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电工技术基础 开关电源基本单元电路
2.1.1 交流抗干扰电路
开关电源两根交流进线上存在共模干扰（两根交流进线上接收到的干扰信号，相对参考点大小相等、方向相同，如电磁感应）和差模干扰（两根交流进线上接收到的干扰信号，相对参考点大小相等、方向相反，如电网电压瞬时波动）。两种干扰以不同比例同时存在。开关电源中，整流电路、开关管的电流电压快速上升或下降，电感、电容的电流也迅速变化，这些都构成电磁干扰源。为了减少干扰信号通过电网影响其他电子设备的正常工作的情况，也为了减少干扰信号对本机音视频信号的影响，需要在交流进线侧加装线路滤波器，即交流抗干扰电路。常用的交流抗干扰电路如图2-1所示。
电路中，LF1、LF2是共模扼流圈，在一个闭合高磁导率铁芯上，绕制两个绕向相同的线圈。共模电流以相同方向同时流过两个线圈时，两线圈产生的磁通是相同方向的，有相互加强的作用，使每一线圈的共模阻抗提高，共模电流大大减弱，对共模干扰有强的抑制作用。在差模干扰信号作用下，干扰电流产生方向相反的磁通，在铁芯中相互抵消，使线圈电感几乎为零，对差模信号没有抑制作用。LF1、LF2与电容CY1、CY2构成共模干扰抑制网络。
电路中，L1是差模扼流圈，在高磁导率铁芯上独立绕线构成，对高频率差模电流和浪涌电流有极高的阻抗，对低频（工频）电流的阻抗极小。电容CX1、CX2滤去差模电流，与L1构成差模干扰抑制网络。R1是CX1、CX2的放电电阻（安全电阻），用于防止电源线拔插时电源线插头长时间带电。安全标准规定，当正在工作之中的电气设备的电源线被拔掉时，在2s内，电源线插头两端带电的电压（或对地电位）必须小于原来电压的30%。
需要特别提示，电容CX、CY为安全电容，必须经过安全检测部门认证并标有安全认证标志。CY电容一般采用耐压为AC 275V的陶瓷电容，但其真正的直流耐压高达4000V以上，因此，CY电容不能随便用AC 250V或DC 400V之类的电容来代用。CX电容一般采用聚丙烯薄膜介质的无感电容，耐压为AC 250V或AC 275V，但其真正的直流耐压达2000V以上，也不能随便用AC 250V或DC 400V之类的电容来代用。
2.1.2整流电路
整流电路的作用是将交流电压转换成300V左右的直流电压。开关电源电路中通常采用桥式整流方式，典型电路如图2-2所示。
电路中，VD1～VD4是全桥堆中的4只整流二极管，ui是输入的交流电压，uo是整流后的输出电压。
当A端为正半周电压时，B端为负半周。A端的正半周电压同时加在VDI的负极和VD2的正极上，给VD1反向偏置而截止，给VD2正向偏置而导通。与此同时，B端的负半周电压同时加到VD3的负极和VD4的正极，这一电压对VD3是正向偏置使之导通，对VD4是反向偏置使之截止。由上述分析可知，当A端为正半周，B端为负半周时，为VD2和VD3同时导通，VD1和VD4同时截止，其导通后的电流回路为：A端→VD2正极→VD2负极→RL→地端→VD3正极→VD3负极一B端→再回到A端。流过RL的电流方向为从上而下，所以在RL上的电压为正，如图2-2 (c)中的输出电压波形A所示。
当ui输入电压变化到另一个半周时，A端为负半周，B端为正半周。A端的负半周电压使VDI导通、VD2截止，B端的正半周电压使VD4导通、VD3截止，这样也有2只二极管处于导通，另2只二极管处于截止状态。在VD4和VDI导通后，其回路电流为：B端→VD4正极→VD4负极→RL→地端→VD1正极→VDI负极→A端→再回到B端。此时，流过RL的电流也是从上而下的，所以输出电压仍然是正的，如图2-2 (c)中电压波形B所示。
从整流电路的输出端电压波形中可以看出，通过桥式整流电路，可以将交流电压转换成单向脉动的直流电压。
