开关电源维修从入门到精通(第2版)(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：刘建清

出版社：人民邮电出版社

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开关电源维修从入门到精通(第2版)试读：

前言

由于电子设备发展速度很快，目前第1版中的部分内容已不能满足日常维修的需要。为此，我们在第1版的基础上，结合维修实际，对原书进行了全面的修订。新书既保留了原有的特色，又在内容的广度和深度上进行了全面充实和修改，删除了第1版中过时的内容，如开关电源在CRT彩电中的应用等内容，增加了很多第1版中没有的新内容，如电动自行车充电器、LED背光板驱动电路、电磁炉开关电源等知识，在内容上更新颖、更实用，更适合于当前开关电源维修的需要。

本书写作的出发点是开关电源维修实践，不讲过深的理论知识，力求做到理论和实践相结合，循序渐进，由浅入深，使读者能够熟练地掌握开关电源的原理、检修方法和技巧。

全书共分12章，各章主要内容如下。

第1章主要介绍开关电源的分类、基本工作原理及组成等，以使读者对开关电源有一个总体的认识和了解。

第2章主要介绍开关电源单元电路，包括交流抗干扰电路、整流电路、滤波电路、启动电路、功率转换电路（开关管和开关变压器）、稳压电路、保护电路、功率因数校正电路、消磁电路、同步整流电路等。

第3章主要介绍开关电源常见元器件的识别与检测技巧。

第4章主要介绍开关电源的故障原因、维修方法及常见维修工具的使用。

第5章详细分析了单管、推挽式、半桥式、全桥式、RCC、准谐振、绿色、变频开关电源以及DC/DC变换器的识别要点与方法。

第6章主要介绍开关电源在电动自行车充电器上的应用与维修。

第7章主要介绍开关电源在普通与LED液晶显示器上的应用与维修。

第8章主要介绍开关电源在普通与LED液晶彩电上的应用与维修。

第9章主要介绍开关电源在等离子彩电上的应用与维修。

第 10 章主要介绍开关电源在打印机、传真机、复印机、计算机、DVD、充电器、电子日光灯上的应用与维修，并对UPS电源、交流稳压电源、电磁炉开关电源进行了简要分析。

第11章主要介绍用示波器维修开关电源的方法和技巧。

第12章主要介绍用电源通用模块维修开关电源的方法和步骤。

参与本书编写的人员有刘建清、宗艳丽、贾绪岩、林静、安明子等，最后由中国电子学会高级会员刘建清先生组织定稿。

由于编著者水平有限，加之时间仓促，书中难免会有疏漏和不足之处，恳请专家和读者不吝赐教。如果您在使用本书的过程中有任何问题或意见、建议，可以通过 E-mail：ddmcu@163.com向我们提出，我们将为您提供超值延伸服务。作者  第1章开关电源概述

开关电源打破了传统的稳压模式，它的调整元器件工作在开关状态，即通过调整开关元器件的开关时间来实现稳压。开关电源具有体积小、重量轻、功耗小、稳压范围宽等特点，所以被广泛地应用在各种电子产品中。本章主要介绍开关电源的分类、基本工作原理及组成，以使读者对开关电源有一个总体的认识和了解。1.1 稳压电源介绍

电子设备离不开电源，电源供给电子设备所需要的能量，这就决定了电源在电子设备中的重要性。电源的质量直接影响着电子设备的工作可靠性，所以电子设备对电源的要求也日益提高。

现有的电源主要由线性稳压电源（简称线性电源）和开关稳压电源（简称开关电源）两大类组成，这两类电源由于各具特色而被广泛应用。

1.1.1 线性电源

线性电源的组成框图如图1-1所示。图1-1 线性电源组成框图

线性电源一般由变压、整流、滤波、稳压这4部分组成。

变压——将交流电网电压变成所需的交流电压。变压过程通常由变压器来完成，有些采用电容降压。

整流——将交流电压变成直流电压。整流电路通常有半波整流电路、全波整流电路、桥式整流电路等，桥式整流电路较为常用。

滤波——将整流所得的脉动直流电（大小发生规律性变化）中的交流成分滤除。常用的滤波电路有电容滤波电路、电感滤波电路及阻容滤波电路等。

稳压——将滤波电路输出的直流电压稳定不变，即使输出直流电压不随电网电压、负载等的变化而变化。稳压功能可由稳压二极管、DC/DC变换器、串联式稳压电路等来完成。

线性电源的优点是稳定性好、可靠性高、输出电压精度高、输出纹波电压小。它的不足之处是要求采用工频变压器和滤波器，它们的重量和体积都很大，并且调整管的功耗较大，使电源的效率大大降低，一般情况下电源效率均不会超过50%。但它优良的输出特性，使其在对电源性能要求较高的场合仍得到了广泛的应用。

1.1.2 开关电源

开关电源因其控制器件工作在导通（ON）和截止（OFF）状态而得名，其实质是通过改变电路中控制器件的导通时间来改变输出电压的大小，达到维持输出电压稳定的目的，开关电源示意图及输入/输出波形如图1-2所示。图1-2 开关电源示意图及输入/输出波形

图中，U为整流后不稳定的直流电压；U为经过斩波的输出电压；ioS为开关控制器件；RL为负载；T为开关启闭周期；T为开关闭合时on间，即导通时间；T为开关断开时间，即截止时间。off

相对于线性电源，开关电源更能满足现代电子设备的要求，自20世纪中期开关电源问世以来，由于它突出的优点，其在计算机、通信、航天、办公和电气设备等方面得到广泛应用，大有取代线性电源之势。

开关电源具有以下特点。

1．效率高

开关电源的调整管工作在开关状态，可以通过改变调整管导通与截止时间的比例来改变输出电压的大小。当调整管饱和导电时，虽然流过较大的电流，但饱和管压降很小；当调整管截止时，管子将承受较高的电压，但流过调整管的电流基本等于零。可见，工作在开关状态调整管的功耗很小。因此，开关电源的效率较高，一般可达65%～90%。

