开关电源核心30问：从原理到设计，一文彻底掌握

　　现代电子设备要稳定工作，电源很关键。开关稳压电源(也叫SMPS)因效率高、体积小、能适应不同的输入电压，现在应用得特别广，小到手机充电器，大到工厂机器都在用。这篇文章整理了开关电源的30个核心要点，帮你系统掌握它的原理和实际应用。

　　1、什么是线形串联稳压电源?

　　答：线性稳压电源是指在稳压电源电路中的调整功率管工作于线性放大区;串联型开关稳压电源电路是指其储能电感串联在输入与输出电压之间。

　　由变压器，整流、滤波电路和线性稳压电路组成。

　　2、什么是开关稳压电源?

　　答：它由全波整流器、开关功率管V、PWM控制与驱动器、续流二极管VD、储能电感L、输出滤波电容C和采样反馈电路等组成。实际上，开关稳压电源的核心部分是一个支流变压器。

　　3、开关稳压电源的种类?

　　1)按激励方式分：他激式和自激式

　　2)按调制方式分：脉宽调制型、频率调制型和混合型

　　3)按开关功率管电流的工作方式分：开关式和谐振式

　　4)按功率开关的类型分：晶体管式、可控硅型、MOSFET型和IGBT型

　　5)按储能电感的连接方式分：串联型和并联型

　　6)按功率开关的连接方式分：单端正激式、单端反激式、推挽式、半桥式、全桥式

　　7)按输入和输出的电压大小分：升压式、降压式、输出极性反转式

　　8)按工作方式分：可控整流式、斩波式、隔离型

　　9)按电路结构分：散件式、集成电路式

　　4、降压型开关稳压电源的工作原理?

　　答：把驱动方波信号加到功率开发V的基极上，这样功率开关就会按照驱动方波信号的频率周期性的导通与关闭，其工作过程可以用功率开关的导通以及开关稳压电源实现动态平衡等过程来解说。

　　1)在Ton=t1-t0期间，功率开关导通，续流二极管因反向偏置二截止，虽然输入电压时一个直流电压，但电感中电流不能突变，电感中的电流将线性上升，并以磁能的形式在储能电感中存储能量，在t1时刻，储能电感中的电流上升到最大值。

　　2)在Toff=t2-t1期间，功率开关截止，但是在t1时刻，由于功率管刚刚截止，并且储能电感中的电流不能突变，于是L两端产生了与原来两端电压极性相反的自感电动势。此时，续流二极管开始正向导通，储能电感所存储的磁能将以电能的形式通过续流二极管和负载电阻开始泄放。所泄放的电流的波形就是锯齿波中随时间下降的那一段电流。在t2时刻，储能电感中的电流达到最小值。

　　3)只有当功率开关导通期间Ton内储能电感增加的电流等于功率开关关闭期间内减少的电流时，才能达到动态平衡，可得出U0=Ton/T*Ui。

　　5、降压型开关稳压电源的设计?

　　1)功率开关V的选择：输出功率在数十千瓦以上时，选IGBT;输出功率在数千瓦之间时，选MOSFET;输出功率在数千瓦以下时，GTR。一旦功率开关V的类型选定后，具体的器件型号的选择就应该遵循以下原则：

　　①功率开关V的导通饱和压降Uces越小

　　②V截止时的反向漏电流Ico越小越好

　　③V的高频特性要好

　　④V的开关时间要短，即转换速度要快

　　⑤V的基极驱动功率要小

　　⑥V的反向击穿电压应满足：Uc=2*1.3*Ui=2.26*Ui

　　2)续流二极管VD的选择：

　　①VD的正向额定电流必须等于或大于功率开关V的最大集电极电流，即应该大于负载电阻R1上的电流。

　　②VD的方向耐压值必须大于输入电压Ui值。

　　③为了减少由于开关转换所引起的输出纹波电压，VD应选择反向恢复速度和导通速度都非常快的肖特基二极管或快恢复二极管。

　　④为了提高整机的转换效率，减少内部损耗，一定要选择正向导通管压降低的肖特基二极管。

　　3)储能电感L的选择：

　　①L的临界值Lc=R1*(1-D)/2F

　　②L=R1max*(1-D)/1.5F

　　4)输出滤波电容C的选择：C=U0*(1-U0/Ui)(8L*F*F*deltaUo)

　　6、升压型开关稳压电源的工作原理?

