本文將對開關電源的各功能電路進行全面且深入的解析，涵蓋其電路組成、工作原理以及常見的電路類型等方面。

開關電源的電路組成

開關電源的主要電路由輸入電磁干擾濾波器（EMI）、整流濾波電路、功率變換電路、PWM 控制器電路、輸出整流濾波電路組成。此外，還有一系列輔助電路，如輸入過欠壓保護電路、輸出過欠壓保護電路、輸出過流保護電路、輸出短路保護電路等。這些電路相互協(xié)作，確保開關電源能夠穩(wěn)定、可靠地工作。開關電源的電路組成方框圖如下：

圖 1：開關電源電路組成方框圖

輸入電路的原理及常見電路

輸入電路主要分為 AC 輸入整流濾波電路和 DC 輸入濾波電路，它們的作用是對輸入電源進行處理，抑制電磁噪聲和雜波信號，同時防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對電網(wǎng)造成干擾。

• AC 輸入整流濾波電路原理
  • 防雷電路：當有雷擊產(chǎn)生高壓經(jīng)電網(wǎng)導入電源時，由 MOV1、MOV2、MOV3、F1、F2、F3、FDG1 組成的電路進行保護。當加在壓敏電阻兩端的電壓超過其工作電壓時，其阻值降低，使高壓能量消耗在壓敏電阻上。若電流過大，F(xiàn)1、F2、F3 會燒毀，從而保護后級電路。
  • 輸入濾波電路：C1、L1、C2、C3 組成的雙 π 型濾波網(wǎng)絡主要對輸入電源的電磁噪聲及雜波信號進行抑制。當電源開啟瞬間，要對 C5 充電，由于瞬間電流大，加 RT1（熱敏電阻）能有效防止浪涌電流。一定時間后溫度升高，RT1 阻值減小，這時它消耗的能量非常小，后級電路可正常工作。
  • 整流濾波電路：交流電壓經(jīng) BRG1 整流后，經(jīng) C5 濾波得到較為純凈的直流電壓。若 C5 容量變小，輸出的交流紋波將增大。
• DC 輸入濾波電路原理
  • 輸入濾波電路：C1、L1、C2 組成的雙 π 型濾波網(wǎng)絡對輸入電源的電磁噪聲及雜波信號進行抑制，C3、C4 為安規(guī)電容，L2、L3 為差模電感。
  • 抗浪涌電路：R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7 組成抗浪涌電路。在起機瞬間，由于 C6 的存在 Q2 不導通，電流經(jīng) RT1 構成回路。當 C6 上的電壓充至 Z1 的穩(wěn)壓值時 Q2 導通。如果 C8 漏電或后級電路短路，在起機瞬間電流在 RT1 上產(chǎn)生的壓降增大，Q1 導通使 Q2 沒有柵極電壓不導通，RT1 將會在很短的時間燒毀，以保護后級電路。

      功率變換電路

   功率變換電路是開關電源的核心部分，它將輸入的直流電壓轉換為高頻交流電壓，再通過變壓器進行電壓變換。

• MOS 管的工作原理：目前應用最廣泛的絕緣柵場效應管是 MOSFET（MOS 管），它利用半導體表面的電聲效應進行工作，也稱為表面場效應器件。由于其柵極處于不導電狀態(tài)，輸入電阻可以大大提高，最高可達 105 歐姆。MOS 管利用柵源電壓的大小，來改變半導體表面感生電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。
• 常見的原理圖及工作原理：R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2 組成緩沖器，和開關 MOS 管并接，使開關管電壓應力減少，EMI 減少，不發(fā)生二次擊穿。在開關管 Q1 關斷時，變壓器的原邊線圈易產(chǎn)生尖峰電壓和尖峰電流，這些元件組合一起，能很好地吸收尖峰電壓和電流。從 R3 測得的電流峰值信號參與當前工作周波的占空比控制，因此是當前工作周波的電流限制。當 R5 上的電壓達到 1V 時，UC3842 停止工作，開關管 Q1 立即關斷。R1 和 Q1 中的結電容 CGS、CGD 一起組成 RC 網(wǎng)絡，電容的充放電直接影響著開關管的開關速度。R1 過小，易引起振蕩，電磁干擾也會很大；R1 過大，會降低開關管的開關速度。Z1 通常將 MOS 管的 GS 電壓限制在 18V 以下，從而保護了 MOS 管。Q1 的柵極受控電壓為鋸形波，當其占空比越大時，Q1 導通時間越長，變壓器所儲存的能量也就越多；當 Q1 截止時，變壓器通過 D1、D2、R5、R4、C3 釋放能量，同時也達到了磁場復位的目的，為變壓器的下一次存儲、傳遞能量做好了準備。IC 根據(jù)輸出電壓和電流時刻調整著⑥腳鋸形波占空比的大小，從而穩(wěn)定了整機的輸出電流和電壓。C4 和 R6 為尖峰電壓吸收回路。
  