根据以上分析可知，在交流电压正半周时，VD2、VD3导通，负半周时，VDI、VD4导通。由于每只二极管都只有半个周期导电，所以流过每只二极管的平均电流只是负载电流的一半。
桥式整流电路也可以画成如图2-3所示的形式，图2-3 (a)为一种常用画法，图2-3 (b)为其简化画法。
2.1.3滤波电路
整流电路虽然可以把交流电压变换为直流电压，但负载上的直流电压却是脉动的，它的大小每时每刻都在变化着，不能满足电子电路和无线电装置对电源的要求。整流后的脉动直流电压，属于非正弦周期信号，可以把它分解为直流成分（它的平均值）和各种不同频率的正弦交流成分。为了得到波形平滑的直流电，应尽量降低输出电压中的交流成分，同时又要尽量保留其中的直流成分，使输出电压接近于理想的直流电压。用以完成这一任务的电路称为滤波电路。
电容和电感都是基本的滤波元件，利用它们在二极管导电时储存一部分能量，然后再逐渐释放出来，从而得到比较平滑的波形。或者从另一个角度看，电容和电感对于交流成分和直流成分反映出来的阻抗不同，如果把它们合理地安排在电路中，可以达到降低交流成分、保留直流成分的目的，体现出滤波的作用。所以电容和电感是组成滤波电路的主要元件。
在开关电源中，滤波电路主要采用以下几种形式。
1．电容器滤波
电容器滤波主要应用在开关变压器一次电路中，如图2-4所示。
交流电压经整流电路之后输出的是单向脉动性直流电压，这一电压可分解为一个直流电压和一组频率不同的正弦交流电压，滤波电路的作用是将直流电压取出，滤除交流成分。电路中，由于电容C对直流电压相当于开路，这样整流电路输出的直流电压不能通过C到地，只有加到负载RL上。对于整流电路输出的交流成分，因C容量较大，其容抗较小，交流成分通过C流到地端，而不能加到负载RL。这样，通过电容C的滤波，从单向脉动性直流电中取出了所需要的直流电压，滤波电容C的容量越大，对交流成分的容抗越小，使残留在负载RL上的交流成分越小，滤波效果就越好。
开关电源中，滤波电容C的容量一般较大，通常采用100～220μF电容(耐压一般高于400V)。该电容在通电瞬间的充电电流较大，对保险管、整流管有一定危害，所以需要通过设置限流电阻对冲击电流进行限制。开关电源的限流电阻多采用负温度系数(NTC)的热敏电阻。其特点是在工作温度范围内电阻值随温度的升高而降低，即在冷态阻值较大时，热态阻值则下降。这样在开机瞬间，电容器的充电电流便受到NTC电阻的限制。在14—60s之后，NTC元件升温相对稳定，其上的分压也逐步降至零点几伏。这样小的压降，可视此种元件在完成软启动功能后为短接状态，不会影响电源的正常工作。
2．LC滤波电路
LC滤波电路主要应用在开关电源二次输出电路中，典型电路如图2-5所示。
在LC滤波电路中，由于RL上并联了一个电容，交流分量在RL//XC和XL之间分压，所以，输出电压的脉动成分比仅用电感滤波时更小。
LC滤波电路在负载电流较小或较大时具有良好的滤波作用，它对负载的适应性比较强。
电感滤波和LC滤波电路的突出优点是负载电流变化时，输出电压波动很小，也就是外特性较好。但由于使用了铁芯电感，制作工艺复杂，体积大，成本较高，不适应电路和整机小型化的要求。
3．n型LC滤波电路
在LC滤波电路的基础上再加上一个电容，就组成了一节n型LC滤波电路，如图2-6所示。n型LC滤波电路广泛应用在开关电源二次输出电路中。
电路中，整流电路输出的单向脉动性直流电压先经电容CI滤波，去掉大部分交流成分，然后加到L和C2滤波电路中。对于交流成分而言，L对它的感抗很大，这样在L上的交流电压降低较大，加到负载上的交流成分小；对直流电而言，由于L没有感抗，同时滤波电感的线径较粗，其直流电阻很小，这样对直流电压基本上没有电压降，所以直流输出电压比较高，这是采用电感滤波器的最大优点。2.1.4启动电路
为了使开关管工作在饱和、截止的开关状态，必须有一个激励脉冲作用到开关管的基极，并联型开关电源一般采用他激式电源，这个激励脉冲一般是由专门的振荡器产生，而振荡器的工作电压则由启动电路来提供。
