《电源结构剖析》word版

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1、电源结构剖析PC上使用的电源供应器基于名为“开关模式（Switching Mode）”的结构，因而也被称为SMPS（开关电源）即Switching Mode Power Supplies（DC-DC变换器是对SMPS的另一种称呼）。在这个文章里我们会解释开关电源如何工作，并带你一探PC电源的内部结构以及工作方式。　　在之前的几篇文章中我们讨论了电源的一些基本常识。在这部教程里我们讲得深一点，进一步解释电源“黑盒子”里面有什么、电源由哪些主要元件组成、如何识别它们以及它们有什么功能。　　稳压电源有两种基本类型：线性电源和开关电源。　　先简要

2、介绍线性电源的工作原理。电源从市电取得127V或220V交流电压，通过变压器将其转换为低压交流电（例如12V）。接着由一组二极管进行全桥整流，将低压交流电转换为脉动直流。下一步是滤波，由一组电解电容将这个脉动直流波形滤成近似平滑的直流电。经过电解电容滤波的直流波形仍然有小幅波动（这个波动称作纹波），所以还需要一级电压调节提供稳定的输出，使用齐纳二极管或者集成稳压器电路。一台标准的线性电源的结构框图　　注：各国市电有100V左右（100~127V）和200V左右（220~240V）两种，上面写的110V和220V算两个典型值。图2：线性电源

3、上各处的电压波形　　虽然线性电源对于一些低功率应用很适合——例如手机充电器、游戏主机电源就是两个能立刻想到的典型应用——但当需要更大功率时，线性电源的体会变得很大。注：事实上小功率电源适配器常见的方案是Flyback、RCC等小功率开关电源结构，易做小尺寸和高效率，线性电源也有使用。　　功率变压器和滤波电容的容量（同样地，体积）与输入交流电的频率成反比，也就是说，交流电频率越低，这些元件的尺寸就越大。因为线性电源使用的市电频率是60Hz（或50Hz，在一些国家）——这是个非常低的频率——所以变压器和电容会非常大。　　同样地，使用电力的设备

4、电流需求越高，供应它们的电源就需要越大尺寸的变压器。　　对于高频开关电源而言，在进入变压器之前输入电压的频率就要被提升（典型值为50~60KHz）。由于输入电压的频率大幅提升，变压器和电解电容就可以非常小。这类电源就被应用于PC和其它一些电子设备例如录像机上。记住这里的“开关”是指代“高频开关元件”，而与电源外面是否有一个“开关按钮”无关。PC电源使用一种更好的方法：它是一个闭环系统。负责控制开关管的电路从电源输出端取得反馈，依照PC的功耗增加或减少变压器初级电压的占空比（这个方法称作PWM，脉冲宽度调制）。这样电源根据负载设备的功耗对自

5、身进行再调节。当你的PC不消耗很多能量时，电源调节自身提供较少的电流，这使得变压器和其它元件的能量耗散更少——也散发出更少热量对于线性电源而言，电源被设定为输出最大功率，即便负载电路并不需要很大电流。这样的后果是所有元件即便非必要的时候也工作在满负荷下，结果产生高很多的热量。开关电源的结构框图　　在下面两个图中可以看到一台带PWM反馈的PC用开关电源的结构框图（点击查看清晰原图）。第一个没有PFC电路——通常这是便宜电源——而下一张的电源配备了有源PFC电路，这个电路一般用于高端电源。比较这两个图，可以发现配备与不配备有源PFC电路的电源

6、的结构差别。配备了有源PFC的电源不需要切换110V/220V市电输入的开关以及输入倍压器。　　上面只是非常简化的框图。为简洁起见我们并没有加入各种附加电路，比如短路保护电路、待机电源、PG信号（Power Good）发生器等。如果读者需要更详细的电路图，请看下图。.如果你不懂电子也没关系，这张图只是为希望更深入了解的读者准备的。一台典型的低端ATX电源供应器的原理图，半桥结构无PFC，控制方案采用典型的TL494芯片，配合LM393比较器、TL431C基准电压源等附加电路注：现在TL494及其同型芯片是低端半桥开关电源上非常常见的一款控

7、制方案，配合339电压比较器和431基准电压源等周边电路组成低端开关电源的方案非常成熟，可以上至最高500W。与TL494同型的芯片常见的还有KA7500系列以及集成了494+339+431功能的SG6105等集成型控制器。我们后面会讨论。　　读者可能对上图中哪一级负责调节电压产生疑问，是PWM电路进行这一工作。输入电压在开关晶体管之前经过了一次侧整流，经过开关管输出给变压器的波形是方波而非正弦波。因为是方波所以很容易转换成直线。经过变压器后的二次侧整流，输出电压已经是接近直线了。这就是为何有时开关电源也被称作DC-DC变换器。注：PC上

8、的开关电源也被称作隔离式DC-DC变换器。实际上它做的就是将输入整流电路提供的高压直流转换成低压直流的工作，这一点和典型的DC-DC变换器非常相似，不同之处在于中间要加入变压器隔离初级和次级，