跟着电力电子技能的高速开展，电力电子设备与人们的作业、日子的联系日益亲近，而电子设备都离不开牢靠的电源，进入80年代核算机电源全面完成 了开关电源化，首先完结核算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备范畴，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、操控设备电源等都 已广泛地运用了开关电源，更促进了开关电源技能的敏捷开展。开关电源和线性电源比较，二者的本钱都跟着输出功率的添加而添加，但二者添加速率各异。线性电 源本钱在某一输出功率点上，反而高于开关电源。跟着电力电子技能的开展和立异，使得开关电源技能在不断地立异，这一本钱回转点日益向低输出电力端移动，这 为开关电源供给了广泛的开展空间。
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一、开关电源的根本作业原理
开关电源接操控办法分为调宽式和调频式两种，在实践的运用中，调宽式运用得较多，在现在开发和运用的开关电源集成电路中，绝大多数也为脉宽调制型。因而下面就首要介绍调宽式开关稳压电源。
调宽式开关稳压电源的根本原理可拜见下图。
关于单极性矩形脉冲来说，其直流均匀电压Uo取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流均匀电压值就越高。直流均匀电压Ｕ。可由公式核算，
即Uo=Um×T1/T
式中Um为矩形脉冲最大电压值；T为矩形脉冲周期；T1为矩形脉冲宽度。
从上式能够看出，当Um 与T 不变时，直流均匀电压Uo 将与脉冲宽度T1 成正比。这样，只需咱们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，就能够到达安稳电压的意图。
二、开关电源的原理电路
1、根本电路
图二 开关电源根本电路框图
开关电源的根本电路框图如图二所示。
沟通电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有必定脉动成份的直流电压，该电压进人高频改换器被转换成所需电压值的方波，最终再将这个方波电压经整流滤波变为所需求的直流电压。
操控电路为一脉冲宽度调制器，它首要由取样器、比较器、振动器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路现在已集成化，制成了各种开关电源用%&&&&&%。操控电路用来调整高频开关元件的开关时刻份额，以到达安稳输出电压的意图。
２．单端反激式开关电源
单端反激式开关电源的典型电路如图三所示。电路中所谓的单端是指高频改换器的磁芯仅作业在磁滞回线的一侧。所谓的反激，是指当开关管VT1 导通时，高频变压器Ｔ初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管VD1处于截止状况，在初级绕组中贮存能量。当开关管VT1截止时，变压器Ｔ初级绕组中存储的能量，经过次级绕组及VD1 整流和电容Ｃ滤波后向负载输出。
单端反激式开关电源是一种本钱最低的电源电路，输出功率为20－100Ｗ，能够一起输出不同的电压，且有较好的电压调整率。仅有的缺陷是输出的纹波电压较大，外特性差，适用于相对固定的负载。
单端反激式开关电源运用的开关管VT1 接受的最大反向电压是电路作业电压值的两倍，作业频率在20－200kHz之间。
３．单规矩激式开关电源
