電源將逐步取代變壓器在電能表上面的應用。

反轉式串聯開關電源

反轉式串聯開關電源與一般串聯式開關電源的區別是，這種反轉式串聯開關電源輸出的電壓是負電壓，正好與一般串聯式開關電源輸出的正電壓極性相反；並且由於儲能電感L只在開關K關斷時才向負載輸出電流，因此，在相同條件下，反轉式串聯開關電源輸出的電流比串聯式開關電源輸出的電流小一倍。

開關電源產品廣泛應用於工業自動化控制、軍工設備、科研設備、LED照明、工控設備、通訊設備、電力設備、儀器儀錶、醫療設備、半導體製冷制熱、空氣凈化器，電子冰箱，液晶顯示器，LED燈具，通訊設備，視聽產品，安防監控，LED燈袋，電腦機箱，數碼產品和儀器類等領域。

現代開關電源有兩種：一種是直流開關電源；另一種是交流開關電源。

這裡主要介紹的只是直流開關電源，其功能是將電能質量較差的原生態電源（粗電），如市電電源或蓄電池電源，轉換成滿足設備要求的質量較高的直流電壓（精電）。直流開關電源的核心是DC/DC轉換器。因此直流開關電源的分類是依賴DC/DC轉換器分類的。也就是說，直流開關電源的分類與DC/DC轉換器的分類是基本相同的，DC/DC轉換器的分類基本上就是直 流開關電源的分類。

直流DC/DC轉換器按輸入與輸出之間是否有電氣隔離可以分為兩類：一類是有隔離的稱為隔離式DC/DC轉換器；另一類是沒有隔離的稱為非隔離 式DC/DC轉換器。

隔離式DC/DC轉換器也可以按有源功率器件的個數來分類。單管的DC/DC轉換器有正激式（Forward）和反激式（Flyback）兩種。雙管DC/DC轉換器 有雙管正激式（DoubleTransistor Forward Converter），雙管反激式（Double Transistr Flyback Converter）、推挽式（Push-Pull Converter）和半橋式（Half-Bridge Converter）四種。四管DC/DC轉換器就是全橋DC/DC轉換器（Full-Bridge Converter）。

非隔離式DC/DC轉換器，按有源功率器件的個數，可以分為單管、雙管和四管三類。

單管DC/DC轉換器共有六種，即降壓式（Buck）DC/DC轉換器，升壓式（Boost）DC/DC轉換器、升壓降壓式（Buck Boost）DC/DC轉換器、Cuk DC/DC轉換器、Zeta DC/DC轉換器和SEPIC DC/DC轉換器。在這六種 單管DC/DC轉換器中，Buck和Boost式DC/DC轉換器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC轉換器是從中派生出來的。雙管DC/DC轉換 器有雙管串接的升壓式（Buck-Boost）DC/DC轉換器。四管DC/DC轉換器常用的是全橋DC/DC轉換器（Full-Bridge Converter）。

隔離式DC/DC轉換器在實現輸出與輸入電氣隔離時，通常採用變壓器來實現，由於變壓器具有變壓的功能，所以有利於擴大轉換器的輸出應用 範圍，也便於實現不同電壓的多路輸出，或相同電壓的多種輸出。

在功率開關管的電壓和電流定額相同時，轉換器的輸出功率通常與所用開關管的數量成正比。所以開關管數越多，DC/DC轉換器的輸出功率越大，四管式比兩管式輸出功率大一倍，單管式輸出功率只有四管式的1/4。

非隔離式轉換器與隔離式轉換器的組合，可以得到單個轉換器所不具備的一些特性。

按能量的傳輸來分，DC/DC轉換器有單向傳輸和雙向傳輸兩種。具有雙向傳輸功能的DC/DC轉換器，既可以從電源側向負載側傳輸功率，也可 以從負載側向電源側傳輸功率。

DC/DC轉換器也可以分為自激式和他控式。藉助轉換器本身的正反饋信號實現開關管自持周期性開關的轉換器，叫做自激式轉換器，如洛耶爾（Royer）轉換器就是一種典型的推挽自激式轉換器。他控式DC/DC轉換器中的開關器件控制信號，是由外部專門的控制電路產生的。