　　答：当功率开关处于导通期间是，输入电压加到储能电感的两端，二极管因被反向偏置二截止，流过储能电感上的电流为近似线性上升的锯齿波电流，并以磁能的形式存储在储能电感中。

　　当功率开关截止时，储能电感两端的电压极性相反，此时二极管被正向偏置而导通，存储在储能电感中的能量通过二极管传输给负载电阻和滤波电容，储能电感中的泄放电流是锯齿波电流线性的下降部分。

　　在功率开关饱和导通期间，在储能电感中增加的电流数值应该等于功率开关截止期间在储能电感中减少的电流数值，只有这样才能达到动态平衡，得出U0=Ui*D/(1-D)。

　　7、PWM电路的组成?

　　答：PWM发生器、PWM驱动器、PWM控制器等。有电压控制型的、电流控制型的和软开关控制型的。

　　8、极性反转型开关稳压电源的工作原理?

　　答：极性反转型开关稳压电源电路中的功率开关导通时，二极管因反向偏置而截止，功率开关截止时，二极管因争相偏置而导通，此时储能电感中储存的能量将会通过二极管传输给负载，输出电压与输入电压之间的关系为U0=−Uin*D/(1-D)

　　9、升压型开关稳压电源和极性反转型开关稳压电源的区别?

　　答：升压型开关稳压电源电路实际上是发射极输出式并联型开关稳压电源电路，而极性反转型开关稳压电源电路实际上是集电极输出式并联型开关稳压电源电路。从形式上看，他们之间的差别只是把功率开关与储能电阻的位置进行了调换。从输出特性上看，他们的输出电压极性正好相反。

　　10、常见的控制电路?

　　答：取样、比较、基准源、振荡器、脉宽调制器(PWM) 或脉频调制器(PFM)等电路。

　　11、开关稳压电源的输出端常见的不稳定因素?

　　答：过流、过压、欠压、过热。

　　12、什么是开关稳压电源的驱动电路?它的种类?

　　答：

　　定义：驱动电路就是能在关断时迅速地关断，并维持关断器件的漏电流近似等于零;在导通时迅速导通，并维持导通期间的管压降近似等于零的驱动信号电路。

　　种类：单端脉冲变压器、抗饱和、固定反偏压、比例、互补、发射极开路式。

　　13、开关稳压电源中保护电路的要求?它的种类?

　　答：要求：

　　①软启动自动保护电路的延迟时间一定要大于开关稳压电源电路中一次整流和滤波电路的恢复时间，该恢复时间主要是指一次整流后滤波电容的充电时间。

　　②过流、过压、欠压和过热等保护电路中的采样处理、反馈控制和关断功率开关等过程所用的时间总和要小雨功率转换周期时间，也就是说，这些保护电路的控制关断速度一定要快，只有这样才能够做到既保护了负载系统，又保护了稳压电源电路本身免遭破坏。

　　③对于过流保护电路来说，当导致产生过流现象的故障被排除或过流现象恢复后，稳压电源电路要能够自动恢复正常工作。另外，对于一些较为先进的电子设备和机电产品中的电源系统，不但要求具有各种保护电路，而且要求具有各种保护状态显示以及自诊断功能。

　　保护电路的种类：过压、过流、欠压、过热、过载、开关软启动。

　　14、什么是一次击穿与二次击穿?二者有什么差别?

　　答：

　　一次击穿：当反向电压增大到一定数值时，载流子倍增效应就像雪崩一样，增加得快而多，反向电流突然增加，这就是雪崩击穿的现象，也叫一次击穿。

　　二次击穿：雪崩击穿以后，当电流增大到某一值，集电极—发射级之间的电压突然下降，而集电极电流剧增，这种现象叫二次击穿。

　　区别：

　　①从功率开关的二次击穿特性曲线来看，二次击穿后，集电极电压比一次击穿后的集电极电压低很多;

　　②一次击穿是可逆的，二次击穿不可逆。

　　③一次击穿取决于给功率开关所加电压的高低，而二次击穿则是取决于功率开关上所加的能量的大小和积累时间的长短。

　　④产生一次击穿的原因是明确的，但产生二次击穿的原因尚未被我们完全掌握。

　　15、什么是一次整流和滤波，什么是二次整流和滤波?