单规矩激式开关电源的典型电路如图四所示。这种电路在办法上与单端反激式电路类似，但作业景象不同。当开关管VT1导通时，VD2也
导通，这时电网向负载传送能量，滤波电感Ｌ贮存能量；当开关管VT1截止时，电感Ｌ经过续流二极管VD3 持续向负载开释能量。
在电路中还设有钳位线圈与二极管VD2，它能够将开关管VT1的最高电压约束在两倍电源电压之间。为满意磁芯复位条件，即磁通树立和
复位时刻应持平，所以电路中脉冲的占空比不能大于５０％。因为这种电路在开关管VT1导通时，经过变压器向负载传送能量，所以输出功率规模大，可输出50－200 Ｗ的功率。电路运用的变压器结构杂乱，体积也较大，正因为这个原因，这种电路的实践运用较少。
４．自激式开关电源
自激式开关电源的典型电路如图五所示。这是一种运用间歇振动电路组成的开关电源，也是现在广泛运用的根本电源之一。
当接入电源后在R1给开关管VT1供给发动电流，使VT1开端导通，其集电极电流Ic在L1中线性添加，在L2 中感应出使VT1 基极为正，发射极为负的正反应电压，使VT1 很快饱满。与此一起，感应电压给C1充电，跟着C1充电电压的增高，VT1基极电位逐步变低，致使VT1退出饱满区，Ic 开端减小，在L2 中感应出使VT1 基极为负、发射极为正的电压，使VT1 敏捷截止，这时二极管VD1导通，高频变压器Ｔ初级绕组中的储能开释给负载。在VT1截止时，L2中没有感应电压，直流供电输人电压又经R1给C1反向充电，逐步进步VT1基极电位，使其从头导通，再次翻转到达饱满状况，电路就这样重复振动下去。这儿就像单端反激式开关电源那样，由变压器Ｔ的次级绕组向负载输出所需求的电压。
自激式开关电源中的开关管起着开关及振动的双重作从，也省去了操控电路。电路中因为负载坐落变压器的次级且作业在反激状况，具有输人和输出彼此阻隔的长处。这种电路不只适用于大功率电源，亦适用于小功率电源。
５．推挽式开关电源
推挽式开关电源的典型电路如图六所示。它归于双端式改换电路，高频变压器的磁芯作业在磁滞回线的两头。电路运用两个开关管VT1和VT2，两个开关管在外鼓励方波信号的操控下替换的导通与截止，在变压器Ｔ次级统组得到方波电压，经整流滤波变为所需求的直流电压。
这种电路的长处是两个开关管简略驱动，首要缺陷是开关管的耐压要到达两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大，一般在100-500 Ｗ规模内。
６．降压式开关电源
降压式开关电源的典型电路如图七所示。当开关管VT1 导通时，二极管VD1 截止，输人的整流电压经VT1和L向Ｃ充电，这一电流使电感Ｌ中的储能添加。当开关管VT1截止时，电感Ｌ感应出左负右正的电压，经负载RL和续流二极管 VD1开释电感Ｌ中存储的能量，保持输出直流电压不变。电路输出直流电压的凹凸由加在VT1基极上的脉冲宽度确认。
这种电路运用元件少，它同下面介绍的别的两种电路相同，只需求运用电感、电容和二极管即可完成。
７．升压式开关电源
升压式开关电源的稳压电路如图八所示。当开关管 VT1 导通时，电感Ｌ贮存能量。当开关管VT1 截止时，电感Ｌ感应出左负右正的电压，该电压叠加在输人电压上，经二极管VD1向负载供电，使输出电压大于输人电压，构成升压式开关电源。
８．回转式开关电源
回转式开关电源的典型电路如图九所示。这种电路又称为升降压式开关电源。不管开关管VT1之前的脉动直流电压高于或低于输出端的安稳电压，电路均能正常作业。
当开关管 VT1 导通时，电感L 贮存能量，二极管VD1 截止，负载RL靠电容C前次的充电电荷供电。当开关管VT1截止时，电感Ｌ中的电流持续流转，并感应出上负下正的电压，经二极管VD1向负载供电，一起给电容Ｃ充电。