启动电路分常规启动电路和受控制式启动电路两种形式。
1．常规启动电路
常规启动电路的电路形式如图2-7所示。
接通电源开关后，市电电压经整流、滤波后，获得约300V的直流电压，一路经开关变压器的一次绕组送到开关管的漏极；另一路经R1、R2对C1进行充电，当C1两端电压达到一定值时，则PWM控制芯片的振荡电路得电工作，输出驱动脉冲控制开关管工作。当开关
电源正常工作后，开关变压器二次绕组上感应的脉冲电压经VD1、C1整流滤波后产生直流电压，将取代启动电路，为PWM控制芯片的供电端供电。
2．受控式启动电路
受控式启动电路基本构成如图2-8所示。
受控式启动电路和常规启动电路相比，增加了一个可控开关S，实际电路中，可控开关一般由三极管、场效应管、晶闸管等电路组成，控制信号一般取自开关变压器的反馈绕组。
开关S在启动时接通，启动后断开，由VDI、C1整流滤波产生的电压接替启动电路工作。这种电路不但可减小功耗，而且可大大减小启动电路的故障率。
图2-9所示是一个具体的受控式启动电路的原理图，电路中，开关电源PWM控制芯片采用的是最为常见的UC3842。
开机后，VT912导通，+300V电压经VT912、R932在C916两端建立启动电压，加到UC3842的⑦脚，为UC3842提供启动电压。
当UC3842启动后，开关电源工作，开关变压器T901的⑥一⑦脚感应的脉冲（叠加有+300V直流）经VD910、C915对整流滤波，经R927加到VT912的基极，导致VT912截止，启动电路关断。
由以上分析可知，这种启动判断电路的控制信号来自开关变压器产生的脉冲整流电压。
图2-10所示为另一种形式的受控式启动电路原理图，电路中，开关电源PWM控制芯片采用的仍是UC3842。
开机后，VT611导通，交流电压经VD626整流、VT611和R622降压、VD627整流，在C621两端建立启动电压，加到UC3842的⑦脚，为UC3842提供启动电压。
当UC3842启动后，开关电源工作，UC3842的⑥脚输出SV基准电压，VT612导通，导致VT611截止，启动电路关断。
由以上分析可知，这种受控式启动电路的控制信号取自UC3842的基准电压输出脚，这种受控式启动电路在开关电源中也有一定的应用。
2.1.5功率转换电路
功率转换电路主要由开关管和开关变压器（也称高频变压器）组成，它是实现变压、变频以及输出电压调整的执行部件，是开关电源的核心。早期的开关电源多采用三极管作为开关管，目前开关电源一般采用场效应管作为开关管。
2.1.6稳压电路
为了使开关电源的输出电压不因市电电压、负载电流的变化而发生变化，必须通过稳压电路来对开关管的导通时间进行控制，达到稳定输出电压的目的。稳压电路主要由取样电路、基准电压源、误差放大器、光电耦合器和脉冲调制电路等组成。
1．稳压电路的两种类型
开关电源稳压电路主要有两种类型，即直接取样稳压电路和间接取样稳压电路。
(1)直接取样稳压电路
直接取样稳压电路的特点是，取样电压直接取自开关电源的主电源输出端，通过光电耦合器再反馈到脉冲调制电路。图2-11所示是直接取样稳压电路的基本电路组成。
直接取样电路具有安全性能好、稳压反应速度快、瞬间响应时间短等优点，在开关电源的电源电路中得到了广泛的应用。
(2)间接取样稳压电路
间接取样稳压电路的特点是，在开关变压器上专设一个取样绕组，由于取样绕组和二次绕组采用紧耦合结构，所以，取样绕组被感应的脉冲电压的高低就间接地反映了输出电压的高低，因此，这种取样方式称为间接取样方式。图2-12所示是间接取样稳压电的基本电路组成。
这种取样方式的优点是电路简洁，但也存在不少问题，主要是稳压瞬间响应差。当输出电压因市电电压等原因发生变化时，需经开关变压器的耦合才能反映到取样绕组，不但响应速度慢，而且不便于空载检修，检修时，应在主电源输出端接假负载。
2．稳压电路的工作过程
