當(dāng)我們走進(jìn)通信機(jī)房，我們肯定可以看到這樣的設(shè)備：

圖1 開關(guān)電源柜

我們把這樣的設(shè)備叫作直流開關(guān)電源柜。它的作用就是市電交流電轉(zhuǎn)換成直流電，供通信設(shè)備、蓄電池充電使用。

圖2 開關(guān)電源柜原理圖

開關(guān)電源系統(tǒng)的主要功能是將電網(wǎng)送來的交流電變換成穩(wěn)定的低壓直流電，它適合與蓄電池組一起構(gòu)成全浮充供電方式不間斷地給需要穩(wěn)定直流電的負(fù)載使用。它的核心是一種智能型高頻開關(guān)式整流穩(wěn)壓器。

開關(guān)電源不僅僅用在通信行業(yè)，也廣泛應(yīng)用于我們的臺(tái)式機(jī)電源，數(shù)碼產(chǎn)品電源，醫(yī)療設(shè)備，工業(yè)自動(dòng)化控制等領(lǐng)域。

圖3 開關(guān)電源

本文我們就來聊一聊一種典型的開關(guān)電路。

電容與電感的預(yù)備知識(shí)，參考附錄。

開關(guān)電源電路1

圖4 電路1

輸入電壓為Ui，為直流電壓；開關(guān)K；電阻RL代表負(fù)載。如果我們此時(shí)不停的對(duì)K進(jìn)行開和關(guān)，而且很快速的。

圖5 開關(guān)電路

那么負(fù)載RL上的電壓Uo，在開關(guān)閉合時(shí)等于Ui；在開關(guān)斷開時(shí)等于0；

此時(shí)如圖4所示，我們獲得了一個(gè)直流脈沖信號(hào)Uo。

但是，我們知道開關(guān)電路的目的是要獲得一個(gè)直流電壓。

電路2

在電路1的基礎(chǔ)上，我們?cè)谪?fù)載RL旁邊并聯(lián)一個(gè)電容：

圖6 電路2

我們知道電容是不允許兩端的電壓的突變的，所以一旦閉合開關(guān)K，那么電容就會(huì)充電，兩端的電壓逐漸上升；還沒來得及充滿，斷開K，此時(shí)電容已有一定的電荷，此時(shí)其會(huì)對(duì)負(fù)載RL進(jìn)行放電，電壓逐漸下降。

我們?yōu)槭裁匆⒙?lián)一個(gè)電阻R呢？

就是防止閉合開關(guān)K的瞬間，電容瞬間電壓變化太大，電容充電電流過大。

但是串聯(lián)這個(gè)電阻R將帶來另外一個(gè)問題，就是電阻是有功元件，即它將消耗一部分能量。我們知道，我們希望輸入的能量盡可能多的到輸出端。這就是我們常說的效率。

為了提高效率？

我們需要把電阻換成一個(gè)無功元件。

無功元件有2種，一種是電容，一種是電感。

如果串聯(lián)一個(gè)電容。我們知道電容是通交流阻直流的，此時(shí)電路中輸入為直流電壓，那么只有在K閉合的瞬間，有充電電流，其后就沒有任何電流流過負(fù)載RL了，這顯然不合適。

那么此時(shí)，我們串聯(lián)一個(gè)電感L。

電路3

圖7 電路3

電感L當(dāng)中的電流是阻高頻通低頻，阻交流通直流。

當(dāng)輸入電壓為直流電壓的時(shí)候，只要開關(guān)K閉合后，電流可以從小到大，逐漸增加，一方面給電容C充電，一方面給負(fù)載供電。

在開關(guān)K閉合的時(shí)候，也不會(huì)有很大的電流流過L給C充電。因?yàn)殡娙軱當(dāng)中的電流是不能突變的，只能夠線性或者逐漸增加。

把電阻R換成電感L是開關(guān)電源提高效率的重要措施。也可以說，這時(shí)開關(guān)電源和普通的串并聯(lián)穩(wěn)壓電壓的主要區(qū)別。

到目前為止開關(guān)電源的雛形就出現(xiàn)了！

如果此時(shí)，你興奮的把上述電路付諸實(shí)踐，拿起電絡(luò)鐵，焊起來.....那么往往結(jié)果是：

圖8 燒毀的電路

沒錯(cuò)，燒糊！

我們先看下電路4

圖9 電路4

電路4相比電路3，添加了一個(gè)二極管。

電磁感應(yīng)定律告訴我們，電流流過電感線圈L后，就會(huì)在電感線圈中形成磁場(chǎng)，當(dāng)開關(guān)K閉合后，電流逐漸增大，磁場(chǎng)逐漸增強(qiáng)，必然會(huì)在電感線圈中產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這就是自感現(xiàn)象。