2．体积小、重量轻

因调整管的功耗小，故散热器也可随之减小。而且，开关电源还可省去 50Hz 工频变压器，而开关频率通常为几十千赫，故滤波电感、电容的容量均可大大减小。所以，开关电源与同样功率的线性电源相比，体积和重量都小得多。

3．对电网电压的要求不高

由于开关电源的输出电压与调整管导通与截止时间的比例有关，而输入直流电压的幅度变化对其影响很小，因此，允许电网电压有较大的波动。一般线性稳压电路允许电网电压波动±10%，而开关稳压电路在电网电压为 140～260V、电网频率变化±4%时仍可正常工作。

4．调整管的控制电路比较复杂

为使调整管工作在开关状态，需要增加控制电路，调整管输出的脉冲波形还需经过 LC滤波后再送到输出端，因此相对于线性电源，其结构比较复杂，调试比较麻烦。

5．输出电压中纹波和噪声成分较大

调整管工作在开关状态，将产生尖峰干扰和谐波信号，虽经整流滤波，输出电压中的纹波和噪声成分仍比线性电源要大一些。

今后，开关稳压电源的发展，除了继续保持已有的优点外，主要是采用新技术和新工艺措施来克服自身存在的一些不足。1.2 开关电源的分类

开关电源的类型很多，而且可以按不同的方法来分类。

1.2.1 按开关控制器件的连接方式分

按开关控制器件的连接方式分类，开关电源可分为串联型和并联型。

1．串联型开关电源

串联型开关电源如图1-3所示。图1-3 串联型开关电源示意图

串联型开关电源的开关控制器件和脉冲变压器串联在输入电路和负载之间。这种开关电源具有带负载能力强、开关管尖峰电压低、元器件少等优点，缺点是不能多路输出整机所需的直流电压，且串联型开关电源底板带电，不方便安装接口电路。因此，应用范围远不如并联型开关电源。

2．并联型开关电源

并联型开关电源如图1-4所示。

并联型开关电源的开关器件与输入电压和输出电压并联，通过不同的脉冲变压器二次绕组抽头，产生多组不同的直流电压输出，以满足不同的电压要求，图中的光电耦合器有的电路采用，有的电路不采用。图1-4 并联型开关电源示意图

并联型开关电源具有如下优点。

① 能向负载电路提供多组直流电压，这不但简化了行输出级电路，而且降低了行输出变压器的故障率。

② 由于开关变压器的一、二次侧是完全隔离的，整机电路与开关电源不共地，提高了安全性，而且方便安装接口电路。

③ 稳压范围宽，只要略微改变一下开关脉冲的占空比，便能输出不同的稳定电压。

但是，并联型开关电源也存在不少缺点。

① 开关管截止时，其开关管集电极承受的最高峰值电压为U + iU ，开关管饱和时二次侧整流管承受的最高峰值电压也为U + U ，oio所以对电源开关管及开关变压器二次侧所接的整流管的耐压要求较高。

② 负载发生短路时，开关变压器各绕组呈现低阻，这有可能导致开关管因开启损耗大而损坏。

③ 开关管饱和时开关变压器储存能量，开关管截止时开关变压器向负载释放能量，所以要求开关变压器的电感量要足够大，才能满足负载在一个周期内所需要的能量。

④ 在开关管饱和期间，开关管集电极电流几乎是线性增长的，开关管基极电流随着电容的充电而逐渐下降。为了保证截止前瞬间仍能饱和，正反馈脉冲电压必须达到规定值，否则在开关管饱和后期，开关管会因激励不足而损坏。

正因为并联型开关电源存在这些缺点，所以并联型开关电源除了由启动电路、振荡形成电路、误差取样放大电路和脉宽调节电路组成的常规电路外，为了保证开关电源和负载电路可靠的工作，还设置许多附属电路。例如，为防止开关管因开启损耗大或关断损耗大而损坏，设置了开关管恒流激励电路；为了防止负载短路使开关管因过流损坏，设置了开关管过流保护电路；为了防止开关管和负载元器件因过压损坏，设置了过压保护电路；为了防止开关管因二次击穿损坏，设置了尖峰吸收电路；为了防止市电电压过低，使开关管因开启损耗大而损坏，设置了欠压保护电路。这些附属电路的加入使电源电路工作的安全性及可靠性大大提高，但同时也使电路的结构更加复杂，元器件数量大大增多，从而导致检修难度加大。

1.2.2 按激励脉冲产生方式分

不管何种开关电源，开关管必须工作在开关状态，所以开关管基极所加的激励电压是脉冲电压。按激励脉冲的产生分类，有自激式和他激式两种。

1．自激式开关电源

自激式开关电源利用电源电路中的开关管、高频开关变压器构成正反馈环路，来完成自激振荡，使开关稳压电源有直流电压输出。由于自激式开关电源的开关管兼作振荡管，不专设振荡器，也无专门的振荡启动电路，电路较简单。

2．他激式开关电源

他激式开关电源电路的开关管不参与激励脉冲的振荡过程，必须附加有振荡启动电路和振荡器，振荡器产生开关脉冲，来控制电源中开关管的导通与截止，让电源电路开关工作而有直流输出电压。他激励脉冲的振荡电路产生，可用分立元器件，也可用集成电路。由于采用分立元器件的振荡器，电路比较复杂，因此一般都采用集成电路，整体电路比较简洁，而且功能比较强，能够完成振荡、自动稳压、过流和过压保护等功能。相对于自激式开关电源，他激式开关电源电路较复杂。

不管采用何种激励方式，都要有足够的驱动功率，比如在开关管饱和期间，要求有足够大的基极电流，以维持开关管的饱和导通，这时基极电流应满足I＞I/β（I为开关管集电极的峰值电流）的条bcpcp件，否则开关管就会因激励不足而不能完全饱和，压降增大，功耗增大，开关管过热，容易造成损坏；而在开关管由饱和变为截止时，基极必须加反向电压，形成足够大的基极反向抽出电流，使开关管急剧地截止，以缩短开关管截止转换时间，减小其关断损耗。