下面以直接取样稳压电路为例进行说明，有关电路如图2-11所示。
220V交流输入电压经过整流滤波后变为脉动直流电压，为开关管VT提供电源。开关电源工作后，从开关变压器T的二次侧输出脉冲电压，经二极管VD整流和电容C2滤波后，输出直流电压Uo，为负载供电。
当输出电压uo降时，经取样电路取样后的电压亦下降，取样电压与基准电压经误差放大器比较后，由光电耦合器输入到PWM比较器，使PWM比较器输出的脉冲宽度加宽，宽脉冲使开关管导通时间加长，驱动开关变压器T储能增加，使输出电压Uo上升；反之结果相反。
2.1.7保护电路
开关电源的许多元器件都工作在大电压、大电流条件下，为了保证开关电源及负载电路的安全，开关电源设置了许多保护电路。
1．尖峰吸收回路
由于开关变压器是感性器件，所以，在开关管截止瞬间，其集电极上将产生尖峰极高的反峰值电压，容易导致开关管过压损坏，为此，开关电源大都设置了如图2-13所示的尖峰吸收回路。
在图2-13 (a)所示的电路中，开关管VT截止瞬间，其集电极上产生的反峰值电压，经CI、R1构成充电回路，充电电流使尖峰电压被抑制在一定范围内，以免开关管被击穿，当C1充电结束后，C1通过开关变压器T的一次绕组、300V滤波电容C1、地、R1构成放电回路。因此，当R1取值小时，虽然利于尖峰电压的吸收，但增大了开关管的开启损耗；当R1取值大时，虽然降低了开关管的开启损耗，但降低了尖峰电压的吸收。
图2-13 (b)所示电路是针对以上电路改进的，在图2-13 (b)中，不但加装了二极管VD1，而且加大了R1的值，这样，由于VD1的内阻较小，利于尖峰电压的吸收，而R1的取值又较大，降低了开启损耗大对开关管VT的影响。
图2-13 (c)所示的电路与图2-13 (b)所示的电路工作原理是一样的，吸收效果要更好一些。目前，开关电源的电源尖峰吸收回路基本上都采用该电路形式。
2．过压保护电路
为避免因各种原因引起的输出电压升高，而造成负载电路的元器件损坏，一般都设置过压保护电路。方法有多种，有在输出电压和地之间并联晶闸管(SCR)的，一旦电压取样电路检测到输出电压升高，就会触发晶闸管导通，起到过压保护的功能；也可以在检测到输出电压升高时，直接控制开关管的振荡过程，使开关电源停止工作。
3．过流保护电路
为了避免开关管因负载短路或过重而使开关管过流损坏，开关电源必须具有过流保护功能。
最简单的过流保护措施是在线路中串入保险管，需要说明的是，CRT彩电开关电源中所使用的保险管一般比较特殊，具有瞬间承受大电流冲击不会熔断的性能，称为延迟保险，这主要是为配合CRT彩电开机时的自动消磁特制的。因此在电流过大时，保险管的动作不会很及时，只能起慢速保护的作用。
另外，在整流电路中常接有限流电阻，阻值为几欧，能起一定的限流作用。
还有一种比较有效的过流保护方法，是在开关调整管的发射极（对三极管而言）或源极（对场效应管而言）串接一只过流检测小电阻，一旦由某种原因引起饱和时的电流过大，则过流检测电阻上的压降增大，从而触发保护电路，使开关管基极上的驱动脉冲消失或调整驱动脉冲的脉宽，使开关管的导通时间下降，达到过流保护的目的。
4．软启动电路
开关电源一般在开机瞬间，由于稳压电路还没有完全进入工作状态，开关管将处于失控状态，极易因关断损耗大或过激励而损坏。为此，一些开关电源中设有软启动电路，其作用是在每次开机时，限制激励脉冲导通时间不至于过长，并使稳压电路迅速进入工作状态。有些电源控制芯片中集成有软启动电路，有些开关电源则在外部专设有软启动电路。
5．欠压保护电路
当市电电压过低时，将引起激励脉冲幅度不足，导致开关管因开启损耗大而损坏，因此，有些开关电源设置了欠压保护电路。例如，开关电源控制芯片UC3842在其内部就设置了欠压保护电路。
开关电源的保护电路还有一些，这里不再一一分析。
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