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开关电源工作原理详细讲解析.doc

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开关电源工作原理详解析

 个人 PC 所采用的电源都是基于一种名为“开关模式”的技术，所以我们经常会将个人 PC

电源称之为——开关电源（Switching Mode Power Supplies，简称 SMPS），它还有

一个绰号——DC-DC 转化器。本次文章我们将会为您解读开关电源的工作模式和原理、开

关电源部的元器件的介绍以与这些元器件的功能。

●线性电源知多少

 目前主要包括两种电源类型：线性电源（linear）和开关电源（switching）。线性电

源的工作原理是首先将 127 V 或者 220 V 市电通过变压器转为低压电，比如说 12V，而

且经过转换后的低压依然是 AC 交流电；然后再通过一系列的二极管进行矫正和整流，并

将低压 AC 交流电转化为脉动电压（配图 1 和 2 中的“3”）；下一步需要对脉动电压进行滤

波，通过电容完成，然后将经过滤波后的低压交流电转换成 DC 直流电（配图 1 和 2 中的

“4”）；此时得到的低压直流电依然不够纯净，会有一定的波动（这种电压波动就是我们常

说的纹波），所以还需要稳压二极管或者电压整流电路进行矫正。最后，我们就可以得到

纯净的低压 DC 直流电输出了（配图 1 和 2 中的“5”）

配图 1：标准的线性电源设计图

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配图 2：线性电源的波形

 尽管说线性电源非常适合为低功耗设备供电，比如说无绳、PlayStation/Wii/Xbox 等

游戏主机等等，但是对于高功耗设备而言，线性电源将会力不从心。

 对于线性电源而言，其部电容以与变压器的大小和 AC 市电的频率成反比：也即说如果

输入市电的频率越低时，线性电源就需要越大的电容和变压器，反之亦然。由于当前一直

采用的是 60Hz（有些国家是 50Hz）频率的 AC 市电，这是一个相对较低的频率，所以其

变压器以与电容的个头往往都相对比较大。此外，AC 市电的浪涌越大，线性电源的变压

器的个头就越大。

 由此可见，对于个人 PC 领域而言，制造一台线性电源将会是一件疯狂的举动，因为它

的体积将会非常大、重量也会非常的重。所以说个人 PC 用户并不适合用线性电源。

●开关电源知多少

 开关电源可以通过高频开关模式很好的解决这一问题。对于高频开关电源而言，AC 输

入电压可以在进入变压器之前升压（升压前一般是 50-60 KHz）。随着输入电源的升高，

变压器以与电容等元器件的个头就不用像线性电源那么的大。这种高频开关电源正是我们

的个人 PC 以与像 VCR 录像机这样的设备所需要的。需要说明的是，我们经常所说的“开关

电源”其实是“高频开关电源”的缩写形式，和电源本身的关闭和开启式没有任何关系的。

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 事实上，终端用户的 PC 的电源采用的是一种更为优化的方案：闭回路系统（closed

