開關電源基礎知識講解

開關電源基礎知識講解

一、前言：PC電源知多少個人PC所采用的電源都是基于一種名為"開關

模式”的技術(shù)所以我們經(jīng)常會將個人PC電源稱之為一開關電源(Switching

ModePowerSupplies,簡稱SMPS),它還有一個綽號——DC-DC轉(zhuǎn)化器。

本次文章我們將會為您解讀開關電源的工作模式和原理、開關電源內(nèi)部的元器件

的介紹以及這些元器件的功能。

?線性電源知多少

目前主要包括兩種電源類型：線性電源(linear)和開關電源(switching)。

線性電源的工作原理是首先將127V或者220V市電通過變壓器轉(zhuǎn)為低壓電,

比如說12V,而且經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的低壓依然是AC交流電；然后再通過一系列的二

極管進行矯正和整流，并將低壓AC交流電轉(zhuǎn)化為脈動電壓(配圖1和2中的

"3");

二、下一步需要對脈動電壓進行濾波，通過電容完成，然后將經(jīng)過濾波后的

低壓交流電轉(zhuǎn)換成DC直流電(配圖1和2中的"4")；此時得到的低壓直

流電依然不夠純凈，會有一定的波動(這種電壓波動就是我們常說的紋波)，所

以還需要穩(wěn)壓二極管或者電壓整流電路進行矯正。最后，我們就可以得到純凈

的低壓DC直流電輸出了(配圖1和2中的"5")

I2VOC)

TfanslornieiRecltbcabonFilteringRegulation

配圖1:標準的線性電源設計圖

12

配圖2：線性電源的波形

盡管說線性電源非常適合為彳氐功耗設備供電，比如說無繩電話、

PlayStation/Wii/Xbox等游戲主機等等，但是對于高功耗設備而言，線性電源

將會力不從心。

對于線性電源而言，其內(nèi)部電容以及變壓器的大小和AC市電的頻率成反

比：也即說如果輸入市電的頻率越低時，線性電源就需要越大的電容和變壓器，

反之亦然。由于當前一直采用的是60Hz（有些國家是50Hz）頻率的AC市電,

這是一個相對較低的頻率，所以其變壓器以及電容的個頭往往都相對比較大。此

外，AC市電的浪涌越大，線性電源的變壓器的個頭就越大。

由此可見，對于個人PC領域而言，制造一臺線性電源將會是一件瘋狂的舉動,

因為它的體積將會非常大、重量也會非常的重。所以說個人PC用戶并不適合用

線性電源。

?開關電源知多少

開關電源可以通過高頻開關模式很好的解決這一問題。對于高頻開關電源而

言，AC輸入電壓可以在進入變壓器之前升壓（升壓前一般是50-60KHz）。

隨著輸入電壓的升高，變壓器以及電容等元器件的個頭就不用像線性電源那么的

大。這種高頻開關電源正是我們的個人PC以及像VCR錄像機這樣的設備所需

要的。

需要說明的是，我們經(jīng)常所說的“開關電源"其實是"高頻開關電源”的縮

寫形式，和電源本身的關閉和開啟式?jīng)]有任何關系的。

事實上，終端用戶的PC的電源采用的是一種更為優(yōu)化的方案：閉回路系統(tǒng)