按照開關管的開關條件，DC/DC轉換器又可以分為硬開關（Hard Switching）

和軟開關（Soft Switching）兩種。硬開關DC/DC轉換器的開關器件 是在承受電壓或流過電流的情況下，開通或關斷電路的，因此在開通或關斷過程中將會產生較大的交疊損耗，即所謂的開關損耗（Switching loss）。當轉換器的工作狀態一定時開關損耗也是一定的，而且開關頻率越高，開關損耗越大，同時在開關過程中還會激起電路分佈電感和寄生 電容的振蕩，帶來附加損耗，因此，硬開關DC/DC轉換器的開關頻率不能太高。軟開關DC/DC轉換器的開關管，在開通或關斷過程中，或是加於 其上的電壓為零，即零電壓開關（Zero-Voltage-Switching，ZVS），或是通過開關管的電流為零，即零電流開關（Zero-Current·Switching，ZCS）。這種軟開關方式可以顯著地減小開關損耗，以及開關過程中激起的振蕩，使開關頻率可以大幅度提高，為轉換器的小型化和模塊化創造 了條件。功率場效應管（MOSFET）是應用較多的開關器件，它有較高的開關速度，但同時也有較大的寄生電容。它關斷時，在外電壓的作用下，其寄生電容充滿電，如果在其開通前不將這一部分電荷放掉，則將消耗於器件內部，這就是容性開通損耗。為了減小或消除這種損耗，功率場 效應管宜採用零電壓開通方式（ZVS）。絕緣柵雙極性晶體管（Insu1ated Gate Bipo1ar tansistor，IGBT）是一種複合開關器件，關斷時的電流拖 尾會導致較大的關斷損耗，如果在關斷前使流過它的電流降到零，則可以顯著地降低開關損耗，因此IGBT宜採用零電流（ZCS）關斷方式。IGBT在 零電壓條件下關斷，同樣也能減小關斷損耗，但是MOSFET在零電流條件下開通時，並不能減小容性開通損耗。諧振轉換器（ResonantConverter ，RC）、准諧振轉換器（Qunsi-Tesonant Converter，QRC）、多諧振轉換器（Mu1ti-ResonantConverter，MRC）、零電壓開關PWM轉換器（ZVS PWM Converter）、零電流開關PWM轉換器（ZCS PWM Converter）、零電壓轉換（Zero-Vo1tage-Transition，ZVT）PWM轉換器和零電流轉換（Zero- Vo1tage-Transition，ZVT）PWM轉換器等，均屬於軟開關直流轉換器。電力電子開關器件和零開關轉換器技術的發展，促使了高頻開關電源的發展。

開關電源大致由主電路、

控制電路、檢測電路、輔助電源四大部份組成。

1、主電路

衝擊電流限幅：限制接通電源瞬間輸入側的衝擊電流。

輸入濾波器：其作用是過濾電網存在的雜波及阻礙本機產生的雜波反饋回電網。

整流與濾波：將電網交流電源直接整流為較平滑的直流電。

逆變：將整流后的直流電變為高頻交流電，這是高頻開關電源的核心部分。

輸出整流與濾波：根據負載需要，提供穩定可靠的直流電源。

2、控制電路

一方面從輸出端取樣，與設定值進行比較，然後去控制逆變器，改變其脈寬或脈頻，使輸出穩定，另一方面，根據測試電路提供的數據，經保護電路鑒別，提供控制電路對電源進行各種保護措施。

3、檢測電路

提供保護電路中正在運行中各種參數和各種儀錶數據。

4、輔助電源

實現電源的軟體（遠程）啟動，為保護電路和控制電路（PWM等晶元）工作供電。

開關電源的分類

人們在開關電源技術領域是邊開發相關電力電子器件，邊開發開關變頻技術，兩者相互促進推動著開關電源每年以超過兩位數字的增長率向著輕、小、薄、低雜訊、高可靠、抗干擾的方向發展。開關電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類，也有AC/AC DC/AC 如逆變器 DC/DC變換器現已實現模塊化，且設計技術及生產工藝在國內外均已成熟和標準化，並已得到用戶的認可，但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進程中，遇到較為複雜的技術和工藝製造問題。以下分別對兩類開關電源的結構和特性作以闡述。

自激式

是無須外加信號源能自行振蕩，自激式完全可以把它看作是一個變壓器反饋式振蕩電路。

微型低功率開關電源

開關電源正在走向大眾化，微型化。開關電源將逐步取代變壓器在生活中的所有應用，低功率微型開關電源的應用要首先體現在，數顯表、智能電錶、手機充電器等方面。現階段國家在大力推廣智能電網建設，對電能表的要求大幅提高，開關電源將逐步取代變壓器在電能表上面的應用。