從能量角度看，電源Ui的能量，有一部分能量存儲(chǔ)在電感中。能量不會(huì)無緣無故消失，那么電感線圈的能量要到哪里去呢？

圖10 電路4中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

如果在開關(guān)K斷開的瞬間，似斷非斷的時(shí)刻，此時(shí)由于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的存在E，此時(shí)加在開關(guān)K兩端的電壓為Ui+E。

由于開關(guān)斷開的瞬間，自感電動(dòng)勢(shì)E非常巨大，此時(shí)會(huì)把K擊穿或者產(chǎn)生電火花。就像圖8一樣。

所以電路4中引入了一個(gè)二極管VD來解決這個(gè)問題。

開關(guān)斷開的時(shí)候，電感L產(chǎn)生了很高的自感電動(dòng)勢(shì)，端電壓是右邊+左邊-。

加入二極管之后，L中的電流不能夠流過開關(guān)K，但可以流過二極管VD。這樣在電感線圈就不會(huì)產(chǎn)生很高的電動(dòng)勢(shì)。

電感線圈中存儲(chǔ)的磁場(chǎng)能量，通過二極管VD，形成回路，繼續(xù)向負(fù)載RL供電。

二極管VD啟到了很關(guān)鍵的作用，任何一個(gè)開關(guān)電源都有一個(gè)這樣的二極管。

這個(gè)二極管也叫作續(xù)流二極管。

續(xù)流二極管(flyback diode)，有時(shí)也稱為飛輪二極管或是snubber二極管，是一種配合電感性負(fù)載使用的二極管，當(dāng)電感性負(fù)載的電流有突然的變化或減少時(shí)，電感二端會(huì)產(chǎn)生突變電壓，可能會(huì)破壞其他元件。配合續(xù)流二極管時(shí)，其電流可以較平緩地變化，避免突波電壓的發(fā)生。

到目前為止，已經(jīng)能夠解決一個(gè)開關(guān)電源的一般性問題了。

我們知道三極管、mos管都具有開關(guān)的作用，那么我們把開關(guān)K換成這些元件，就可以不用手動(dòng)閉合、切斷開關(guān)了，從而實(shí)現(xiàn)高頻率的開關(guān)！

圖11 一種典型的開關(guān)電路

總結(jié)

文中介紹了簡(jiǎn)易的開關(guān)電源工作原理，僅僅是幫助同學(xué)們了解電路的分析過程與LC特性。

其實(shí)這個(gè)電路還有許多問題需要解決，如輸入電壓與輸出電壓的隔離，如何得到不同的輸出電壓，即實(shí)現(xiàn)調(diào)壓功能等等。感興趣的同學(xué)可以自行學(xué)習(xí)。

附錄：電容與電感

針對(duì)電容、電感、電阻，其特性可由下面的三個(gè)公式表達(dá)：

電阻最熟悉與簡(jiǎn)單。歐姆定律，電阻R等于電壓除以電流。

電容的兩端電壓U不能突變，因?yàn)楫?dāng)通電后，電荷會(huì)逐步向電容的兩個(gè)極板聚合，這個(gè)聚合的過程就是充電的過程，也是電荷的移動(dòng)就是電流。

圖12 電容的充電過程

當(dāng)斷開開關(guān)后，電容器兩端極板上的電荷就會(huì)釋放，釋放的過程就是放電，電荷的流動(dòng)就是電流。

圖13 電容的放電過程

我們知道i=Cdu/dt，其中C稱為電容，表征電容元件特性的參數(shù)，當(dāng)U的單位為伏特(V),i的單位為安培(A)時(shí)，C的單位為法拉，簡(jiǎn)稱法(F)。電容元件的電流i與其兩端的電壓變化率成正比。

也就是說電壓變化越快，電流越大，當(dāng)電壓不變時(shí)，如直流電壓，電流為零。所以電容有隔直通交的功能。

電容元件兩端的電壓不能躍變，這是電容元件的一個(gè)重要性質(zhì)。

電感

任何導(dǎo)體當(dāng)有電流通過時(shí)，在導(dǎo)體周圍就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)；如果電流發(fā)生變化，磁場(chǎng)也隨著變化，而磁場(chǎng)的變化又引起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生。這種感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是由于導(dǎo)體本身的電流變化引起的，稱為自感。

圖14 磁場(chǎng)的變化，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生

當(dāng)電感線圈中的電流增大時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)的方向與線圈中的電流方向相反，用來阻止電流的增大；當(dāng)線圈中的電流減小時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)的方向和線圈中的電流方向相同，以阻止電流的減小。總之當(dāng)線圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)總是阻止電流的變化。這就是楞次定律。

同樣的，電感元件的電流是不能突變的，兩端的電壓與電流的變化率成正比，電流變化越快（高頻率），電壓越高；電流不變時(shí)，即直流電流，電壓為零。

電感元件中的電流不能躍變，這是電感元件的一個(gè)重要性質(zhì)。

看到這里為班長點(diǎn)個(gè)贊吧，歡迎在評(píng)論區(qū)留言討論！

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的开关电源的基础工作原理开关电源电路原理详解的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。