（closedloopsystem）——負責控制開關管的電路,從電源的輸出獲得反饋

信號，然后根據(jù)PC的功耗來增加或者降低某一周期內(nèi)的電壓的頻率以便能夠適

應電源的變壓器（這個方法稱作PWM,PulseWidthModulation,脈沖寬度

調(diào)制）。

所以說，開關電源可以根據(jù)與之相連的耗電設備的功耗的大小來自我調(diào)整，

從而可以讓變壓器以及其他的元器件帶走更少量的能量，而且降｛氐發(fā)熱量。

反觀線性電源，它的設計理念就是功率至上，即便負載電路并不需要很大電流。

這樣做的后果就是所有元件即便非必要的時候也工作在滿負荷下，結(jié)果產(chǎn)生高很

多的熱量。

二、看圖說話：圖解開關電源

下圖3和4描述的是開關電源的PWM反饋機制。圖3描述的是沒有PFC（Power

FactorCorrection,功率因素校正）電路的廉價電源，圖4描述的是采用主動

式PFC設計的中高端電源。

圖3：沒有PFC電路的電源

圖4：有PFC電路的電源

通過圖3和圖4的對比我們可以看出兩者的不同之處：一個具備主動式PFC電

路而另一個不具備，前者沒有110/220V轉(zhuǎn)換器,而且也沒有電壓倍壓電路。

下文我們的重點將會是主動式PFC電源的講解。

為了讓讀者能夠更好的理解電源的工作原理，以上我們提供的是非常基本的圖

解，圖中并未包含其他額外的電路，比如說短路保護、待機電路以及PG信號

發(fā)生器等等。當然了，如果您還想了解一下更加詳盡的圖解，請看圖5。如果看

不懂也沒關系，因為這張圖本來就是為那些專業(yè)電源設計人員看的。

圖5:典型的低端ATX電源設計圖（圖片可能不太清晰建議大家拖出來看）

你可能會問，圖5設計圖中為什么沒有電壓整流電路？事實上，PWM電路已經(jīng)

肩負起了電壓整流的工作。輸入電壓在經(jīng)過開關管之前將會再次校正，而且進

入變壓器的電壓已經(jīng)成為方形波。所以，變壓器輸出的波形也是方形波，而不是

正弦波。由于此時波形已經(jīng)是方形波，所以電壓可以輕而易舉的被變壓器轉(zhuǎn)換為

DC直流電壓。

也就是說，當電壓被變壓器重新校正之后，輸出電壓已經(jīng)變成了DC直流電壓。

這就是為什么很多時候開關電源經(jīng)常會被稱之為DC-DC轉(zhuǎn)換器。

饋送PWM控制電路的回路負責所有需要的調(diào)節(jié)功能。如果輸出電壓錯誤時，

PWM控制電路就會改變工作周期的控制信號以適應變壓器，最終將輸出電壓校

正過來。這種情況經(jīng)常會發(fā)生在PC功耗升高的時，此時輸出電壓趨于下降，或

者PC功耗下降的時，此時輸出電壓趨于上升。

在看下一頁時，我們有必要了解一下以下信息：

★在變壓器之前的所有電路及模塊稱為"primary”（一次側(cè)），在變壓器之后

的所有電路及模塊稱為"secondary"（二次側(cè)）;