1.2.3 按稳压控制方式分

一般开关电源都要经过稳压措施，来保证开关电源输出端电压的稳定，否则当市电电压或负载电流发生变化时，将导致输出端电压发生变化。稳压控制电路最终是通过控制开关管的导通时间来实现稳压控制的。按稳压控制方式分，开关电源可分为脉冲调宽式、脉冲调频式、脉冲调频调宽式3种。

通过计算可以得出输出电压U的计算公式。o

由式（1-1）可知，改变T或T，就可以控制输出直流电压的大on小。若只改变T而保持T不变，这种控制方法则称为脉冲调宽式；若on只改变T而保持T不变，这种控制方法则称为脉冲调频式；若同时改on变T和T，这种控制方法则称为脉冲调频调宽式，在实际应用中，这on种调制方式很少采用。

1.2.4 按软开关方式分

软开关技术是利用电容与电感谐振，使开关器件中的电流或电压按正弦波或近似正弦波的形式变化。当电流过零时开关关断，当电压过零时开关导通，以此实现开关损耗为零。根据谐振的类型可分为电流谐振型、电压谐振型、E类谐振型、准E类谐振型等。

1.2.5 按功率转换电路分

开关电源的功率转换电路主要由开关管和高频开关变压器组成，它是实现变压、变频以及完成输出电压调整的执行部件，是开关电源的核心。前面已讲到有自激和他激两种激励方式，但每种激励方式在电路结构上又是多样的，又分为单端反激式（单管）、单端正激式（单管）、推挽式（双管）、全桥式（四管）、半桥式（双管）、振铃式等。为便于理解，表1-1 列出了常见开关电源的结构类型。表1-1 常见开关电源的结构类型1.3 开关电源的基本组成及工作原理

1.3.1 串联型开关电源基本组成及工作原理

图1-5所示为自激串联型开关电源基本原理图。其中VT为电源开关管，受激励脉冲的控制，工作在截止与饱和状态。C1是市电电压整流滤波电路中的滤波电容。VD为续流二极管，它的作用是在开关管截止时为负载提供供电通路。L为储能电感（即开关变压器）。C2为开关电源输出端滤波电容。图1-5 自激串联型开关电源基本原理图

在开关管VT饱和导通期间，C1正极的直流电压U经过L→VT→iC2正极→C2负极充电。一方面使C2两端建立直流电压，另一方面使储能电感L中的磁能不断增大。当开关管VT截止期间，L感应出左负、右正的电压，则L中的磁能经续流二极管VD向C2及负载释放。开关电源输出端电压U的高低由VT的饱和导通时间的长短决定，即o由基极激励脉冲宽度决定。而基极激励脉冲的宽度，由误差取样、放大电路决定。

在串联型开关电源中如果没有续流二极管VD，则当开关管突然由饱和导通转为截止时，由于L中的磁能不能释放，将感应出极高的电压。该电压极易导致开关管VT击穿。而接入续流二极管VD后，当开关管由饱和导通转为截止时，L中的磁能通过VD向C2及负载电路释放，一方面使L两端的电压下降，使开关管集电极-发射极压降为输入U值，并有足够的余量；另一方面，在VT截止期间，L将通过续流i二极管VD释放能量，使负载电路在开关管截止期间，得到能量的补充，这将使输出端电压更平滑，开关电源的效率更高。

1.3.2 并联型开关电源基本组成及工作原理

并联型开关电源有自激式，也有他激式，其中他激式应用广泛。

1．自激式并联开关电源

自激式并联开关电源主要分为单端式、推挽式和桥式等，其中，单端自激式应用最多，其基本电路如图1-6所示。

这是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源，其基本工作原理如下。

当接入电源后，R1给开关管VT1提供启动电流，使VT1开始导通，其集电极电流I在L1中线性增长，在L2中感应出使VT1基极为正、发c射极为负的正反馈电压，使VT1很快饱和；同时，感应电压给C1充电，随着C1充电电压的增高，VT1基极电位逐渐变低，致使VT1退出饱和区，I开始减小，在L2中感应出使VT1基极为负、发射极为正的电压，c使VT1迅速截止，这时二极管VD1导通，高频开关变压器T一次绕组中的储能释放给负载；在VT1截止时， L2中没有感应电压，直流供电输入电压又经R1给C1反向充电，逐渐提高VT1基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。就像单端反激式开关电源那样，由变压器T的二次绕组向负载输出所需要的电压。

自激式并联开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作用，也省去了控制电路，这种电路不仅适用于大功率电源，亦适用于小功率电源。

2．他激式并联开关电源

他激式并联开关电源分为单端反激式、单端正激式、推挽式、全桥式、半桥式等，下面简要进行说明。（1）单端反激式

单端反激式开关电源基本电路如图1-7所示。图1-6 自激式并联开关电源基本电路图1-7 单端反激式开关电源基本电路

电路中所谓的单端是指高频开关变压器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激，是指当开关管VT1导通时，开关变压器T一次绕组的感应电压为上正下负，整流二极管VD1处于截止状态，在一次绕组中储存能量。当开关管VT1截止时，变压器T一次绕组中存储的能量，通过二次绕组及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成本最低的电源电路，输出功率为 20～100W，可以同时输出不同的电压，且电压调整比较方便，因此应用十分广泛。主要缺点是输出的纹波电压稍大，开关管VT1承受的最大反向电压较高（是电路工作电压值的两倍）。（2）单端正激式

单端正激式开关电源的基本电路如图1-8所示。图1-8 单端正激式开关电源的基本电路

这种电路在形式上与单端反激式电路相似，但工作情形不同。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储存能量；当开关管VT1截止时，电感L通过续流二极管VD3继续向负载释放能量。