它激式

則完全依賴於外部維持振蕩，在實際應用中它激式應用比較廣泛。根據激勵信號結構分類；可分為脈衝調寬和脈衝調幅兩種，脈衝調寬是控制信號的寬度，也就是頻率，脈衝調幅控制信號的幅度，兩者的作用相同都是使振蕩頻率維持在某一範圍內，達到穩定電壓的效果。變壓器的繞組一般可以分成三種類型，一組是參與振蕩的初級繞組，一組是維持振蕩的反饋繞組，還有一組是負載繞組。比如在家用電器中使用的上海正藝科技生產的開關電源，將220V的交流電經過橋式整流，變換成300V左右的直流電，濾波後進入變壓器后加到開關管的集電極進行高頻振蕩，反饋繞組反饋到基極維持電路振蕩，負載繞組感應的電信號，經整流、濾波、穩壓得到的直流電壓給負載提供電能。負載繞組在提供電能的同時，也肩負起穩定電壓的能力，其原理是在電壓輸出電路接一個電壓取樣裝置，監測輸出電壓的變化情況，及時反饋給振蕩電路調整振蕩頻率，從而達到穩定電壓的目的，為了避免電路的干擾，反饋回振蕩電路的電壓會用光電耦合器隔離。

反轉式串聯開關電源

反轉式串聯開關電源與一般串聯式開關電源的區別是，這種反轉式串聯開關電源輸出的電壓是負電壓，正好與一般串聯式開關電源輸出的正電壓極性相反；並且由於儲能電感L只在開關K關斷時才向負載輸出電流，因此，在相同條件下，反轉式串聯開關電源輸出的電流比串聯式開關電源輸出的電流小一倍。

產品發展方向

開關電源高頻化是其發展的方向，高頻化使開關電源小型化，並使開關電源進入更廣泛的應用領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了開關電源的發展前進，每年以超過兩位數字的增長率向著輕、小、薄、低雜訊、高可靠、抗干擾的方向發展。開關電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類，DC/DC變換器現已實現模塊化，且設計技術及生產工藝在國內外均已成熟和標準化，並已得到用戶的認可，但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進程中，遇到較為複雜的技術和工藝製造問題。另外，開關電源的發展與應用在節約能源、節約資源及保護環境方面都具有重要的意義。

開關電源中應用的電力電子器件主要為二極體、IGBT和MOSFET。

SCR在開關電源輸入整流電路及軟啟動電路中有少量應用，GTR驅動困難，開關頻率低，逐漸被IGBT和MOSFET取代。

技術發展動向

開關電源的發展方向是高頻、高可靠、低耗、低雜訊、抗干擾和模塊化。由於開關電源輕、小、薄的關鍵技術是高頻化，因此國外各大開關電源製造商都致力於同步開發新型高智能化的元器件，特別是改善二次整流器件的損耗，並在功率鐵氧體(Mn?Zn)材料上加大科技創新，以提高在高頻率和較大磁通密度(Bs)下獲得高的磁性能，而電容器的小型化也是一項關鍵技術。SMT技術的應用使得開關電源取得了長足的進展，在電路板兩面布置元器件，以確保開關電源的輕、小、薄。開關電源的高頻化就必然對傳統的PWM開關技術進行創新，實現ZVS、ZCS的軟開關技術已成為開關電源的主流技術，並大幅提高了開關電源的工作效率。對於高可靠性指標，美國的開關電源生產商通過降低運行電流，降低結溫等措施以減少器件的應力，使得產品的可靠性大大提高。

模塊化是開關電源發展的總體趨勢，可以採用模塊化電源組成分散式電源系統，可以設計成N+1冗餘電源系統，並實現並聯方式的容量擴展。針對開關電源運行雜訊大這一缺點，若單獨追求高頻化其雜訊也必將隨著增大，而採用部分諧振轉換電路技術，在理論上即可實現高頻化又可降低雜訊，但部分諧振轉換技術的實際應用仍存在著技術問題，故仍需在這一領域開展大量的工作，以使得該項技術得以實用化。

電力電子技術的不斷創新，使開關電源產業有著廣闊的發展前景。要加快我國開關電源產業的發展速度，就必須走技術創新之路，走出有中國特色的產學研聯合發展之路，為我國國民經濟的高速發展做出貢獻。

開關電源的發展和趨勢

1955年美國羅耶(GH.Roger)發明的自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器，是實現高頻轉換控制電路的開端，1957年美國查賽(Jen Sen)發明了自激式推挽雙變壓器，1964年美國科學家們提出取消工頻變壓器的串聯開關電源的設想，這對電源向體積和重量的下降獲得了一條根本的途徑。到了1969年由於大功率硅晶體管的耐壓提高，二極體反向恢復時間的縮短等元器件改善，終於做成了25千赫的開關電源。