★采用主動式PFC設計的電源不具備110V/220V轉(zhuǎn)浜器，同時也沒有電壓倍

壓器；

★對于沒有PFC電路的電源而言，如果110V/220V被設定為110V時，電

流在進入整流橋之前，電源本身將會利用電壓倍壓器將110V提升至220V左

右；

★PC電源上的開關管由一對功率MOSFET管構(gòu)成，當然也有其他的組合方式，

之后我們將會詳解；

★變壓器所需波形為方形波，所以通過變壓器后的電壓波形都是方形波，而非正

弦波；

★PWM控制電流往往都是集成電路通常是通過一個小的變壓器與一次側(cè)隔離，

而有時候也可能是通過耦合芯片（一種很小的帶有LED和光電晶體管的IC芯片）

和一次側(cè)隔離；

★PWM控制電路是根據(jù)電源的輸出負載情況來控制電源的開關管的閉合的。如

果輸出電壓過高或者過低時，PWM控制電路將會改變電壓的波形以適應開關

管，從而達到?！镎敵鲭妷旱哪康?；

下一頁我們將通過圖片來研究電源的每一個模塊和電路，通過實物圖形象的告訴

你在電源中何處能找到它們。

三、看圖說話：電源內(nèi)部揭秘

當你第一次打開一臺電源后（確保電源線沒有和市電連接，否則會被電到），你

可能會被里面那些奇奇怪怪的元器件搞得暈頭轉(zhuǎn)向，但是有兩樣東西你肯定認

識：電源風扇和散熱片。

開關電源內(nèi)部

但是您應該很容易就能分辨出電源內(nèi)部哪些元器件屬于一次側(cè)，哪些屬于二次

側(cè)。一般來講，如果你看到一個（采用主動式PFC電路的電源）或者兩個（無

PFC電路的電源）很大的濾波電容的話，那一側(cè)就是一次側(cè)。

一般情況下，在電源的兩個散熱片之間都會安排3個變壓器，比如說圖7所示,

主變壓器是最大個的那顆；中等"體型"的那顆往往負責+5VSB輸出，而最小

的那顆一般用于PWM控制電路，主要用于隔離一次側(cè)和二次側(cè)部分（這也是為

什么在上文圖3和圖4中的變壓器上貼著"隔離器"的標簽）。有些電源并不

把變壓器當"隔離器”來用,而是采用一顆或者多顆光耦（看起來像是IC整合

芯片），也即說采用這種設計方案的電源只有兩個變壓器一主變壓器和輔變

壓器。

電源內(nèi)部一般都有兩個散熱片，一個屬于一次側(cè)，另一個屬于二次側(cè)。如果是一

臺主動式PFC電源,那么它的在一次側(cè)的散熱片上，你可以看到開關管、PFC

晶體管以及二極管。這也不是絕對的，因為也有些廠商可能會選擇將主動式PFC

組件安裝到獨立的散熱片上，此時在一次側(cè)會有兩個散熱片。

在二次側(cè)的散熱片上，你會發(fā)現(xiàn)有一些整流器，它們看起來和三極管有點像，但

事實上，它們都是由兩顆功率二極管組合而成的。

在二次側(cè)的散熱片旁邊，你還會看到很多電容和電感線圈，共同共同組成了低壓

濾波模塊——找到它們也就找到了二次側(cè)。

區(qū)分一次側(cè)和二次側(cè)更簡單的方法就是跟著電源的線走。一般來講，與輸出線相

連的往往是二次側(cè)，而與輸入線相連的是一次側(cè)（從市電接入的輸入線）o如圖

7所示。

Transformer

.■r

Pnmary

區(qū)分一次側(cè)和二次側(cè)