几种经典的开关电源电路
1、理性开关式电源电路图
如图所示，555和R1、R2、C1组成无稳态多谐振动器，振动频率约在10kHz，占空比挨近50%。VT2、VT3作为扩展电流用的开关管运用。当振动方波为高电平时，VT2、VT3导通，向LC放电；为低电平时，L中的储能经过续流二极管回路向负载供电。当过压时，DW击穿，VT1饱满导通，c极呈低电平（0.7V），使555复位、停振，起稳压和动态平衡作用。
2、5V不间断电源
电池电压GB为3.6V，由三节AANiCd电池组成。IC1位开关稳压器，IC2位线性稳压器。当输入电压Vin》7.3V，IC1将关断，在此状况下有IC2供给输出电压。Vin则经过VD1和R1以浮充电流对GB进行充电。当Vin7.3V时，IC2则处于关断状况，IC1将3.6V电池电压升到5V，负载电流为50mA。IC2带有低电池电压监测器，并由R6、R7对Vin进行检测。监测器在7脚的输出驱动倒相器VT1，VT1又反过来驱动IC1和IC2的6脚及5脚两个关断输入脚。这两个输入具有相反的极性电平。IC1和IC2共用反应电阻R2和R3使两个稳压器对输出电压V0都能进行监测。当IC2关断，其输出被堵截。当IC1关断，芯片保持低功率状况，耗费电流小于1微安。在作业状况IC1对50mA的负载供给75%的总功率。只需正确设定限流电阻R1的阻值，就能使浮充电流电荷量不超越电池容量的10%，Vin可高达17V。
3、高耐压PWM开关电源
本电源为简略的5V、5W开关电源。图中TOP210（IC）为PWM开关。IC中含有PWM操控器，功率MOSFET和各种维护电路，这种5V、5W开关电源的本钱比常用的线性电源本钱低。
沟通输入电压经VD1~VD2整流后的直流高压，加到变压器T初级线圈的一端，初级线圈的另一端加到TOP210内部输出MOSFET的漏极。VD2和VD6组成的箝位电路，把电压器T漏感引起的脉冲前沿尖峰电压约束到安全值。本电源作业频率为100kHz。变压器T次级电压级VD7整流和C4、C5、L2滤波后，输出5V的安稳电压。L1、C1、C6、C7用来减小传导辐射电流，以减小开关电源发生的射频搅扰。反应线圈两头电压经VD8整流，R1、C3滤波后，加到TOP210的操控脚，C3两头电压有TOP210来调整，以便安稳输出电压。
4、调频灯的开关稳压电源
本电源在光学仪器和设备中运用十分广泛，其规模首要包含光学教育仪器。如投影仪、幻灯机、放映机、等。光学印象设备如扩大机、印像机曝光机、高速开麦拉等。光学分析仪器，如显微镜、扩大镜、分光光度计、光谱仪等。
电路原理如图所示，电容C1、C2、C3和共模电感T1组成的共模滤波器，可将电源内部主改换器发生的高频信号对电网（220V，50Hz）的影响和污染降到最低，二极管VD1~VD4及电解电容C4组成的全波整流滤波电路，将220V、50Hz变成300V的直流电压，用以作电路的电源。主改换器有开关功率管VT1和VT2、电容C6和C10、变压器T2和T3等外围元件组成，电路办法为半桥型自激式。
5、低噪声开关电路原理图
电路如图所示，该电路能够获得更大的输出功率，只需更改部分器材。图中左面的电路R1，L1，D1，C1至C7是惯例的共模滤波和整流电路，获取约 300V的直流电压供DC-DC改换电路运用；最右边电路L5，C11等是一般的LC滤波电路；%&&&&&%2，D8，R9，R10组成电压反应电路，构成闭环结构，安稳电源输出电压；中心部分是DC-DC改换器，降噪声的关键是对这一部分的电路进行恰当处理。
