开关电源电路图及原理

开关电源（SMPS, Switched-Mode Power Supply）是一种高效能、小型化的电源转换电路，利用半导体开关器件（如MOSFET、IGBT）的高速通断来控制能量传递，取代了传统线性电源的连续能量耗散方式。其核心在于“开关”动作。

? 一、核心组成模块（典型反激式拓扑为例）

以下是其电路原理图关键模块和典型工作流程示意图：

      ╭───────[工频交流输入]───────┬─▶│整流桥│┬─▶[高压滤波电容]───╮
   [保险丝]     [EMI滤波器]        │          ╰────┐              │
      ╰─────────────────────┘                  ▼          [控制IC]◀──┐
                                            [功率开关管]◀────┤        │
   输出侧：◀─────[输出整流二极管]◀──[高频变压器]◀─┘        │        ▼
               [输出滤波电容]─┬─▶[直流输出]          [反馈网络]◀───[光耦隔离器]
                              └─▶[负载]              (取样电阻、基准源)

? 1. 输入与整流滤波

交流输入与EMI滤波： 通常接受工频交流电（如220V/50Hz），经过保险丝保护、电磁干扰（EMI）滤波器滤除电网干扰并阻止电源本身干扰回馈电网。
整流： 由桥式整流器（通常为4个二极管）将交流电整流成脉动直流电。
高压滤波： 大容量电解电容（高压滤波电容）将脉动直流电滤波成相对平稳（但电压较高）的直流电压（≈310V DC for 220V AC）。

? 2. 开关与能量转换（核心）

功率开关管： 通常是MOSFET或IGBT。它在控制电路的驱动下进行高速通断（频率通常在几十kHz到数MHz）。
高频变压器：
- 作用：
  - 电压变换： 实现所需的输出电压转换（升压或降压）。
  - 电气隔离： 关键的安全设计，隔离开关动作的初级高压侧（输入端）和低压输出的次级侧（输出端），防止触电风险。
- 工作原理（反激式为例）：
  - 开关管导通时： 初级绕组通电产生磁场，能量存储在变压器磁芯（电感）中。次级侧整流二极管因反偏而截止，负载由输出电容供电。
  - 开关管关断时： 磁场能量无法维持，产生反向电动势。次级侧整流二极管正偏导通，存储在磁场中的能量通过变压器耦合到次级侧，为负载供电并为输出电容充电。

⚡ 3. 输出整流滤波

整流： 次级侧的整流二极管（通常使用快恢复二极管或肖特基二极管以适应高频）将变压器耦合过来的高频交流脉冲整流成单向脉动直流电。
滤波： 电感和电容组成的LC滤波网络（有时仅为电容）将高频脉动成分滤除，输出平稳的低纹波直流电压给负载。

? 4. 反馈与控制（闭环稳定系统）

核心目标： 无论输入电压或负载如何变化，维持输出电压恒定。
反馈采样： 通过精密电阻网络在输出端分压采样一部分输出电压。
误差检测： 采样电压送入误差放大器（通常在PWM控制IC内部）与内部的精密基准电压源（如TL431或IC自带基准）进行比较，产生误差电压。
隔离传输（光电耦合器）： 在需要电气隔离的拓扑中（如反激、正激），误差信号通过光耦传输到初级侧的控制电路，既传递了反馈信号，又保持了隔离。
脉宽调制： PWM控制IC根据误差电压的大小来调整功率开关管导通时间（脉宽）的占空比。
- 输出电压↑ → 误差电压↑ → PWM占空比↓ → 传递到次级的能量↓ → 输出电压↓
- 输出电压↓ → 误差电压↓ → PWM占空比↑ → 传递到次级的能量↑ → 输出电压↑

? 二、核心工作原理

能量存储： 当开关管导通时，能量从输入电源（通过高压直流母线）被抽取并存储在磁性元件（变压器或电感）的磁场中。
能量释放： 当开关管关断时，存储的磁场能量被释放出来，通过转换电路（变压器耦合、电感续流等）传递到输出端，为负载供电并为输出电容充电。
高频切换： 开关管以极高的频率（远高于工频50/60Hz，典型20kHz以上）重复开和关的状态。这个高频特性使得：
- 磁性元件（变压器/电感）的体积可以大幅减小（能量存储与释放频率成正比）。
- 所需的滤波电容容量可以减小（要滤除的是高频纹波）。
闭环调节： 反馈控制环持续监测输出电压，并通过调整开关管导通时间（即导通时间在整个开关周期中所占的比例）来精确控制每个周期存储并传输到输出端的能量大小，从而维持输出电压的稳定。

? 三、对比优势（相比传统线性电源）

高效： 开关管工作于饱和导通（低阻）或完全截止（零电流）状态，功率耗散（热损）远低于工作在线性区的线性电源调整管。效率通常可达80%-95%以上。
体积小、重量轻： 得益于高频工作，变压器和滤波元件体积重量大幅减小。
输入电压范围宽： 更容易设计成适应宽范围交流输入（如90V-264V AC）的通用电源。
输出电压灵活： 可通过拓扑结构和反馈设计实现升压、降压、反压等多种转换，输出多路电压也较方便。

? 四、主要拓扑类型

非隔离型： 输入输出不隔离。
- 降压型（Buck）： 输出电压 < 输入电压。
- 升压型（Boost）： 输出电压 > 输入电压。
- 降压-升压型（Buck-Boost）： 输出电压可小于、大于或等于输入电压（极性可能反）。
隔离型： 输入输出电气隔离。
- 反激式（Flyback）： 结构简单，成本低，中小功率应用最广泛（手机充电器、适配器等）。功率开关管导通时存储能量，关断时释放能量到次级。
- 正激式（Forward）： 开关管导通时能量直接从初级传递到次级。需要磁复位电路，效率一般高于反激。
- 推挽式（Push-Pull）： 两个开关管交替导通。
- 半桥式（Half-Bridge） / 全桥式（Full-Bridge）： 常用于中大功率场合，效率高，开关管电压应力较低。