以上我們從宏觀的角度大致介紹了一下一臺電源內(nèi)部的各個模塊。下面我們細化

一下，將話題轉(zhuǎn)移到電源各個模塊的元器件上來……

四、瞬變?yōu)V波電路解析

市電接入PC開關電源之后，首先進入瞬變?yōu)V波電路(TransientFiltering),

也就是我們常說的EMI電路。下圖8描述的是一臺PC電源的"推薦的"的瞬

變?yōu)V波電路的電路圖。

瞬變?yōu)V波電路的電路圖

為什么要強調(diào)是"推薦的"的呢？因為市面上很多電源,尤其是低端電源，往往

會省去圖8中的一些元器件。所以說通過檢查EMI電路是否有縮水就可以來判

斷你的電源品質(zhì)的優(yōu)劣。

EMI電路電路的主要部件是MOV（IOxideVaristor,金屬氧化物壓敏電阻），

或者壓敏電阻（圖8中RV1所示），負責抑制市電瞬變中的尖峰。MOV元件

同樣被用在浪涌抑制器上（surgesuppressors）。

盡管如此，許多低端電源為了節(jié)省成本往往會砍掉重要的MOV元件。對于配備

MOV元件電源而言，有無浪涌抑制器已經(jīng)不重要了，因為電源已經(jīng)有了抑制

浪涌的功能。

圖8中的LIandL2是鐵素體線圈；ClandC2為圓盤電容，通常是藍色的，

這些電容通常也叫電容是金屬化聚酯電容，通常容量為

"Y";C3100nFx470nF

或680nF,也叫"X"電容；有些電源配備了兩顆X電容，和市電并聯(lián)相接，

如圖8RV1所示。

X電容可以任何一種和市電并聯(lián)的電容；Y電容一般都是兩兩配對，需要串聯(lián)連

接到火、零之間并將兩個電容的中點通過機箱接地。也就是說，它們是和市電并

聯(lián)的。

瞬變?yōu)V波電路不僅可以起到給市電濾波的作用，而且可以阻止開關管產(chǎn)生的噪聲

干擾到同在一根市電上的其他電子設備。

一起來看幾個實際的例子。如圖9所示，你能看到一些奇怪之處嗎？這個電源居

然沒有瞬變?yōu)V波電路！這是一款低廉的"山寨"電源。清注意，看看電路板上的

標記，瞬變?yōu)V波電路本來應該有才對，但是卻被喪失良知的黑心JS們帶到了市

場里。

再看圖10實物所示，這是一款具備瞬變?yōu)V波電路的低端電源，但是正如我們看

到的那樣，這款電源的瞬變?yōu)V波電路省去了重要的MOV壓敏電阻，而且只有一

個鐵素體線圈；不過這款電源配備了一個額外的X電容。

低端電源的EMI電路

瞬變?yōu)V波電路分為一級EMI和二級EMI,很多電源的一級EMI往往會被安置在

一個獨立的PCB板上，靠近市電接口部分，二級EMI則被安置在電源的主PCB

板上，如下圖所示：

一級EMI配備了一個X電容和一個鐵素體電感。

再看這款電源的二級EML在這里我們能看到MOV壓敏電阻，盡管它的安置位

置有點奇怪，位于第二個鐵素體的后面。總體而言，應該說這款電源的EMI電

路是非常完整的。

完整的二級EMI

值得一提的是，以上這款電源的MOV壓敏電阻是黃色的，但是事實上大部分

MOV都是深藍色的。

此外,這款電源的瞬變?yōu)V波電路還配備了保險管(圖8中F1所示)。需要注意

了，如果你發(fā)現(xiàn)保險管內(nèi)的保險絲已經(jīng)燒斷了，那么可以肯定的是，電源內(nèi)部的

某個或者某些元器件是存在缺陷的。如果此時更換保險管的話是沒有用的，當你

開機之后很可能再次被燒斷。

五、倍壓器和一次側(cè)整流電路

?倍壓器和一次側(cè)整流電路

上文已經(jīng)說過，開關電源主要包括主動式PFC電源和被動式PFC電源，后者沒

有PFC電路，但是配備了倍壓器(voltagedoubler).倍壓器采用兩顆巨大的

電解電容，也就是說，如果你在電源內(nèi)部看到兩顆大號電容的話，那基本可以判

斷出這就是電源的倍壓器。前面我們已經(jīng)提到，倍壓器只適合于127V電壓的

地區(qū)。

兩顆巨大的電解電容組成的倍壓器

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680"200V

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拆下來看看

在倍壓器的一側(cè)可以看到整流橋。整流橋可以是由4顆二極管組成，也可以

是由單個元器件組成，如圖15所示。高端電源的整流橋一般都會安置在專門的

散熱片上。

整流橋

在一次側(cè)部分通常還會配備一個NTC熱敏電阻一一種可以根據(jù)溫度的變化改

變電阻值的電阻器。NTC熱敏電阻是NegativeTemperatureCoefficient的縮