开关电源电磁搅扰的按捺
开关电源作业在高频开关状况，内部会发生很高的电流、电压改变率，导致开关电源发生较强的电磁搅扰。电磁搅扰信号不只对电网构成污染，还直接影响到其他用电设备乃至电源自身的正常作业，而且作为辐射搅扰闯入空间，构成电磁污染，约束着人们的出产和日子。
1、无源滤波技能
无源滤波电路简略，本钱低价，作业功能牢靠，是按捺电磁搅扰的有用办法。无源滤波器由电感、电容、电阻元件组成，其直接作用是处理传导发射。开关电源中运用的无源滤波器的原理结构图如图1所示。
因为原电源电路中滤波电容容量大，整流电路中会发生脉冲尖峰电流，这个电流由十分多的高次谐波电流组成，对电网发生搅扰；别的电路中开关管的导通或截止、变压器的初级线圈都会发生脉动电流。因为电流改变率很高，对周围电路会发生出不同频率的感应电流，其间包含差模和共模搅扰信号，这些搅扰信号能够经过 2根电源线传导到电网其他线路和搅扰其他的电子设备。图中差模滤波部分能够削减开关电源内部的差模搅扰信号，又能大大衰减设备自身作业时发生的电磁搅扰信号传向电网。又依据电磁感应规律，得E=Ldi／dt，其间：E为L两头的电压降；L为电感量；di／dt为电流改变率。明显要求电流改变率越小，则要求电感量就越大。
脉冲电流回路经过电磁感应其他电路与大地或机壳组成的回路发生的搅扰信号为共模信号；开关电源电路中开关管的集电极与其他电路之间发生很强的电场，电路会发生位移电流，而这个位移电流也归于共模搅扰信号。图1中共模滤波器便是用来按捺共模搅扰，使之遭到衰减。
2 、有源滤波技能
有源滤波技能是按捺共模搅扰的一种有用办法。该办法从噪声源动身而采纳的办法（如图2所示），其根本思想是设法从主回路中取出一个与电磁搅扰信号巨细持平、相位相反的补偿信号去平衡本来的搅扰信号，以到达下降搅扰水平的意图。如图2所示，运用晶体管的电流扩大作用，经过把发射极的电流折合到基极，在基极回路来滤波。R1，C2组成的滤波器使基极纹波很小，这样射极的纹波也很小。因为C2的容量小于C3，减小了电容的体积。这种办法仅合适低压小功率电源的状况。别的，在规划和选用滤波器时应留意频率特性、耐压功能、额定电流、阻抗特性、屏蔽和牢靠性。滤波器的装置方位要恰当，装置办法要正确，才能对搅扰起到预期的滤波作用。
3、共模、差模电源线滤波器规划
电源线搅扰能够运用电源线滤波器滤除，开关电源EMI滤波器根本电路如图所示。一个合理有用的开关电源EMI滤波器应该对电源线上差模搅扰和共模搅扰都有较强的按捺作用。在图中CX1和CX2叫做差模电容，L1叫做共模电感，CY1和CY2叫做共模电容。差模滤波元件和共模滤波元件别离对差模和共模搅扰有较强的衰减作用。
共模电感L1是在同一个磁环上由绕向相反、匝数相同的两个绕组构成。一般运用环形磁芯，漏磁小，功率高，可是绕线困难。当市网工频电流在两个绕组中流过期为一进一出，发生的磁场刚好抵消，使得共模电感对市网工频电流不起任何阻止作用，能够无损耗地传输。如果市网中含有共模噪声电流经过共模电感，这种共模噪声电流是同方向的，流经两个绕组时，发生的磁场同相叠加，使得共模电感对搅扰电流呈现出较大的感抗，由此起到了按捺共模搅扰的作用。
实践运用中共模电感两个电感绕组因为绕制工艺的问题会存在电感差值，不过这种差值正好被运用作差模电感。所以，一般电路中不用再设置独立的差模电感了。共模电感的差值电感与电容CX1及CX2构成了一个∏型滤波器。这种滤波器对差模搅扰有较好的衰减。