由于这种电路在开关管VT1导通时，通过变压器向负载传送能量，所以输出功率范围大，可输出50～200W的功率。主要存在的问题是，电路使用的变压器结构复杂，体积也较大，正因为这个原因，这种电路的实际应用较少。（3）推挽式

推挽式驱动电路结构形式非常简单，如图1-9所示。图1-9 推挽式驱动电路结构形式

推挽驱动器只用到2只N沟道功率场效应管VT1、VT2，并将升压变压器T的中心抽头接于脉动直流电源，2只功率管VT1、VT2交替工作，输出得到交流电压，由于功率场效应管共地，所以驱动控制电路简单。另外由于变压器具有一定的漏感，可限制短路电流，因而提高了电路的可靠性。

推挽式开关电源输出功率较大，一般在100～500W范围内。

对于推挽结构的驱动电路，要求脉动直流电源的变化范围要小，否则会使驱动电路的效率降低。另外需要注意的是，当VT1和VT2同时导通时，相当于变压器一次绕组短路，因此应避免两个开关管同时导通。（4）全桥式

全桥驱动电路有多种形式，图1-10是采用4只N沟道场效应管的全桥结构形式。图1-10 全桥驱动电路采用4只N沟道场效应管

电路工作时，在驱动控制IC的控制下，VT1、VT4同时导通，VT2、VT3同时导通，且VT1、VT4导通时，VT2、VT3截止，也就是说，VT1、VT4与VT2、VT3是交替导通的，使变压器一次侧形成交流电压，改变开关脉冲的占空比，就可以改变VT1、VT4和VT2、VT3的导通与截止时间，从而改变了变压器的储能，也就改变了输出的电压值。

需要注意的是，如果VT1、VT4与VT2、VT3的导通时间不对称，则变压器一次侧的交流电压中将含有直流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流分量，造成磁路饱和，因此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生。

图1-11所示是采用2只N沟道和2只P沟道场效应管的全桥驱动电路。图1-11 全桥驱动电路采用2只N沟道和2只P沟道场效应管

电路工作时，在驱动控制IC的控制下，VT4、VT1同时导通，VT2、VT3同时导通，且VT4、VT1导通时，VT2、VT3截止，也就是说，VT4、VT1与VT2、VT3是交替导通的，使变压器一次侧形成交流电压。（5）半桥式

相比全桥，半桥结构的驱动电路最大的好处是每个通道少用了2只MOSFET，如图1-12所示。但它需要更高匝比的变压器，这会增加变压器的成本。图1-12 半桥结构驱动电路

电路工作时，在驱动控制IC的控制下，从vg1、vg2端输出开关脉冲，控制VT1与VT2交替导通，使变压器一次侧形成交流电压。改变开关脉冲的占空比，就可以改变 VT1、VT2的导通与截止时间，从而改变了变压器的储能，也就改变了输出的电压值。1.4 开关电源的进展

随着对节能技术的呼声越来越高，随着电子设备小型化的要求，随着对环境保护的更高要求，开关电源技术也在飞速地发展着，更高效率、更小体积、更少电磁污染、更可靠工作的开关电源几乎每年都有新品出现，下面简要进行介绍。

1.4.1 不断提高元器件性能

开关电源的发展与元器件的发展密切相关。开发大功率高速开关器件和低损耗磁性材料会对开关电源的发展具有推动作用。反之，开关电源的发展又会对元器件提出新的要求。

功率MOSFET和IGBT可使开关稳压电源的工作频率达到400kHz以上，甚至可以达到1MHz。20世纪90年代，第4代功率铁氧体磁性材料的开发成功，使开关电源的工作频率达到500kHz以上成为可能。

在开关电源中常用的电容器有陶瓷电容器、薄膜电容器、铝电解电容器、钽电容器和超容电容器等。其中超容电容器的发展尤其引人注目。超容电容器具有非常大的电极表面和非常小的电极相对距离，这样可制造出超大容量的电容器，超容电容器为开关电源的电容器的发展提供了新的途径。

开关变压器是开关电源的重要组件。平面变压器为近几年新研发出来的产品，它与普通的开关变压器不同之处是没有铜导线，用单层或多层印制电路板取而代之，因此它的厚度薄，可直接印制在电路板上。其优点是能量密度高、体积小，只有普通开关变压器的 1/4 左右。另外它的效率很高，一般可达97%～99%。它的工作频率可达500kHz～2MHz，并且漏感和电磁干扰都很小。

1.4.2 不断提高电路集成度

自20世纪80年代集成开关稳压器问世以来，国外相继研制和生产了多种单片开关稳压器，它们的共同特点是将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等置于一个芯片中，但在应用时仍需未经稳压的直流输入。20世纪90年代中期，Motorola、Philips等公司相继推出交流输入的单片开关稳压器，由于不需要未经稳压的直流输入，便可免去工频变压器，开关稳压电源进一步微型化。

1.4.3 不断采用新技术

1．软开关技术

在开关电源发展的初期阶段，功率开关管的开通或关断是在器件上的电压或电流不为零的状态下进行的。也就是说，是在器件上的电压未达到零电压时强迫器件开通，在器件中流经的电流未达到零电流时强迫器件关断。这种工作状态称之为“硬开关”。这种硬开关技术使得开关损耗增大，且随着开关频率的提高，开关损耗也增大。所以，硬开关技术限制了开关电源的工作频率和效率的提高。

20世纪70年代，软开关技术的出现，使开关电源的工作频率和效率大大提高。所谓“软开关”是指零电压开关（Zero-Voltage-Switching，ZVS）或零电流开关（Zero-Current-Switching， ZCS）。它是应用准谐振原理，使开关器件中的电压（或电流）按正弦规律变化，使电压为零时器件开通，或者电流为零时器件关断。这样一来，开关损耗可以做到为零。应用软开关技术，可以使开关电源的工作频率达到兆赫的量级。