　　答：

　　一次整流电路：开关稳压电源电路中的输入电路部分的工频整流电路就称为开关稳压电源的一次整流电路，都是把工频电网电压或者其他形式的交流输入电压的直接引入，进行全波整流，然后输送给下一级的一次滤波电路进行滤波，最后变成直流输出电压，为后级的功率变换器供电。

　　一次滤波：开关稳压电源电路中的一次滤波电路即为一次整流电路后面的由电感和电容组成的L形滤波电路。它的主要功能是将一次全波整流电路输出的直流波动电压滤波或纹波电压符合设计要求的直流电压。

　　二次整流：二次电流电路时出现在开关变压器次级回路中的整流电路，一般为高频整流电路，整流二极管常采用高频快速开关二极管，即肖特基二极管。在无工频变压器的开关稳压电源电路中，开关二极管或续流二极管即为二次整流部分的整流二极管。

　　二次滤波：开关稳压电源电路中的高频滤波电路部分被称为二次滤波电路。滤波电容的取值与开关稳压电源输出直流电压纹波电压的高低有密切关系，一般采用由电阻、电感和电容等无源器件组成的无源滤波电路。

　　16、隔离技术：在开关稳压电源电路中，解决两个不工地的独立单元如何隔离问题的技术。

　　耦合技术的分类：光电耦合技术、变压器磁耦合技术、光电与磁混合耦合技术以及直接耦合技术。

　　17、单端式开关稳压电源的分类?

　　按激励方式分：自激式单管直流变换器;它激式单管直流变换器;自激式双管直流变换器;它激式双管直流变换器;它激式全桥型直流变换器。

　　按功率开关变压器的极性分：单管正激式直流变换器;单管反激式直流变换器

　　按功率开关的种类分：GTR(晶体管)型直流变换器;MOSFET(绝缘栅型场效应管)型直流变换器;IGBT(复合功率模块)型直流变换器

　　18、什么是开关稳压电源的屏蔽技术?它的分类?

　　答：屏蔽技术有两层意思：

　　一是把环境中的杂散电磁波和其他干扰信号(其中包括工频电网上的杂散电磁波)阻挡在被屏蔽用电系统的外面，以防止和避免这些杂散电磁波和其他干扰信号对该用电系统的干扰和破坏。

　　二是把本用电系统内的振荡信号源或交变功率辐射源通过电路中的各个环节和各种途径向外辐射或传播的电磁波阻挡在本用电系统的内部，以防止和避免传播和辐射出去污染环境和干扰周围的其他用电系统。

　　分类：

　　软屏蔽技术：开关稳压电源电路的设计者在进行电路设计时，采取有效的电路技术(如共模滤波器技术、差模滤波器技术、双向滤波器技术、低通滤波器技术等各种滤波器技术)一方面将开关稳压电源电路内部的高频电磁波对外部的传播和辐射抑制和滤除到最小程度，以免影响周围的其他电子设备、电子仪器和电子仪表的正常工作，同时也不污染工频电网;另一方面将输入工频电网上杂散的电磁波也抑制和滤除到最小程度，以免影响开关稳压电源电路的正常工作;

　　硬屏蔽技术：对电场的屏蔽技术、对磁场的屏蔽技术以及对电磁场的屏蔽技术。

　　20、为什么要有消振电路?

　　答：当电源电路加电后，在功率开关的集电极就会得到瞬间矩形波振荡脉冲信号，该信号具有正向峰值和负向峰值。有时这个正向和负向上冲的峰值电压可以比直接加到功率开关集电极的输入电压高2-3倍左右。这样高的上冲峰值电压特别容易照成功率开关被二次击穿而损坏，因此引入两个消振衰减电路。一个为了消除由于功率开关变压器的漏磁而引起的上冲峰值电压，一个是为了消除由于功率开关的电压、电流应力而引起的上冲峰值电压。

　　21、什么是高频整流电路?

　　答：在一般整流情况下，高频功率开关变压器次级回路中所有整流二极管采用快恢复特性的开关二极管，特别对要求输出电流较大的还需要采用肖特基二极管，这种应用有特殊要求的在高频状态下工作的整流电路即高频整流电路。

　　22、单端自激式反激型直流变换电路的三种工作状态：

　　答：次级绕组电流临界状态;次级绕组电流不连续状态;次级绕组电流连续状态。

　　23、单端它激式正激型直流变换电路与单端自激式正激型直流变换电路的区别?

　　答：

　　①前者功率开关变压器与PWM振荡器无关，而后者的功率开关变压器要作为PWM振荡电路中的一个重要元件参与振荡工作。

　　②前者的功率开关V具有独立的PWM振荡器、驱动器、控制器等，并由一个集成电路担任，而后者不另设独立的PWM振荡器、驱动器、控制器等电路。

　　③前者功率开关V与PWM振荡器无关，而后者的功率开关V与开关变压器一样要作为PWM振荡电路中的一个重要元件参与振荡工作。

　　④前者对起振电路要求不严，而后者对起振电路的要求非常严格。

　　24、单端它激式正激型直流变换器开关变压器已知条件?