目前，開關電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用於以電子計算機為主導的各種終端設備、通信設備等幾乎所有的電子設備，是當今電子信息產業飛速發展不可缺少的一種電源方式。目前市場上出售的開關電源中採用雙極性晶體管製成的100kHz、用MOS-FET製成的500kHz電源，雖已實用化，但其頻率有待進一步提高。要提高開關頻率，就要減少開關損耗，而要減少開關損耗，就需要有高速開關元器件。然而，開關速度提高后，會受電路中分佈電感和電容或二極體中存儲電荷的影響而產生浪涌或雜訊。這樣，不僅會影響周圍電子設備，還會大大降低電源本身的可靠性。其中，為防止隨開關啟-閉所發生的電壓浪涌，可採用R-C或L-C緩衝器，而對由二極體存儲電荷所致的電流浪涌可採用非晶態等磁芯製成的磁緩衝器。不過，對1MHz以上的高頻，要採用諧振電路，以使開關上的電壓或通過開關的電流呈正弦波，這樣既可減少開關損耗，同時也可控制浪涌的發生。這種開關方式稱為諧振式開關。目前對這種開關電源的研究很活躍，因為採用這種方式不需要大幅度提高開關速度就可以在理論上把開關損耗降到零，而且雜訊也小，可望成為開關電源高頻化的一種主要方式。當前，世界上許多國家都在致力於數兆Hz的變換器的實用化研究。

原理簡介

開關電源是利用現代電力技術，控制開關晶體管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈衝寬度調製（PWM）控制IC和MOSFET構成。

開關電源的工作過程相當容易理解，在線性電源中，讓功率晶體管工作在線性模式，與線性電源不同的是，PWM開關電源是讓功率晶體管工作在導通和關斷的狀態，在這兩種狀態中，加在功率晶體管上的伏-安乘積是很小的（在導通時，電壓低，電流大；關斷時，電壓高，電流小）/功率器件上的伏安乘積就是功率半導體器件上所產生的損耗。

與線性電源相比，PWM開關電源更為有效的工作過程是通過“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等於輸入電壓幅值的脈衝電壓來實現的。脈衝的占空比由開關電源的控制器來調節。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過變壓器來升高或降低。通過增加變壓器的二次繞組數就可以增加輸出的電壓值。最後這些交流波形經過整流濾波后就得到直流輸出電壓。

控制器的主要目的是保持輸出電壓穩定，其工作過程與線性形式的控制器很類似。也就是說控制器的功能塊、電壓參考和誤差放大器，可以設計成與線性調節器相同。他們的不同之處在於，誤差放大器的輸出（誤差電壓）在驅動功率管之前要經過一個電壓/脈衝寬度轉換單元。

開關電源有兩種主要的工作方式：正激式變換和升壓式變換。儘管它們各部分的布置差別很小，但是工作過程相差很大，在特定的應用場合下各有優點。

電路原理

所謂開關電源，顧名思義，就是這裡有一扇門，一開門電源就通過，一關門電源就停止通過，那麼什麼是門呢，開關電源里有的採用可控硅，有的採用開關管，這兩個元器件性能差不多，都是靠基極、（開關管）控制極（可控硅）上加上脈衝信號來完成導通和截止的，脈衝信號正半周到來，控制極上電壓升高，開關管或可控硅就導通，由220V整流、濾波后輸出的300V電壓就導通，通過開關變壓器傳到次級，再通過變壓比將電壓升高或降低，供各個電路工作。振蕩脈衝負半周到來，電源調整管的基極、或可控硅的控制極電壓低於原來的設置電壓，電源調整管截止，300V電源被關斷，開關變壓器次級沒電壓，這時各電路所需的工作電壓，就靠次級本路整流后的濾波電容放電來維持。待到下一個脈衝的周期正半周信號到來時，重複上一個過程。這個開關變壓器就叫高頻變壓器，因為他的工作頻率高於50HZ低頻。

那麼推動開關管或可控硅的脈衝如何獲得呢，這就需要有個振蕩電路產生，我們知道，晶體三極體有個特性，就是基極對發射極電壓是0.65-0.7V是放大狀態，0.7V以上就是飽和導通狀態， -0.1V- -0.3V就工作在振蕩狀態，那麼其工作點調好后，就靠較深的負反饋來產生負壓，使振蕩管起振，振蕩管的頻率由基極上的電容充放電的時間長短來決定，振蕩頻率高輸出脈衝幅度就大，反之就小，這就決定了電源調整管的輸出電壓的大小。