除了共模电感以外，图6中的电容CY1及CY2也是用来滤除共模搅扰的。共模滤波的衰减在低频时首要由电感器起作用，而在高频时大部分由电容CY1及 CY2起作用。电容CY的挑选要依据实践状况来定，因为电容CY接于电源线和地线之间，接受的电压比较高，所以，需求有高耐压、低漏电流特性。核算电容 CY漏电流的公式是：ID=2πfCYVcY，式中：ID为漏电流，f为电网频率。
一般装设在可移动设备上的滤波器，其沟通漏电流应《1mA；若为装设在固定方位且接地的设备上的电源滤波器，其沟通漏电流应3.5mA，医疗器材规则的漏电流更小。因为考虑到漏电流的安全标准，电容CY的巨细遭到了约束，一般为2.2～33nF。电容类型一般为瓷片电容，运用中应留意在高频作业时电容器CY与引线电感的谐振效应。
差模搅扰按捺器一般运用低通滤波元件构成，最简略的便是一只滤波电容接在两根电源线之间而构成的输入滤波电路（如图6中电容CX1），只需电容挑选恰当，就能对高频搅扰起到按捺作用。该电容对高频搅扰阻抗甚底，故两根电源线之间的高频搅扰能够经过它，它对工频信号的阻抗很高，故对工频信号的传输毫无影响。该电容的挑选首要考虑耐压值，只需满意功率线路的耐压等级，并能接受可意料的电压冲击即可。为了避免放电电流引起的冲击损害，CX电容容量不宜过大，一般在0.01～0.1μF之间。电容类型为陶瓷电容或聚酯薄膜电容。
4、屏蔽技能和接地技能
选用屏蔽技能能够有用地按捺开关电源的电磁辐射搅扰。屏蔽一般分为2种：一种是静电屏蔽，首要用于避免静电场和稳定磁场的影响；另一种是电磁屏蔽，首要用于避免交变电场、磁场以及交变电磁场的影响。屏蔽技能分为对宣布电磁波部位的屏蔽和受电磁波影响的元器材的屏蔽。在开关电源中，可宣布电磁波的元器材是指变压器、电感器、功率器材等，一般在其周围选用铜板或铁板作为屏蔽，以使电磁波发生衰减。
此外，为了按捺开关电源发生的辐射向外部发散，为了削减电磁搅扰对其他电子设备的影响，应采纳全体屏蔽。可彻底依照对磁场屏蔽的办法来加工屏蔽罩，然后将整个屏蔽罩与体系的机壳和地衔接为一体，就能对电磁场进行有用的屏蔽。然而在运用全体屏蔽时应充分考虑屏蔽资料的接缝、电线的输入／输出端子和电线的引出口等处的电磁走漏，且不易散热，结构本钱大幅度添加等要素。
为使电磁屏蔽能一起发挥静电屏蔽的作用，加强屏蔽作用，一起保证人身和设备的安全，应将体系与大地相连，即为接地技能。接地是指在体系的某个选定点与某个接地上之间树立导电的通路规划。这一进程是至关重要的，将接地和屏蔽正确结合起来能够更好地处理电磁搅扰问题，又可进步电子产品的抗搅扰才能。在地线规划中应留意以下几点：
（1）、正确挑选单点接地一般，滤波电容公共端应是其它的接地址耦合到大电流的沟通地的仅有衔接点，同一级电路的接地址应尽量接近，而且本级电路的电源滤波%&&&&&%也应接在该级接地址上，首要是考虑电路各部分回流到地的电流是改变的，因实践流过的线路的阻抗会导致电路各部分地电位的改变而引进搅扰；
（2）、量加粗接地线 若接地线很细，接地电位则随电流的改变而改变，致使电子设备的守时信号电平不稳，抗噪声功能变坏，因而要保证每一个大电流的接地端选用尽量短而宽的印制线，尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的联系是：地线＞电源线＞信号线，如有或许，接地线的宽度应大于3mm，也可用大面积铜层作地线用，在印制板上把没被用上的当地都与地相衔接作为地线用；
（3）输入地与输出地本开关电源中为低压的DC－DC，欲将输出电压反应回变压器的初级，两头的电路应有一起的参阅地，所以在对两头的地线别离铺铜之后，还要衔接在一起，构成一起的地。
——下期《电源工程师规划全攻略（三）：充电电源规划》不日上线，敬请期待！