准谐振电路是在PWM电路中接入电感和电容构成的，它可以将流经开关管的电流以及加在开关管两端的电压波形变为准正弦波。如图1-13所示，表示出电流谐振开关（ZCS）和电压谐振开关（ZVS）的基本电路以及工作波形。

图1-13（a）所示是电流谐振开关，谐振用电感L和开关VT串联，流经开关的电流i为正弦波的一部分。当开关导通时，电流i从ss零以正弦波形状上升，上升到电流峰值后，又以正弦波形状减小到零，电流变为零之后，开关断开。开关再次导通时，重复以上过程。由此可见，开关在零电流时通断。在零电流开关中，开关通断时与电压重叠的电流非常小，从而可以降低开关损耗。采用电流谐振开关时，寄生电感可作为谐振电路元件的一部分，这样可以降低开关断开时产生的浪涌电压。

图1-13（b）所示电路为电压谐振开关，谐振电容C与开关并联，加在开关两端的电压U波形为正弦波的一部分。开关断开时，s开关两端电压从零以正弦波形状上升，上升到峰值后又以正弦波形状下降为零。电压变为零之后，开关导通。开关再断开时，重复以上过程。可见开关在零电压处通断。在零电压开关中，开关通断时与电流重叠的电压非常小，从而可以降低开关损耗。这种开关中寄生电感与电容作为谐振元件的一部分，可以消除导通时的电流浪涌与断开时的电压浪涌。图1-13 电流谐振开关（ZCS）和电压谐振开关（ZVS）的基本电路以及工作波形

2．同步整流技术

从目前开关电源的应用情况来看，其发展方向趋于低电压、大电流。在这种情况下，以前是应用肖特基二极管做二次侧整流，当开关电源的输出电压降低时，这种整流方式会使电源的效率大幅度下降。如输出电压为5V时，效率不到85%；输出电压为3.3V和1.5V时，其效率仅分别为80%和65%。

利用同步整流技术可以大大提高低电压开关电源的效率。同步整流技术是通过控制功率MOSFET 的驱动电路来实现功率 MOSFET 完成整流功能的技术。利用同步整流技术大大提高了二次侧整流的效率，使开关电源的效率达到90%以上。

3．功率因数校正（PFC）技术

开关电源的电磁干扰是其主要缺点之一。为了减小开关电源对供电电网的污染和对外部电子设备的干扰，电源中普通采用了功率因数校正技术。功率因数校正技术的主要作用是使电网输入到电源的电流波形近似为正弦波，并与输入的电网电压保持同相位，即实现功率因数为1。

功率因数校正有两种方法：无源功率因数技术和有源功率因数技术。无源功率因数技术是采用电感、电容滤波来提高功率因数，它提高功率因数的效果不理想，并且体积大、笨重。有源功率因数技术是利用一个变换器串入在整流滤波器和 DC/DC 变换器之间，控制输入电流紧随输入电压，从而实现功率因数为1的目的。

4．开关电源的数字化

近年来，数字电源的研究势头与日俱增，成果也越来越多，在电源数字化方面走在前面的公司有 TI 和 Microchip ，即德州仪器公司和微芯国际公司。TI 公司已经用 DSP 的TMS320C28F10制成了通信用的48V大功率电源模块，其中PFC和PWM部分完全为数字式控制。现在，TI公司已经研发出了多款数字式PWM控制芯片，目前主要是UCD7000系列、UCD8000系列和UCD9000系列，它们将成为下一代数字电源的探路者。

UCD7000系列主要是数字控制的功率驱动级，既有驱动正激电路的，也有驱动推挽和半桥电路的，它需要微控制器或 DSP 给出 PWM 的数控信号，才能构成一个完整的数字电源。

UCD8000系列主要是将数字式的PWM和驱动部分集成在一起，用它设计数字电源只需外加微控制器或DSP即可。

UCD9000系列则主要包括DSP及数字PWM部分，它需要与UCD7000系列合作来组成数字电源。

必须承认的是，数字电源虽已开发成功，但技术还不够成熟，还有很长的路要走！  第2章开关电源单元电路分析

单元电路是组成开关电源的基本电路，常见的单元电路主要有交流抗干扰电路、整流电路、滤波电路、启动电路、功率转换电路（开关管和开关变压器）、稳压电路、保护电路、功率因数校正电路（部分开关电源有此电路）、消磁电路（部分开关电源有此电路）、同步整流电路（部分开关电源有此电路）等。本章中，主要以并联型开关电源为例进行介绍。2.1 开关电源基本单元电路

2.1.1 交流抗干扰电路

开关电源两根交流进线上存在共模干扰（两根交流进线上接收到的干扰信号，相对参考点大小相等、方向相同，如电磁感应）和差模干扰（两根交流进线上接收到的干扰信号，相对参考点大小相等、方向相反，如电网电压瞬时波动）。两种干扰以不同比例同时存在。开关电源中，整流电路、开关管的电流电压快速上升或下降，电感、电容的电流也迅速变化，这些都构成电磁干扰源。为了减少干扰信号通过电网影响其他电子设备的正常工作的情况，也为了减少干扰信号对本机音视频信号的影响，需要在交流进线侧加装线路滤波器，即交流抗干扰电路。常用的交流抗干扰电路如图2-1所示。图2-1 常用交流抗干扰电路

电路中，LF1、LF2是共模扼流圈，在一个闭合高磁导率铁芯上，绕制两个绕向相同的线圈。共模电流以相同方向同时流过两个线圈时，两线圈产生的磁通是相同方向的，有相互加强的作用，使每一线圈的共模阻抗提高，共模电流大大减弱，对共模干扰有强的抑制作用。在差模干扰信号作用下，干扰电流产生方向相反的磁通，在铁芯中相互抵消，使线圈电感几乎为零，对差模信号没有抑制作用。LF1、LF2 与电容 CY1、CY2 构成共模干扰抑制网络。