那麼變壓器次級輸出的工作電壓如何穩壓呢，一般是在開關變壓器上，單繞一組線圈，在其上端獲得的電壓經過整流濾波后，作為基準電壓，然後通過光電耦合器，將這個基準電壓返回振蕩管的基極，來調整震蕩頻率的高低，如果變壓器次級電壓升高，本取樣線圈輸出的電壓也升高，通過光電耦合器獲得的正反饋電壓也升高，這個電壓加到振蕩管基極上，就使振蕩頻率降低，起到了穩定次級輸出電壓的穩定，太細的工作情況就不必細講了，也沒必要了解的那麼細的，這樣大功率的電壓由開關變壓器傳遞，並與后級隔開，返回的取樣電壓由光耦傳遞也與后級隔開，所以前級的市電電壓，是與后級分離的，這就叫冷板，是安全的，變壓器前的電源是獨立的，這就叫開關電源。說到這裡吧。

開關條件

電力電子器件工作在開關狀態而不是線性狀態

高頻條件

電力電子器件工作在高頻而不是接近工頻的低頻

直流條件

開關電源輸出的是直流而不是交流 也可以輸出高頻交流如電子變壓器各種功能。

1、功耗小，效率高。在開關電源電路中，晶體管V在激勵信號的激勵下，它交替地工作在導通-截止和截止-導通的開關狀態，轉換速度很快，頻率一般為50kHz左右，在一些技術先進的國家，可以做到幾百或者近1000kHz.這使得開關晶體管V的功耗很小，電源的效率可以大幅度地提高，其效率可達到80%.

2、體積小，重量輕。從開關電源的原理框圖可以清楚地看到這裡沒有採用笨重的工頻變壓器。由於調整管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了較大的散熱片。由於這兩方面原因，所以開關電源的體積小，重量輕。

3、穩壓範圍寬。從開關電源的輸出電壓是由激勵信號的占空比來調節的，輸入信號電壓的變化可以通過調頻或調寬來進行補償。這樣，在工頻電網電壓變化較大時，它仍能夠保證有較穩定的輸出電壓。所以開關電源的穩壓範圍很寬，穩壓效果很好。此外，改變占空比的方法有脈寬調製型和頻率調製型兩種。開關電源不僅具有穩壓範圍寬的優點，而且實現穩壓的方法也較多，設計人員可以根據實際應用的要求，靈活地選用各種類型的開關電源。

濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減少。開關電源的工作頻率目前基本上是工作在50kHz,是線性穩壓電源的1000倍，這使整流后的濾波效率幾乎也提高了1000倍；即使採用半波整流后加電容濾波，效率也提高了500倍。在相同的紋波輸出電壓下，採用開關電源時，濾波電容的容量只是線性穩壓電源中濾波電容的1/500~1/1000.電路形式靈活多樣，有自激式和他激式，有調寬型和調頻型，有單端式和雙端式等等，設計者可以發揮各種類型電路的特長，設計出能滿足不同應用場合的開關電源。

開關穩壓電源的缺點是存在較為嚴重的開關干擾。開關穩壓電源中，功率調整開關晶體管V工作在開關狀態，它產生的交流電壓和電流通過電路中的其他元器件產生尖峰干擾和諧振干擾，這些干擾如果不採取一定的措施進行抑制、消除和屏蔽，就會嚴重地影響整機的正常工作。此外由於開關穩壓電源振蕩器沒有工頻變壓器的隔離，這些干擾就會串入工頻電網，使附近的其他電子儀器、設備和家用電器受到嚴重干擾。

目前，由於國內微電子技術、阻容器件生產技術以及磁性材料技術與一些技術先進國家還有一定的差距，因而造價不能進一步降低，也影響到可靠性的進一步提高。所以在我國的電子儀器以及機電一體化儀器中，開關穩壓電源還不能得到十分廣泛的普及及使用。特別是對於無工頻變壓器開關穩壓電源中的高壓電解電容器、高反壓大功率開關管、開關變壓器的磁芯材料等器件，在我國還處於研究、開發階段。

在一些技術先進國家，開關穩壓電源雖然有了一定的發展，但在實際應用中也還存在一些問題，不能十分令人滿意。這暴露出開關穩壓電源的又一個缺點，那就是電路結構複雜，故障率高，維修麻煩。對此，如果設計者和製造者不予以充分重視，則它將直接影響到開關穩壓電源的推廣應用。當今，開關穩壓電源推廣應用比較困難的主要原因就是它的製作技術難度大、維修麻煩和造價成本較高。

1、開關：電力電子器件工作在開關狀態而不是線性狀態

2、高頻：電力電子器件工作在高頻而不是接近工頻的低頻

3、直流：開關電源輸出的是直流而不是交流

1、體積小、重量輕：由於沒有工頻變壓器，所以體積和重量只有線性電源的20～30%。

2、功耗小、效率高：功率晶體管工作在開關狀態，所以晶體管上的功耗小，轉 化效率高，一般為60～70%，而線性電電源只有30～40%。

提高待機效率的方法

切斷啟動電阻

對於反激式電源，啟動后控制晶元由輔助繞組供電，啟動電阻上壓降為300V左右。設啟動電阻取值為47kΩ，消耗功率將近2W。要改善待機效率，必須在啟動后將該電阻通道切斷。TOPSWITCH，ICE2DS02G內部設有專門的啟動電路，可在啟動后關閉該電阻。若控制器沒有專門啟動電路，也可在啟動電阻串接電容，其啟動后的損耗可逐漸下降至零。缺點是電源不能自重啟，只有斷開輸入電壓，使電容放電后才能再次啟動電路。