　　答：

　　1)电路结构与形式;

　　2)工作频率或周期时间;

　　3)变压器输入最高或最低电压;

　　4)总的输出路数和每一路输出的电压和电流值;

　　5)功率开关的最大导通时间;

　　6)隔离电位;

　　7)所要求的漏感和分布电容值;

　　8)工作环境和条件。

　　25、单端它激式反激型直流变换器开关变压器已知条件?

　　答：

　　1)电路结构形式;

　　2)工作频率或周期时间;

　　3)输出电压和电流值;

　　4)功率开关的最大导通时间;

　　5)隔离电位;

　　6)所要求的漏感和分布电容值;

　　7)工作环境和条件。

　　26、单端它激式反激型直流变换器的分析?电路特点?

　　答：

　　1)当功率开关V1被激励导通时，输入直流电源电压Ui直接加到功率开关变压器T1的初级绕组上，就有电流流过。由于这时功率开关变压器次级绕组的整流二极管VD1反向截止，因此没有电流通过。初级绕组耦合到次级绕组的能量将以磁能的的形式被储存到次级绕组中。当功率开关截止时，功率开关变压器所感应的电压与输入电压正好反向，使VD1正向导通，储存的磁能将以电能的形式释放给负载电路，因此这种形式的直流变换器电路的输出是倒向型的。它的输出电压不仅与初、次级绕组的匝数比有关，还和占空比即V1的导通时间有关。

　　2)特点

　　功率开关截止时，功率开关变压器向负载端释放能量;

　　功率开关变压器既起安全隔离的作用，又起储能电感的作用;

　　变压器要工作在连续工作状态，功率开关变压器必须大于临界电感值;

　　输出端不能开路，否则将失控;

　　可用于有几百瓦输出功率的场合。

　　28、自激推挽直流电路功率开关考虑的主要参数?

　　答：

　　1)最大集—射极电压Uceo;

　　2)最大集电极电流Icm;

　　3)在最大负载电流是时最小的放大倍数βmin;

　　4)开关速度，主要包括集电极电流的上升时间Tr、下降时间Tf和储存时间Ts;

　　5)最大功率损耗Pcm或结—壳的热阻;

　　6)集电极电压二次击穿额定值Uceo。

　　29、自激推挽双变压器直流电路工作原理?

　　答：自激推挽双变压器直流变换器电路采用一个体积小的工作在饱和状态和驱动变压器来控制功率开关工作状态的转化，而使用一个体积较大的工作在线性状态的变压器来控制电压的变换和功率的传输。

　　在接通电源后，由于电路总是存在着不平衡，设功率开关V1先导通，它的集电极电压就会降低。

　　当接近输入直流电源电压Ui时，输出功率开关变压器T2的NP1两端就会产生电压，NP2的两端也会相应的产生感应电压。NP1和NP2所产生的电压值之和全部加到T1的初级绕组和反馈电阻R1组成的串联电路两端，T1的次级绕组Nb2所产生的电压把V2的基集置成反向截止状态。Nb1所产生的电压把V1的基集置成正向饱和导通状态。T1的磁化电流增加，会导致T1的饱和，则N1中的电流增加，反馈电阻Rf两端电压增加，这样绕组N1上的电压就会减少，于是T1次级功率开关的激励电压也相应的减小。

　　于是，V1的集电极电流减小，逐渐退出饱和区，因此，所有的绕组的感应电压全部反向，V2开始导通，V1截止。V2的饱和状态将一直维持到T1的磁通达到负饱和值为止，这时，V1和V2的工作状态又发生翻转，使V2截止，V导通。如此反复。

　　30、桥式直流电路的分类?特点?

　　答：分为半桥式直流电路和全桥式直流电路。

　　1)输出功率大;

　　2)功率开关变压器磁芯利用率;

　　3)功率开关变压器没有中心抽头，实际加工较为简单。

　　4)电路中所用功率开关几点己所能承受的耐压是推挽式直流电路中功率开关的两倍，因此，选用功率开关时集电极的额定电压值就为推挽式直流变换器电路的功率开关的1\2;这样在相同的成本和输入条件下，半桥式直流变换器的输出功率就为推挽式直流变换器的两倍，全桥式直流变换器的四倍;

　　5)在半桥式直流变换器电路中，功率开关变压器初级绕组上所施加的电压幅值只有输入电压的一半，与推挽式直流变换器电路相比，输出相同的功率时，功率开关和功率开关变压器的初级绕组上必须流过两倍的电流，因此，桥式直流变换器电路是采用降压扩流的方法来实现相同功率的输出的。