一文详解开关稳压电源

开关稳压电源的组成

开关稳压电源通常由电磁干扰(EMI)滤波器、整流电路、滤波电路和DC/DC变换器电路组成。其典型结构如图1-2-1所示。

图1-2-1　开关稳压电源的组成框图

交流输入电压(通常是220V，50Hz)经过EMI滤波器进入整流电路。EMI滤波器用于减小开关电源的噪声干扰，阻止开关电源产生的噪声传输到电网中，避免干扰电网中的其他电器设备(例如通信设备)。

整流电路直接将交流输入电压整流，然后通过滤波电路产生较高的直流电压(通常是300V左右)，称为直流高压。该直流电压为DC/DC变换器的DC输入电压。

DC/DC变换器也称功率变换电路，是开关电源的核心部分，通常由功率开关管、高频变压器和PWM控制器等组成。DC/DC变换器先将DC输入电压变为高频交流电压，施加到高频变压器的初级绕组。高频变压器次级绕组感应出的交流电压再经过高频整流与滤波电路，最终转换为DC电压输出。因为变压器的初级绕组和次级绕组相互绝缘，所以通过高频变压器实现了AC输入和DC输出之间的电气隔离。

小贴示

DC/DC变换器是开关稳压电源的核心电路。

开关稳压电源的工作原理

开关稳压电源的核心电路是DC/DC变换器，为了和线性稳压电源对比，下面以降压式DC/DC变换器为例，介绍开关稳压电源的基本工作原理。降压式DC/DC变换器的电路结构与等效电路如图1-2-2所示。其中图(a)为电路结构，图(b)为等效电路。

图1-2-2

图中，VT被称为功率开关管，其作用可等效为能够高速动作的开关S。VD Z 为稳压二极管，用于产生基准电压(也称参考电压)U REF 。R 2 和R 3 被称为取样电阻，它们用来检测输出电压U O ，并分压产生反馈电压U F 。EA为误差放大器，它可将反馈电压U F 与基准电压U REF 进行比较放大，从而产生控制电压U C 。其中，误差放大器的工作原理与线性稳压电源完全相同。VD为续流二极管，用于延续电感L中的电流。L为滤波电感，因为流过较大的负载电流，也称功率电感。C为输出滤波电容。R L 为负载电阻。

与线性稳压电源不同的是，开关稳压电源具有PWM控制器。PWM控制器将控制电压U C 的变化转换为控制信号占空比D的变化，使功率开关管VT按照不同的占空比导通与关断，从而实现输出电压的改变。

DC/DC变换器的工作原理可以结合图1-2-2(b)中的等效电路和图1-2-3中波形的占空比变化来解释。当PWM控制器使功率开关管VT导通时，相当于开关S闭合。此时，输入电压U I 加到了滤波电感L左端，电压U L =U I ;经过一段时间t ON (t ON 称为导通时间)以后，PWM控制器使功率开关管VT关断，相当于开关S断开。此时，续流二极管VD导通，使滤波电感L左端电压为0V，即U L =0V。经过一段时间t OFF (t OFF 称为关断时间)以后，PWM控制器再次使VT导通，进入下一个开关周期，并一直重复下去。

导通时间t ON 与关断时间t OFF 之和为开关周期T，即T=t ON +t OFF 。通常开关周期T是固定不变的，当导通时间t ON 变长的时候，关断时间t OFF 就相应的变短。导通时间t ON 与开关周期T的比值叫做占空比，用D来表示，即D=t ON /T。

图1-2-3中给出了3种不同占空比时U L 点的电压波形，其中图(a)是D=0.25时的电压波形，图(b)和图(c)分别是D=0.5和D=0.75时的电压波形。由于电感L和电容C的滤波作用，U L 点的电压波形经过LC滤波之后，将变为平滑的直流输出电压U O 。

图1-2-3

输出电压U O 为输入电压U I 与占空比D的乘积，即U O =U I ×D。改变占空比D，就能改变导通时间t ON ，进而改变输出电压U O 。在相同的输入电压下，占空比越大，对应的输出电压就越高。在DC/DC变换器中，PWM控制器就是用来改变占空比D的。

在图1-2-2所示的开关电源中，当电路检测到U O 升高时，误差放大器EA输出电压U C 将降低，通过PWM控制器使占空比D下降，从而使输出电压U O 保持不变。

小贴示

PWM控制器是开关稳压电源的控制核心。

与线性稳压电源相比，开关电源的功率开关管VT等效为开关S而不是可变电阻R，当VT导通时，其压降通常仅为1V左右，VT的导通损耗比线性稳压电源小得多。线性电源调整管VT的功率损耗为输入/输出压差与负载电流的乘积，即P D =(U I -U O )×I L ，通常(U I -U O )需要3V以上。开关电源功率开关管VT的导通损耗为P D =1×I L ，而与(U I -U O )的大小几乎无关。

例如在12V输入，5V输出的线性电源中，如果负载电流为1A，则电源调整管VT的功率损耗为P D =(12-5)×1=7W;如果是相同参数的开关电源，功率开关管VT的功率损耗仅为P D =1×1=1W，比线性电源损耗小得多，这就是开关电源能够获得高效率的根本原因。

当然，开关电源除了功率开关管VT的导通损耗以外，还有VT的开关损耗以及续流二极管VD的损耗等。尽管如此，开关电源的总体损耗也比线性电源小很多。