loop system）——负责控制开关管的电路，从电源的输出获得反馈信号，然后根据 PC

的功耗来增加或者降低某一周期的电压的频率以便能够适应电源的变压器（这个方法称作

PWM，Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）。所以说，开关电源可以根据与之相

连的耗电设备的功耗的大小来自我调整，从而可以让变压器以与其他的元器件带走更少量

的能量，而且降低发热量。

 反观线性电源，它的设计理念就是功率至上，即便负载电路并不需要很大电流。这样做

的后果就是所有元件即便非必要的时候也工作在满负荷下，结果产生高很多的热量。

 下图 3 和 4 描述的是开关电源的 PWM 反馈机制。图 3 描述的是没有 PFC(Power

Factor Correction，功率因素校正) 电路的廉价电源，图 4 描述的是采用主动式 PFC 设

计的中高端电源。

图 3：没有 PFC 电路的电源

图 4：有 PFC 电路的电源

 通过图 3 和图 4 的对比我们可以看出两者的不同之处：一个具备主动式 PFC 电路而另

一个不具备，前者没有 110/220 V 转换器，而且也没有电压倍压电路。下文我们的重点

将会是主动式 PFC 电源的讲解。

 为了让读者能够更好的理解电源的工作原理，以上我们提供的是非常基本的图解，图中

并未包含其他额外的电路，比如说短路保护、待机电路以与 PG 信号发生器等等。当然了，

如果您还想了解一下更加详尽的图解，请看图 5。如果看不懂也没关系，因为这图本来就

是为那些专业电源设计人员看的。

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图 5：典型的低端 ATX 电源设计图

 你可能会问，图 5 设计图中为什么没有电压整流电路？事实上，PWM 电路已经肩负起

了电压整流的工作。输入电压在经过开光管之前将会再次校正，而且进入变压器的电压已

经成为方形波。所以，变压器输出的波形也是方形波，而不是正弦波。由于此时波形已经

是方形波，所以电压可以轻而易举的被变压器转换为 DC 直流电压。也就是说，当电压被

变压器重新校正之后，输出电压已经变成了 DC 直流电压。这就是为什么很多时候开关电

源经常会被称之为 DC-DC 转换器。

 馈送 PWM 控制电路的回路负责所有需要的调节功能。如果输出电压错误时，PWM 控

制电路就会改变工作周期的控制信号以适应变压器，最终将输出电压校正过来。这种情况

经常会发生在 PC 功耗升高的时，此时输出电压趋于下降，或者 PC 功耗下降的时，此时输

出电压趋于上升。

 在看下一页是，我们有必要了解一下以下信息：

★在变压器之前的所有电路与模块称为“primary”（一次侧），在变压器之后的所有电路

与模块称为“secondary”（二次侧）；

★采用主动式 PFC 设计的电源不具备 110 V/ 220 V 转换器，同时也没有电压倍压器；

★对于没有 PFC 电路的电源而言，如果 110 V / 220 V 被设定为 110 V 时，电流在进入

整流桥之前，电源本身将会利用电压倍压器将 110 V 提升至 220 V 左右；

★PC 电源上的开光管由一对功率 MOSFET 管构成，当然也有其他的组合方式，之后我们

将会详解；

★变压器所需波形为方形波，所以通过变压器后的电压波形都是方形波，而非正弦波；

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★PWM 控制电流往往都是集成电路，通常是通过一个小的变压器与一次侧隔离，而有时候

也可能是通过耦合芯片（一种很小的带有 LED 和光电晶体管的 IC 芯片）和一次侧隔离；

★PWM 控制电路是根据电源的输出负载情况来控制电源的开关管的闭合的。如果输出电压

过高或者过低时，PWM 控制电路将会改变电压的波形以适应开光管，从而达到校★正输

出电压的目的；

 下一页我们将通过图片来研究电源的每一个模块和电路，通过实物图形象的告诉你在电

源中何处能找到它们。

 当你第一次打开一台电源后（确保电源线没有和市电连接，否则会被电到），你可能会

被里面那些奇奇怪怪的元器件搞得晕头转向，但是有两样东西你肯定认识：电源风扇和散

热片。

开关电源部

 但是您应该很容易就能分辨出电源部哪些元器件属于一次侧，哪些属于二次侧。一般来

讲，如果你看到一个（采用主动式 PFC 电路的电源）或者两个（无 PFC 电路的电源）很大

的滤波电容的话，那一侧就是一次侧。

 一般情况下，再电源的两个散热片之间都会安排 3 个变压器，比如说图 7 所示，主变压

器是最大个的那颗；中等“体型”的那颗往往负责+5VSB 输出，而最小的那颗一般用于

PWM 控制电路，主要用于隔离一次侧和二次侧部分（这也是为什么在上文图 3 和图 4 中

的变压器上贴着“隔离器”的标签）。有些电源并不把变压器当“隔离器”来用，而是采用一颗

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