电路中，L1是差模扼流圈，在高磁导率铁芯上独立绕线构成，对高频率差模电流和浪涌电流有极高的阻抗，对低频（工频）电流的阻抗极小。电容 CX1、CX2 滤去差模电流，与L1 构成差模干扰抑制网络。R1 是 CX1、CX2 的放电电阻（安全电阻），用于防止电源线拔插时电源线插头长时间带电。安全标准规定，当正在工作之中的电气设备的电源线被拔掉时，在2s内，电源线插头两端带电的电压（或对地电位）必须小于原来电压的30%。

需要特别提示，电容CX、CY为安全电容，必须经过安全检测部门认证并标有安全认证标志。CY 电容一般采用耐压为 AC 275V 的陶瓷电容，但其真正的直流耐压高达 4000V 以上，因此，CY 电容不能随便用 AC 250V或 DC 400V之类的电容来代用。CX 电容一般采用聚丙烯薄膜介质的无感电容，耐压为 AC 250V 或 AC 275V，但其真正的直流耐压达 2000V 以上，也不能随便用 AC 250V 或 DC 400V 之类的电容来代用。

2.1.2 整流电路

整流电路的作用是将交流电压转换成 300V 左右的直流电压。开关电源电路中通常采用桥式整流方式，典型电路如图2-2所示。图2-2 桥式整流电路

电路中，VD1～VD4 是全桥堆中的 4 只整流二极管，u是输入的i交流电压，u是整流后的输出电压。o

当A端为正半周电压时，B端为负半周。A端的正半周电压同时加在VD1的负极和VD2的正极上，给VD1反向偏置而截止，给VD2正向偏置而导通。与此同时，B端的负半周电压同时加到VD3的负极和VD4的正极，这一电压对VD3是正向偏置使之导通，对VD4是反向偏置使之截止。由上述分析可知，当A端为正半周，B端为负半周时，为VD2和VD3同时导通，VD1和VD4同时截止，其导通后的电流回路为：A端→VD2正极→VD2负极→RL→地端→VD3正极→VD3负极→B端→再回到A端。流过RL的电流方向为从上而下，所以在RL上的电压为正，如图2-2（c）中的输出电压波形A所示。

当u输入电压变化到另一个半周时，A端为负半周，B端为正半周。iA端的负半周电压使VD1导通、VD2截止，B端的正半周电压使VD4导通、VD3截止，这样也有2只二极管处于导通，另2只二极管处于截止状态。在VD4和VD1导通后，其回路电流为：B端→VD4正极→VD4 负极→RL→地端→VD1 正极→VD1 负极→A端→再回到B端。此时，流过RL的电流也是从上而下的，所以输出电压仍然是正的，如图2-2（c）中电压波形B所示。

从整流电路的输出端电压波形中可以看出，通过桥式整流电路，可以将交流电压转换成单向脉动的直流电压。

根据以上分析可知，在交流电压正半周时，VD2、VD3导通，负半周时，VD1、VD4导通。由于每只二极管都只有半个周期导电，所以流过每只二极管的平均电流只是负载电流的一半。

桥式整流电路也可以画成如图2-3所示的形式，图2-3（a）为一种常用画法，图2-3（b）为其简化画法。图2-3 桥式整流电路的其他画法

2.1.3 滤波电路

整流电路虽然可以把交流电压变换为直流电压，但负载上的直流电压却是脉动的，它的大小每时每刻都在变化着，不能满足电子电路和无线电装置对电源的要求。整流后的脉动直流电压，属于非正弦周期信号，可以把它分解为直流成分（它的平均值）和各种不同频率的正弦交流成分。为了得到波形平滑的直流电，应尽量降低输出电压中的交流成分，同时又要尽量保留其中的直流成分，使输出电压接近于理想的直流电压。用以完成这一任务的电路称为滤波电路。

电容和电感都是基本的滤波元件，利用它们在二极管导电时储存一部分能量，然后再逐渐释放出来，从而得到比较平滑的波形。或者从另一个角度看，电容和电感对于交流成分和直流成分反映出来的阻抗不同，如果把它们合理地安排在电路中，可以达到降低交流成分、保留直流成分的目的，体现出滤波的作用。所以电容和电感是组成滤波电路的主要元件。

在开关电源中，滤波电路主要采用以下几种形式。

1．电容器滤波

电容器滤波主要应用在开关变压器一次电路中，如图2-4所示。图2-4 电容器滤波电路

交流电压经整流电路之后输出的是单向脉动性直流电压，这一电压可分解为一个直流电压和一组频率不同的正弦交流电压，滤波电路的作用是将直流电压取出，滤除交流成分。电路中，由于电容C对直流电压相当于开路，这样整流电路输出的直流电压不能通过C到地，只有加到负载RL上。对于整流电路输出的交流成分，因 C 容量较大，其容抗较小，交流成分通过 C 流到地端，而不能加到负载 RL。这样，通过电容 C 的滤波，从单向脉动性直流电中取出了所需要的直流电压，滤波电容C的容量越大，对交流成分的容抗越小，使残留在负载RL上的交流成分越小，滤波效果就越好。

开关电源中，滤波电容C的容量一般较大，通常采用100～220μF电容（耐压一般高于400V）。该电容在通电瞬间的充电电流较大，对保险管、整流管有一定危害，所以需要通过设置限流电阻对冲击电流进行限制。开关电源的限流电阻多采用负温度系数（NTC）的热敏电阻。其特点是在工作温度范围内电阻值随温度的升高而降低，即在冷态阻值较大时，热态阻值则下降。这样在开机瞬间，电容器的充电电流便受到NTC电阻的限制。在14～60s之后， NTC元件升温相对稳定，其上的分压也逐步降至零点几伏。这样小的压降，可视此种元件在完成软启动功能后为短接状态，不会影响电源的正常工作。