  圖 4：功率變換電路原理圖
• 推挽式功率變換電路：Q1 和 Q2 將輪流導通。
  
  圖 5：推挽式功率變換電路
• 有驅動變壓器的功率變換電路：T2 為驅動變壓器，T1 為開關變壓器，TR1 為電流環(huán)。

輸出整流濾波電路

輸出整流濾波電路的作用是將變壓器輸出的高頻交流電壓轉換為穩(wěn)定的直流電壓，并對其進行濾波，減少輸出電壓的紋波。

• 正激式整流電路：T1 為開關變壓器，其初極和次極的相位同相。D1 為整流二極管，D2 為續(xù)流二極管，R1、C1、R2、C2 為削尖峰電路。L1 為續(xù)流電感，C4、L2、C5 組成 π 型濾波器。
• 反激式整流電路：T1 為開關變壓器，其初極和次極的相位相反。D1 為整流二極管，R1、C1 為削尖峰電路。L1 為續(xù)流電感，R2 為假負載，C4、L2、C5 組成 π 型濾波器。
• 同步整流電路：當變壓器次級上端為正時，電流經(jīng) C2、R5、R6、R7 使 Q2 導通，電路構成回路，Q2 為整流管。Q1 柵極由于處于反偏而截止。當變壓器次級下端為正時，電流經(jīng) C3、R4、R2 使 Q1 導通，Q1 為續(xù)流管。Q2 柵極由于處于反偏而截止。L2 為續(xù)流電感，C6、L1、C7 組成 π 型濾波器。R1、C1、R9、C4 為削尖峰電路。

穩(wěn)壓環(huán)路的作用是穩(wěn)定開關電源的輸出電壓，使其不受輸入電壓和負載變化的影響。

• 反饋電路原理圖及工作原理：當輸出 U0 升高，經(jīng)取樣電阻 R7、R8、R10、VR1 分壓后，U1③腳電壓升高，當其超過 U1②腳基準電壓后 U1①腳輸出高電平，使 Q1 導通，光耦 OT1 發(fā)光二極管發(fā)光，光電三極管導通，UC3842①腳電位相應變低，從而改變 U1⑥腳輸出占空比減小，U0 降低。當輸出 U0 降低時，U1③腳電壓降低，當其低過 U1②腳基準電壓后 U1①腳輸出低電平，Q1 不導通，光耦 OT1 發(fā)光二極管不發(fā)光，光電三極管不導通，UC3842①腳電位升高，從而改變 U1⑥腳輸出占空比增大，U0 升高。周而復始，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。調節(jié) VR1 可改變輸出電壓值。反饋環(huán)路是影響開關電源穩(wěn)定性的重要電路。如反饋電阻電容錯、漏、虛焊等，會產(chǎn)生自激振蕩，故障現(xiàn)象為：波形異常，空、滿載振蕩，輸出電壓不穩(wěn)定等。
  
  圖 7：穩(wěn)壓環(huán)路反饋電路

短路保護電路

短路保護電路的作用是在輸出端短路的情況下，將輸出電流限制在一個安全范圍內，保護開關電源和后級用電設備。短路保護電路通常有多種實現(xiàn)方式，以下是幾種常見的短路保護電路及其工作原理：

• 小功率短路保護電路：當輸出電路短路，輸出電壓消失，光耦 OT1 不導通，UC3842①腳電壓上升至 5V 左右，R1 與 R2 的分壓超過 TL431 基準，使之導通，UC3842⑦腳 VCC 電位被拉低，IC 停止工作。UC3842 停止工作后①腳電位消失，TL431 不導通 UC3842⑦腳電位上升，UC3842 重新啟動，周而復始。當短路現(xiàn)象消失后，電路可以自動恢復成正常工作狀態(tài)。
  