降低時鐘頻率

時鐘頻率可平滑下降或突降。平滑下降就是當反饋量超過某一閾值，通過特定模塊，實現時鐘頻率的線性下降。

切換工作模式

1．QR→PWM對於工作在高頻工作模式的開關電源，在待機時切換至低頻工作模式可減小待機損耗。例如，對於准諧振式開關電源（工作頻率為幾百kHz到幾MHz），可在待機時切換至低頻的脈寬調製控制模式PWM（幾十kHz）。

IRIS40xx晶元就是通過QR與PWM切換來提高待機效率的。當電源處於輕載和待機時候，輔助繞組電壓較小，Q1關斷，諧振信號不能傳輸至FB端，FB電壓小於晶元內部的一個門限電壓，不能觸發准諧振模式，電路則工作在更低頻的脈寬調製控制模式。

2．PWM→PFM

對於額定功率時工作在PWM模式的開關電源，也可以通過切換至PFM模式提高待機效率，即固定開通時間，調節關斷時間，負載越低，關斷時間越長，工作頻率也越低。將待機信號加在其PW/引腳上，在額定負載條件下，該引腳為高電平，電路工作在PWM模式，當負載低於某個閾值時，該引腳被拉為低電平，電路工作在PFM模式。實現PWM和PFM的切換，也就提高了輕載和待機狀態時的電源效率。

通過降低時鐘頻率和切換工作模式實現降低待機工作頻率，提高待機效率，可保持控制器一直在運作，在整個負載範圍中，輸出都能被妥善的調節。即使負載從零激增至滿負載的情況下，能夠快速反應，反之亦然。輸出電壓降和過沖值都保持在允許範圍內。

可控脈衝模式（BurstMode）

可控脈衝模式，也可稱為跳周期控制模式（SkipCycleMode）是指當處於輕載或待機條件時，由周期比PWM控制器時鐘周期大的信號控制電路某一環節，使得PWM的輸出脈衝周期性的有效或失效，這樣即可實現恆定頻率下通過減小開關次數，增大占空比來提高輕載和待機的效率。該信號可以加在反饋通道，PWM信號輸出通道，PWM晶元的使能引腳（如LM2618，L6565）或者是晶元內部模塊（如NCP1200，FSD200，L6565和TinySwitch系列晶元）。

輸出計算

因開關電源工作效率高，一般可達到80%以上，故在其輸出電流的選擇上，應準確測量或計算用電設備的最大吸收電流，以使被選用的開關電源具有高的性能價格比，通常輸出計算公式為：

Is=KIf

式中：Is—開關電源的額定輸出電流;

If—用電設備的最大吸收電流;

K—裕量係數，一般取1.5～1.8;

接地

開關電源比線性電源會產生更多的干擾，對共模干擾敏感的用電設備，應採取接地和屏蔽措施，按ICE1000、EN61000、FCC等EMC限制，開關電源均採取EMC電磁兼容措施，因此開關電源一般應帶有EMC電磁兼容濾波器。如利德華福技術的HA系列開關電源，將其FG端子接大地或接用戶機殼，方能滿足上述電磁兼容的要求。

保護電路

開關電源在設計中必須具有過流、過熱、短路等保護功能，故在設計時應首選保護功能齊備的開關電源模塊，並且其保護電路的技術參數應與用電設備的工作特性相匹配，以避免損壞用電設備或開關電源。

1、修理開關電源時，首先用萬用表檢測各功率部件是否擊穿短路，

如電源整流橋堆，開關管，高頻大功率整流管；抑制浪涌電流的大功率電阻是否燒斷。再檢測各輸出電壓埠電阻是否異常，上述部件如有損壞則需更換。

2、第一步完成後，接通電源后還不能正常工作，接著要檢測功率因數模塊（PFC）和脈寬調製組件（PWM），查閱相關資料，熟悉PFC和PWM模塊每個腳的功能及其模塊正常工作的必備條件。