2．LC滤波电路

LC滤波电路主要应用在开关电源二次输出电路中，典型电路如图2-5所示。

在LC滤波电路中，由于RL上并联了一个电容，交流分量在R//LX和X之间分压，所以，输出电压的脉动成分比仅用电感滤波时更CL小。

LC滤波电路在负载电流较小或较大时具有良好的滤波作用，它对负载的适应性比较强。

电感滤波和 LC 滤波电路的突出优点是负载电流变化时，输出电压波动很小，也就是外特性较好。但由于使用了铁芯电感，制作工艺复杂，体积大，成本较高，不适应电路和整机小型化的要求。

3．п型LC滤波电路

在 LC 滤波电路的基础上再加上一个电容，就组成了一节 п 型 LC 滤波电路，如图 2-6所示。п型LC滤波电路广泛应用在开关电源二次输出电路中。图2-5 LC 滤波电路图2-6 п型LC滤波电路

电路中，整流电路输出的单向脉动性直流电压先经电容C1滤波，去掉大部分交流成分，然后加到L和C2滤波电路中。对于交流成分而言，L对它的感抗很大，这样在L上的交流电压降低较大，加到负载上的交流成分小；对直流电而言，由于L没有感抗，同时滤波电感的线径较粗，其直流电阻很小，这样对直流电压基本上没有电压降，所以直流输出电压比较高，这是采用电感滤波器的最大优点。

2.1.4 启动电路

为了使开关管工作在饱和、截止的开关状态，必须有一个激励脉冲作用到开关管的基极，并联型开关电源一般采用他激式电源，这个激励脉冲一般是由专门的振荡器产生，而振荡器的工作电压则由启动电路来提供。

启动电路分常规启动电路和受控制式启动电路两种形式。

1．常规启动电路

常规启动电路的电路形式如图2-7所示。

接通电源开关后，市电电压经整流、滤波后，获得约 300V 的直流电压，一路经开关变压器的一次绕组送到开关管的漏极；另一路经R1、R2对C1进行充电，当C1两端电压达到一定值时，则PWM控制芯片的振荡电路得电工作，输出驱动脉冲控制开关管工作。当开关电源正常工作后，开关变压器二次绕组上感应的脉冲电压经 VD1、C1 整流滤波后产生直流电压，将取代启动电路，为PWM控制芯片的供电端供电。

2．受控式启动电路

受控式启动电路基本构成如图2-8所示。图2-7 常规启动电路图2-8 受控式启动电路基本构成

受控式启动电路和常规启动电路相比，增加了一个可控开关 S，实际电路中，可控开关一般由三极管、场效应管、晶闸管等电路组成，控制信号一般取自开关变压器的反馈绕组。开关S在启动时接通，启动后断开，由VD1、C1整流滤波产生的电压接替启动电路工作。这种电路不但可减小功耗，而且可大大减小启动电路的故障率。

图2-9所示是一个具体的受控式启动电路的原理图，电路中，开关电源PWM控制芯片采用的是最为常见的UC3842。

开机后，VT912 导通，+ 300V 电压经 VT912、R932 在 C916 两端建立启动电压，加到UC3842的⑦脚，为UC3842提供启动电压。

当 UC3842 启动后，开关电源工作，开关变压器 T901 的⑥—⑦脚感应的脉冲（叠加有 + 300V 直流）经 VD910、C915 对整流滤波，经 R927 加到 VT912 的基极，导致 VT912截止，启动电路关断。

由以上分析可知，这种启动判断电路的控制信号来自开关变压器产生的脉冲整流电压。

图2-10所示为另一种形式的受控式启动电路原理图，电路中，开关电源PWM控制芯片采用的仍是UC3842。

开机后，VT611导通，交流电压经VD626整流、VT611和R622降压、VD627整流，在C621两端建立启动电压，加到UC3842的⑦脚，为UC3842提供启动电压。

当UC3842启动后，开关电源工作，UC3842的⑧脚输出5V基准电压，VT612导通，导致VT611截止，启动电路关断。

由以上分析可知，这种受控式启动电路的控制信号取自UC3842的基准电压输出脚，这种受控式启动电路在开关电源中也有一定的应用。图2-9 受控式启动电路原理图图2-10 另一种形式的受控式启动电路原理图

2.1.5 功率转换电路

功率转换电路主要由开关管和开关变压器（也称高频变压器）组成，它是实现变压、变频以及输出电压调整的执行部件，是开关电源的核心。早期的开关电源多采用三极管作为开关管，目前开关电源一般采用场效应管作为开关管。

2.1.6 稳压电路

为了使开关电源的输出电压不因市电电压、负载电流的变化而发生变化，必须通过稳压电路来对开关管的导通时间进行控制，达到稳定输出电压的目的。稳压电路主要由取样电路、基准电压源、误差放大器、光电耦合器和脉冲调制电路等组成。

1．稳压电路的两种类型

开关电源稳压电路主要有两种类型，即直接取样稳压电路和间接取样稳压电路。（1）直接取样稳压电路

直接取样稳压电路的特点是，取样电压直接取自开关电源的主电源输出端，通过光电耦合器再反馈到脉冲调制电路。图2-11所示是直接取样稳压电路的基本电路组成。

直接取样电路具有安全性能好、稳压反应速度快、瞬间响应时间短等优点，在开关电源的电源电路中得到了广泛的应用。（2）间接取样稳压电路

间接取样稳压电路的特点是，在开关变压器上专设一个取样绕组，由于取样绕组和二次绕组采用紧耦合结构，所以，取样绕组被感应的脉冲电压的高低就间接地反映了输出电压的高低，因此，这种取样方式称为间接取样方式。图2-12所示是间接取样稳压电路的基本电路组成。图2-11 直接取样稳压电路的基本电路组成图2-12 间接取样稳压电路的基本电路组成

这种取样方式的优点是电路简洁，但也存在不少问题，主要是稳压瞬间响应差。当输出电压因市电电压等原因发生变化时，需经开关变压器的耦合才能反映到取样绕组，不但响应速度慢，而且不便于空载检修，检修时，应在主电源输出端接假负载。