寫形式。它的作用主要是用來當溫度很低或者很高時重新匹配供電，和陶瓷圓盤

電容比較相似，通常是橄欖色。

6、主動式PFC電路

?主動式PFC電路

毫無疑問，這種電路僅可以在配有主動PFC電路的電源中才能看到。圖16描述

的正是典型的PFC電路：

---------------------------17------------------------H-AAV-----------*Bus

-Bus

主動式PFC電路圖

主動式PFC電路通常使用兩個功率MOSFET開關管。這些開關管一般都會

安置在一次側(cè)的散熱片上。為了易于理解，我們用在字母標記了每一顆MOSFET

開關管：S表示源極(Source).D表示漏極(Drain)、G表示柵極(Gate)。

PFC二極管是一顆功率二極管，通常采用的是和功率晶體管類似的封裝技術(shù)，兩

者長的很像，同樣被安置在一次側(cè)的散熱片上，不過PFC二極管只有兩根針腳。

PFC電路中的電感是電源中最大的電感；?次側(cè)的濾波電容是主動式PFC電源

一次側(cè)部分最大的電解電容。圖16中的電阻器是一顆NTC熱敏電阻，可以更加

溫度的變化而改變電阻值，和二級EM工的NTC熱敏電阻起相同的作用。

主動式PFC控制電路通?；?顆IC整合電路，有時候這種整合電路同時會負

責控制PWM電路(用于控制開關管的閉合)。這種整合電路通常被稱為

''PFC/PWMcomb。"。

照舊，先看一些實例。在圖17中，我們將一次側(cè)的散熱片去除之后可以更好的

看到元器件。左側(cè)是瞬變?yōu)V波電路的二級EM工電路，上文已經(jīng)詳細介紹過；再

看左側(cè)，全部都是主動式PFC電路的組件。

由于我們已經(jīng)將散熱片去除，所以在圖片上已經(jīng)看不到PFC晶體管以及PFC二

極管了。此外，稍加留意的話可以看到，在整流橋和主動式PFC電路之間有一

個X電容（整流橋散熱片底部的棕色元件）。通常情況下，外形酷似陶制圓盤

電容的橄欖色熱敏電阻都會有橡膠皮包裹。

主動式PFC元器件

這是一次側(cè)散熱片上的元件。這款電源配備了兩個MOSFET開關管和主動式

PFC電路的功率二極管:

開關管、功率二極管

下面，我們將重點介紹開關管

7、開關管

?開關管

開關電源的開關逆變器可以有多種模式，我們總結(jié)了一下幾種情況:

模式開關管數(shù)量二極管數(shù)量電容數(shù)量變壓器針腳

單端正激1114

雙管正激2202

半橋2022

全橋4002

推挽2003

當然，我們只是分析其種模式下到底需要多少元器件，事實上當工程師們在

考慮采用哪種模式時還會受到很多因素制約。

目前最流行的兩種模式是雙管正激(two-transistorforward)和全橋式

(push-pull)設計，兩者均使用了兩顆開光管。這些被安置在一次側(cè)散熱片上

的開光管我們已經(jīng)在上一頁有所介紹，這里就不做過多贅述。以下是這五種模式

的設計圖：

Secondary

Isolator<

單端正激(Single-transistorforwardconfiguration)

Secondary

Isolator

雙管正激(Two-transistorforwardconfiguration)

全橋(Fullbridgeconfiguration)

推挽(Push-pullconfiguration)

8、變壓器和PWM控制電路

?變壓器和PWM控制電路

先前我們已經(jīng)提到，PC電源一般都會配備3個變壓器：個頭最大的那顆是之前

圖3、4和圖19-23上標示出來的主變壓器，它的一次側(cè)與開關管相連,二次側(cè)

與整流電路與濾波電路相連,可以提供電源的低壓直流輸出(+12V,+5V,

+3.3V,-12V,-5V)0

最小的那顆變壓器負載+5VSB輸出,通常也成為待機變壓器，隨時處于"待命

狀態(tài)〃，因為這部分輸出始終是開啟的，即便是PC電源處于關閉狀態(tài)也是如此。

第三個變壓器是隔離器，將PWM控制電路和開關管相連。并不是所有的電源都

會裝備這個變壓器，因為有些電源往往會配備具備相同功能的光耦整合電路。

變壓器

這臺電源采用的是光耦整合電路，而不是變壓器

PWM控制電路基于一塊整合電路。一般情況下，沒有裝備主動式PFC的電

源都會采用TL494整合電路（下圖26中采用的是可兼容的DBL494整合芯片）。

具備主動式PFC電路的電源里，有時候也會采用一種用來取代PWM芯片和PFC

控制電路的芯片。CM6800芯片就是一個很好的例子，它可以很好的集成PWM

芯片和PFC控制電路的所有功能。

PWM控制電路

9、二次側(cè)（一）

?二次側(cè)