3、然後，對於具有PFC電路的電源則需測量濾波電容兩端電壓是否為380VDC左右，如有380VDC左右電壓，說明PFC模塊工作正常，接著檢測PWM組件的工作狀態，測量其電源輸入端VC ，參考電壓輸出端VR ，啟動控制Vstart/Vcontrol端電壓是否正常，利用220VAC/220VAC隔離變壓器給開關電源供電，用示波器觀測PWM模塊CT端對地的波形是否為線性良好的鋸齒波或三角形，如TL494 CT端為鋸齒波，FA5310其CT端為三角波。輸出端V0的波形是否為有序的窄脈衝信號。

4、在開關電源維修實踐中，有許多開關電源採用UC38××系列8腳PWM組件，

大多數電源不能工作都是因為電源啟動電阻損壞，或晶元性能下降。當R斷路后無VC，PWM組件無法工作，需更換與原來功率阻值相同的電阻。當PWM組件啟動電流增加后，可減小R值到PWM組件能正常工作為止。在修一台GE DR電源時，PWM模塊為UC3843，檢測未發現其他異常，在R（220K）上並接一個220K的電阻后，PWM組件工作，輸出電壓均正常。有時候由於外圍電路故障，致使VR端5V電壓為0V，PWM組件也不工作，在修柯達8900相機電源時，遇到此情況，把與VR端相連的外電路斷開，VR從0V變為5V，PWM組件正常工作，輸出電壓均正常。

5、當濾波電容上無380VDC左右電壓時，說明PFC電路沒有正常工作，

PFC模塊關鍵檢測腳為電源輸入腳VC，啟動腳Vstart/control，CT和RT腳及V0腳。修理一台富士3000相機時，測試一板上濾波電容上無380VDC電壓。VC，Vstart/control,CT和RT波形以及V0波形均正常，測量場效應功率開關管G極無V0 波形，由於FA5331（PFC）為貼片元件，機器用久后出現V0端與板之間虛焊，V0信號沒有送到場效應管G極。將V0端與板上焊點焊好，用萬用表測量濾波電容有380VDC電壓。當Vstart/control 端為低電平時，PFC亦不能工作，則要檢測其端點與外圍相連的有關電路。

總之，開關電源電路有易有難，功率有大有小，輸出電壓多種多樣。只要抓住其核心的東西，即充分熟悉開關電源的基本結構以及PFC及PWM模塊的特性，它們工作的基本條件，按照上述步驟和方法，多動手進行開關電源的維修，就能迅速地排除開關電源故障，達到事半功倍的效果。

開關電源的維修可分為兩步進行：

斷電情況下，“看、聞、問、量”

看：打開電源的外殼，檢查保險絲是否熔斷，再觀察電源的內部情況，如果發現電源的PCB板上有燒焦處或元件破裂，則應重點檢查此處元件及相關電路元件。資產管理

聞：聞一下電源內部是否有糊味，檢查是否有燒焦的元器件。

問：問一下電源損壞的經過，是否對電源進行違規操作。

量：沒通電前，用萬用表量一下高壓電容兩端的電壓先。如果是開關電源不起振或開關管開路引起的故障，則大多數情況下，高壓濾波電容兩端的電壓未泄放悼，此電壓有300多伏，需小心。用萬用表測量AC電源線兩端的正反向電阻及電容器充電情況，電阻值不應過低，否則電源內部可能存在短路。電容器應能充放電。脫開負載，分別測量各組輸出端的對地電阻，正常時，錶針應有電容器充放電擺動，最後指示的應為該路的泄放電阻的阻值。