  圖 8：小功率短路保護電路
• 中功率短路保護電路：當輸出短路，UC3842①腳電壓上升，U1③腳電位高于②腳時，比較器翻轉①腳輸出高電位，給 C1 充電，當 C1 兩端電壓超過⑤腳基準電壓時 U1⑦腳輸出低電位，UC3842①腳低于 1V，UCC3842 停止工作，輸出電壓為 0V，周而復始，當短路消失后電路正常工作。R2、C1 是充放電時間常數(shù)，阻值不對時短路保護不起作用。
• 常見的限流、短路保護電路：當輸出電路短路或過流，變壓器原邊電流增大，R3 兩端電壓降增大，③腳電壓升高，UC3842⑥腳輸出占空比逐漸增大，③腳電壓超過 1V 時，UC3842 關閉無輸出。
• 用電流互感器取樣電流的保護電路：輸出電路短路或電流過大，TR1 次級線圈感應的電壓就越高，當 UC3842③腳超過 1 伏，UC3842 停止工作，周而復始，當短路或過載消失，電路自行恢復。

輸出端限流保護

常見的輸出端限流保護電路的工作原理是：當輸出電流過大時，RS（錳銅絲）兩端電壓上升，U1③腳電壓高于②腳基準電壓，U1①腳輸出高電壓，Q1 導通，光耦發(fā)生光電效應，UC3842①腳電壓降低，輸出電壓降低，從而達到輸出過載限流的目的。

圖 9：輸出端限流保護電路

輸出過壓保護電路的原理

輸出過壓保護電路的作用是當輸出電壓超過設計值時，把輸出電壓限定在一安全值的范圍內，防止損壞后級用電設備。常見的過壓保護電路有以下幾種：

• 可控硅觸發(fā)保護電路：當 Uo1 輸出升高，穩(wěn)壓管（Z3）擊穿導通，可控硅（SCR1）的控制端得到觸發(fā)電壓，因此可控硅導通。Uo2 電壓對地短路，過流保護電路或短路保護電路就會工作，停止整個電源電路的工作。當輸出過壓現(xiàn)象排除，可控硅的控制端觸發(fā)電壓通過 R 對地泄放，可控硅恢復斷開狀態(tài)。
  
  圖 10：可控硅觸發(fā)保護電路
• 光電耦合保護電路：當 Uo 有過壓現(xiàn)象時，穩(wěn)壓管擊穿導通，經(jīng)光耦（OT2）R6 到地產(chǎn)生電流流過，光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光，從而使光電耦合器的光敏三極管導通。Q1 基極得電導通，3842 的③腳電降低，使 IC 關閉，停止整個電源的工作，Uo 為零，周而復始。
  
  圖 11：光電耦合保護電路
• 輸出限壓保護電路：當輸出電壓升高，穩(wěn)壓管導通光耦導通，Q1 基極有驅動電壓而導通，UC3842③電壓升高，輸出降低，穩(wěn)壓管不導通，UC3842③電壓降低，輸出電壓升高。周而復始，輸出電壓將穩(wěn)定在一范圍內（取決于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值）。
• 輸出過壓鎖死電路：在圖 A 中，當輸出電壓 Uo 升高，穩(wěn)壓管導通，光耦導通，Q2 基極得電導通，由于 Q2 的導通 Q1 基極電壓降低也導通，Vcc 電壓經(jīng) R1、Q1、R2 使 Q2 始終導通，UC3842③腳始終是高電平而停止工作。在圖 B 中，UO 升高 U1③腳電壓升高，①腳輸出高電平，由于 D1、R1 的存在，U1①腳始終輸出高電平 Q1 始終導通，UC3842①腳始終是低電平而停止工作。

功率因數(shù)校正電路（PFC）

功率因數(shù)校正電路的作用是提高開關電源的功率因數(shù)，減少對電網(wǎng)的諧波污染。

• 原理示意圖及工作原理：輸入電壓經(jīng) L1、L2、L3 等組成的 EMI 濾波器，BRG1 整流一路送 PFC 電感，另一路經(jīng) R1、R2 分壓后送入 PFC 控制器作為輸入電壓的取樣，用以調整控制信號的占空比，即改變 Q1 的導通和關斷時間，穩(wěn)定 PFC 輸出電壓。L4 是 PFC 電感，它在 Q1 導通時儲存能量，在 Q1 關斷時施放能量。D1 是啟動二極管。D2 是 PFC 整流二極管，C6、C7 濾波。PFC 電壓一路送后級電路，另一路經(jīng) R3、R4 分壓后送入 PFC 控制器作為 PFC 輸出電壓的取樣，用以調整控制信號的占空比，穩(wěn)定 PFC 輸出電壓。
  
  圖 12：功率因數(shù)校正電路

輸入過欠壓保護

輸入過欠壓保護電路的作用是在輸入電壓過高或過低時，保護開關電源不受損壞。AC 輸入和 DC 輸入的開關電源的輸入過欠壓保護原理大致相同。保護電路的取樣電壓均來自輸入濾波后的電壓。