2．稳压电路的工作过程

下面以直接取样稳压电路为例进行说明，有关电路如图2-11所示。

220V交流输入电压经过整流滤波后变为脉动直流电压，为开关管VT提供电源。开关电源工作后，从开关变压器T的二次侧输出脉冲电压，经二极管VD整流和电容C2滤波后，输出直流电压U，为负载o供电。

当输出电压U下降时，经取样电路取样后的电压亦下降，取样o电压与基准电压经误差放大器比较后，由光电耦合器输入到PWM比较器，使PWM比较器输出的脉冲宽度加宽，宽脉冲使开关管导通时间加长，驱动开关变压器T储能增加，使输出电压U上升；反之结果o相反。

2.1.7 保护电路

开关电源的许多元器件都工作在大电压、大电流条件下，为了保证开关电源及负载电路的安全，开关电源设置了许多保护电路。

1．尖峰吸收回路

由于开关变压器是感性器件，所以，在开关管截止瞬间，其集电极上将产生尖峰极高的反峰值电压，容易导致开关管过压损坏，为此，开关电源大都设置了如图2-13所示的尖峰吸收回路。

在图2-13（a）所示的电路中，开关管VT截止瞬间，其集电极上产生的反峰值电压，经C1、R1 构成充电回路，充电电流使尖峰电压被抑制在一定范围内，以免开关管被击穿，当C1充电结束后，C1通过开关变压器T的一次绕组、300V滤波电容C1、地、R1构成放电回路。因此，当R1取值小时，虽然利于尖峰电压的吸收，但增大了开关管的开启损耗；当R1取值大时，虽然降低了开关管的开启损耗，但降低了尖峰电压的吸收。

图 2-13（b）所示电路是针对以上电路改进的，在图 2-13（b）中，不但加装了二极管VD1，而且加大了R1的值，这样，由于VD1的内阻较小，利于尖峰电压的吸收，而R1的取值又较大，降低了开启损耗大对开关管VT的影响。

图2-13（c）所示的电路与图2-13（b）所示的电路工作原理是一样的，吸收效果要更好一些。目前，开关电源的电源尖峰吸收回路基本上都采用该电路形式。图2-13 尖峰吸收回路

2．过压保护电路

为避免因各种原因引起的输出电压升高，而造成负载电路的元器件损坏，一般都设置过压保护电路。方法有多种，有在输出电压和地之间并联晶闸管（SCR）的，一旦电压取样电路检测到输出电压升高，就会触发晶闸管导通，起到过压保护的功能；也可以在检测到输出电压升高时，直接控制开关管的振荡过程，使开关电源停止工作。

3．过流保护电路

为了避免开关管因负载短路或过重而使开关管过流损坏，开关电源必须具有过流保护功能。

最简单的过流保护措施是在线路中串入保险管，需要说明的是，CRT彩电开关电源中所使用的保险管一般比较特殊，具有瞬间承受大电流冲击不会熔断的性能，称为延迟保险，这主要是为配合CRT彩电开机时的自动消磁特制的。因此在电流过大时，保险管的动作不会很及时，只能起慢速保护的作用。

另外，在整流电路中常接有限流电阻，阻值为几欧，能起一定的限流作用。

还有一种比较有效的过流保护方法，是在开关调整管的发射极（对三极管而言）或源极（对场效应管而言）串接一只过流检测小电阻，一旦由某种原因引起饱和时的电流过大，则过流检测电阻上的压降增大，从而触发保护电路，使开关管基极上的驱动脉冲消失或调整驱动脉冲的脉宽，使开关管的导通时间下降，达到过流保护的目的。

4．软启动电路

开关电源一般在开机瞬间，由于稳压电路还没有完全进入工作状态，开关管将处于失控状态，极易因关断损耗大或过激励而损坏。为此，一些开关电源中设有软启动电路，其作用是在每次开机时，限制激励脉冲导通时间不至于过长，并使稳压电路迅速进入工作状态。有些电源控制芯片中集成有软启动电路，有些开关电源则在外部专设有软启动电路。

5．欠压保护电路

当市电电压过低时，将引起激励脉冲幅度不足，导致开关管因开启损耗大而损坏，因此，有些开关电源设置了欠压保护电路。例如，开关电源控制芯片UC3842在其内部就设置了欠压保护电路。

开关电源的保护电路还有一些，这里不再一一分析。2.2 开关电源特殊单元电路介绍

开关电路除以上介绍的基本单元电路外，有些开关电源还采用了一些特殊的电路，下面只简要介绍一些应用较多的特殊电路。

2.2.1 消磁电路

地磁和外部磁场会影响一些电器的正常工作，因此，一些特殊的电器，如 CRT 彩电、CRT显示器等，其开关电源中会设有消磁电路。

消磁电路的主要元件是消磁电阻，消磁电阻是一种正温度系数（PTC）的热敏电阻，用于对显像管的消磁。其阻值能随温度升高而迅速增大。利用PTC热敏电阻充当消磁元件，具有节能、安全、方便、低成本的特点。

地磁和外界各种杂散磁场对彩色显像管有磁化作用，显像管的荫罩、栅网、防爆环、外屏蔽罩和固定件极容易被磁化。磁化的结果将改变电子束轨迹，使色纯不良，并引起会聚误差，有时甚至使屏幕上出现明显的色斑。为了克服地磁场、周围杂散磁场以及机内金属零部件形成的磁场对显像管内电子束的影响，设有一套消磁电路。该电路在每次开机时，产生一个由强变弱的交变磁场，对显像管金属部件进行消磁。

消磁电路主要有常规消磁电路和MCU控制消磁电路两种，下面分别进行介绍。

1．常规消磁电路

常规消磁电路由PTC热敏电阻和消磁线圈构成。图2-14是常规消磁电路原理图。

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