加電檢測

通電后觀察電源是否有燒保險及個別元件冒煙等現象，若有要及時切斷供電進行檢修。

測量高壓濾波電容兩端有無300伏輸出，若無應重點查整流二極體、濾波電容等。

測量高頻變壓器次級線圈有無輸出，若無應重點查開關管是否損壞，是否起振，保護電路是否動作等，若有則應重點檢查各輸出側的整流二極體、濾波電容、三通穩壓管等。

如果電源啟動一下就停止，則該電源處於保護狀態下，可直接測量PWM晶元保護輸入腳的電壓，如果電壓超出規定值，則說明電源處於保護狀態下，應重點檢查產生保護的原因。

1、選擇開關電源時應注意事項

1）選用合適的輸入電壓規格；

2）選擇合適的功率。為了使電源的壽命增長，可選用多30%輸出功率額定的機種。

3）考慮負載特性。如果負載是馬達、燈泡或電容性負載，當開機瞬間時電流較大，應選用合適電源以免過載。如果負載是馬達時應考慮停機時電壓倒灌。

4）此外尚需考慮電源的工作環境溫度，及有無額外的輔助散熱設備，在過高的環溫電源需減額輸出。環溫對輸出功率的減額曲線。

5）根據應用所需選擇各項功能：

保護功能：過電壓保護（OVP）、過溫度保護（OTP）、過負載保護（OLP）等。

應用功能：信號功能（供電正常、供電失效）、遙控功能、遙測功能、並聯功能等。

特殊功能：功因矯正（PFC）、不斷電（UPS）

6）選擇所需符合的安規及電磁兼容（EMC）認證。

2、使用開關電源之注意事項

1）使用電源前，先確定輸入輸出電壓規格與所用電源的標稱值是否相符；

2）通電之前，檢查輸入輸出的引線是否連接正確，以免損壞用戶設備；

3）檢查安裝是否牢固，安裝螺絲與電源板器件有無接觸，測量外殼與輸入、輸出的絕緣電阻，以免觸電；

4）為保證使用的安全性和減少干擾，請確保接地端可靠接地；

5）多路輸出的電源一般分主、輔輸出，主輸出特性優於輔輸出，一般情況下輸出電流大的為主輸出。為保證輸出負載調整率和輸出動態等指標，一般要求每路至少帶10%的負載。若用輔路不用主路，主路一定加適當的假負載。具體參見相應型號的規格書；

6）請注意：電源頻繁開關將會影響其壽命；

7）工作環境及帶載程度也會影響其壽命。

保險絲熔斷

一般情況下，保險絲熔斷說明電源的內部線路有問題。由於電源工作在高電壓、大電流的狀態下，電網電壓的波動、浪涌都會引起電源內電流瞬間增大而使保險絲熔斷。重點應檢查電源輸入端的整流二極體，高壓濾波電解電容，逆變功率開關管等，檢查一下這此元器件有無擊穿、開路、損壞等。如果確實是保險絲熔斷，應該首先查看電路板上的各個元件，看這些元件的外表有沒有被燒糊，有沒有電解液溢出，如果沒有發現上述情況，則用萬用表測量開關管有無擊穿短路。需要特別注意的是：切不可在查出某元件損壞時，更換后直接開機，這樣很有可能由於其它高壓元件仍有故障又將更換的元件損壞，一定要對上述電路的所有高壓元件進行全面檢查測量后，才能徹底排除保險絲熔斷的故障。

無直流電壓輸出或電壓輸出不穩定

如果保險絲是完好的，在有負載情況下，各級直流電壓無輸出。這種情況主要是以下原因造成的：電源中出現開路、短路現象，過壓、過流保護電路出現故障，輔助電源故障，振蕩電路沒有工作，電源負載過重，高頻整流濾波電路中整流二極體被擊穿，濾波電容漏電等。在用萬用表測量次級元件，排除了高頻整流二極體擊穿、負載短路的情況后，如果這時輸出為零，則可以肯定是電源的控制電路出了故障。若有部分電壓輸出說明前級電路工作正常，故障出在高頻整流濾波電路中。高頻濾波電路主要由整流二極體及低壓濾波電容組成直流電壓輸出，其中整流二極體擊穿會使該電路無電壓輸出，濾波電容漏電會造成輸出電壓不穩等故障。用萬用表靜態測量對應元件即可檢查出其損壞的元件。

電源負載能力差

電源負載能力差是一個常見的故障，一般都是出現在老式或工作時間長的電源中，主要原因是各元器件老化，開關管的工作不穩定，沒有及時進行散熱等。應重點檢查穩壓二極體是否發熱漏電，整流二極體損壞、高壓濾波電容損壞等。

顧名思義，開關電源就是利用電子開關器件（如晶體管、場效應管、可控硅閘流管等），通過控制電路，使電子開關器件不停地“接通”和“關斷”，讓電子開關器件對輸入電壓進行脈衝調製，從而實現DC/AC、DC/DC電壓變換，以及輸出電壓可調和自動穩壓。

開關電源一般有三種工作模式：頻率、脈衝寬度固定模式，頻率固定、脈衝寬度可變模式，頻率、脈衝寬度可變模式。前一種工作模式多用於DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換；后兩種工作模式多用於開關穩壓電源。另外，開關電源輸出電壓也有三種工作方式：直接輸出電壓方式、平均值輸出電壓方式、幅值輸出電壓方式。同樣，前一種工作方式多用於DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換；后兩種工作方式多用於開關穩壓電源。

根據開關器件在電路中連接的方式，開關電源，大體上可分為：串聯式開關電源、並聯式開關電源、變壓器式開關電源等三大類。其中，變壓器式開關電源（後面簡稱變壓器開關電源）還可以進一步分成：推挽式、半橋式、全橋式等多種；根據變壓器的激勵和輸出電壓的相位，又可以分成：正激式、反激式、單激式和雙激式等多種；如果從用途上來分，還可以分成更多種類。