最后要介紹的是二次側(cè)。在二次側(cè)部分，主變壓器的輸出將會被整流和過濾，然

后輸出PC所需要的電壓。-5V和-12V的整流是只需要有普通的二極管就能完

成，因為他們不需要高功率和大電流。

不過+3.3V,+5V以及+12V等正壓的整流任務需要田大功率肖特基整流橋才

行。這種肖特基有三個針腳，外形和功率二極管比較相似，但是它們的內(nèi)部集成

了兩個大功率二極管。二次側(cè)整流工作能否完成是由電源電路結(jié)構(gòu)決定,T殳

有可能會有兩種整流電路結(jié)構(gòu)，如圖27所示：

AD1

工oOutput

OGND

D2

計

整流模式

模式A更多的會被用于低端入門級電源中，這種模式需要從變壓器引出三個針

腳。模式B則多用于高端電源中，這種模式一般只需要配備兩個變壓器，但是

鐵素體電感必須夠大才行，所以這種模式成本較高，這也是為什么彳氐端電源不采

用這種模式的主要原因。

此外，對于高端電源而言，為了提升最大電流輸出能力，這些電源往往會采用兩

顆二極管并聯(lián)的方式將整流電路的最大電流輸出提升一倍。

無論是高端還是低端電源，其+12V和+5V的輸出都配備了完整的整流電路和

濾波電路，所以所有的電源至少都需要2組圖27所示的整流電路。

對于3.3V輸出而言，有三種選項可供選擇：

一是，在+5V輸出部分增加一個3.3V的電壓穩(wěn)壓器，很多低端電源都是采用

的這種設計方案。

二是，為3.3V輸出增加一個像圖27所示的完整的整流電路和濾波電路，但是

需要和5V整流電路共享一個變壓器。這是高端電源比較普通的一種設計方案。

三是，采用一個完整的獨立的3.3V整流電路和濾波電路。這種方案非常罕見，

僅在少數(shù)發(fā)燒級頂級電源中才可能出現(xiàn)，比如說安耐美的銀河

1000We

由于3.3V輸出通常是完全公用5V整流電路（常見于低端電源）或者部分共用

（常見于高端電源中）,所以說3.3V輸出往往會受到5V輸出的限制。這就是

為什么很多電源要在銘牌中注名"3.3V和5V聯(lián)合輸出”。

下圖28是一臺低端電源的二次側(cè)。這里我們可以看到負責產(chǎn)生PG信號的整合

電路。通常情況下，低端電源都會采用LM339整合電珞。

二次側(cè)

此外，我們還可以看到一些電解電容（這些電容的個頭和倍壓器或者主動式PFC

電路的電容相比要小的多）和電感，這些元件主要是負責濾波功能。

為了更清晰的觀察這款電源，我們將電源上的飛線以及濾波線圈全部移除，如圖

29所示。在這里我們能看到一些小的二極管，主要用于-12Vand-5V的整流,

通過的電流非常?。ㄟ@款電源只要0.5A）。其他的電壓輸出的電流至少要1A,

這需要功率二極管負責整流。

壓電路的整流二極管

10、二次側(cè)（二）

?二次側(cè)（2）

下圖描述的是低端電源二次側(cè)散熱片上的元器件：

二次側(cè)散熱片上的元器件

從左至右依次為：

?穩(wěn)壓器IC芯片一盡管它有三個針腳而且看起來和三極管非常相似，但是它

卻是可IC芯片。這款電源采用的是7805穩(wěn)壓器（5V穩(wěn)壓器），負責+5VSB

的穩(wěn)壓。之前我們已經(jīng)提到過，+5VSB采用的是獨立的輸出電路，因為它即便

是在PC處于斷電狀態(tài)時依然需要向+5VSB提供+