开关稳压电源基本工作原理

3.2.1　开关稳压电源基本工作原理

1.开关稳压电源的优势

串联型线性稳压电源的调整管工作于线性放大区，由于管压降高，功耗较大，因而电源的效率低，调整管上的功耗约占整机的1/3。

开关稳压电源与线性稳压电源有本质的不同，它的开关管工作在开关状态，因为晶体管在开关工作状态损耗很小，所以这种电源的效率较高。另外，由于开关稳压电源可以省去电源变压器，不仅减小了电源的体积，而且还减轻了整机的重量，同时还防止因电源变压器的漏磁场而产生的干扰，因此，开关稳压电源具有既节能又干扰小等优点，从而在电子设备中得到越来越广泛的应用。

2.开关稳压电源的工作原理

先来看一下开关电源的基本电路，图3-10（a）是开关电源的开关管和储能部分原理图。V是开关管，D是续流二极管（相当于整流二极管），L是储能电感（实际上是振荡变压器的供电绕组），由于开关管V是与输入电压u_i入相并联，所以此电路被称为并联型开关稳压电源。

在此电路中，当开关管V的基极上加正脉冲电压时，开关管饱和导通，集电极电位接近于零（三极管饱和压降V_ce为0.1V～0.2V）。二极管D截止，输入电压U_i向电感L储能，这时负载电流I₂是由前几个周期已充了电的电容器C放电供给的，电流方向如图3-10（b）所示。当开关管基极上无正脉冲或加上负脉冲时，开关管V截止，二极管D导通。根据电感的物理特性，由楞次定律可知，虽然开关管截止，但原电感的流动电流方向不变，两端感应电动势极性与前次相反，产生自感电动势并通过续流二极管向电容C充电，补充刚才放电时消耗的能量，为了下一次开关管导通时，再次给负载提供能量，并同时向负载R_L供电，电流方向如图3-10（c）所示。当电感L中释放的能量逐渐减小时，就由电容C向负载R_L放电，并很快又转入下一次开关饱和导通期，再一次由输入电压向电感L输送能量，周而复始，这样开关电源就向负载提供源源不断的直流电压。

图3-10　开关稳压电源的工作原理电路和存储以及释放能量的电流方向

图3-11是并联型开关稳压电源的方框图。直流300V电压是由市电220V经整流滤波得到的。电源脉冲变压器T的n₁绕组相当于储能电感L。开关脉冲发生器和开关控制器使开关管V产生间歇振荡，即导通或截止。T的n₁绕组中产生几十千赫兹的脉冲电流，通过电感的互感作用，耦合到次级n₂绕组，经续流二极管D和滤波电容C的作用，得到低压直流电。输出直流电经取样、比较放大、开关控制，去控制开关管V的导通与截止时间，即脉冲宽度。当输出电压升高时，使脉冲变窄，让开关管V导通时间短，n₁储能少，通过n₁耦合到n₂绕组，从而导致输出电压降低；当输出电压降低时，使脉冲变宽，让开关管V导通时间长，n₁储能多，通过n₁耦合到n₂绕组，从而导致输出电压升高，最终保持输出电压稳定不变，以达到稳压目的。

图3-12是一种开关稳压电源稳压电路图。L₁和C₁组成抗差模干扰电源滤波器以防止电源中的干扰信号串入开关电源，同时也防止开关电源的高频信号污染电网。

图3-11　并联型开关稳压电源方框图

图3-12　开关稳压电源稳压电路图

市电220V交流电经D₁～D₄整流，C₂滤波后，在C₂电解滤波电容两端得到+300V的直流电。脉冲变压器n₁绕组为初级绕组，同时也起储能电感作用，n₃绕组为开关管V₁作间歇振荡时提供正反馈信号用的绕组。n₂绕组为负载提供低压直流的供电绕组。R₁₀、W和R₉为取样分压电阻，由稳压二极管ZD₇所稳定的电压作基准电压，V₂和V₃组成比较放大器，D₆为续流二极管，C₅作滤波电容用。根据变压器的同名端命名原理，可以看出图3-12中n₁的2脚、n₃的4脚、n₂的5脚为同名端脚，即当开关管V₁基极有高电频脉冲而导通时，n₂绕组上感应出5脚负、6脚正的感应电压，D₆因反偏而不导通，负载所需工作电流由C₅放电提供，此时脉冲变压器T的n₁绕组开始储存能量。当V₁基极有低电频脉冲信号而截止时，n₂绕组上感应出5脚正、6脚负的感应电压，使续流二极管D₆因正偏而导通。脉冲变压器n₁绕组开始释放出所储存的能量。此时，由于D₆的导通电路中有了电流，不仅为C₅充电，也为下次放电作好能量储备，还同时为负载提供了工作所需的正常电压和电流。

此电路中V₁具有两种功能，它既是电源开关管又是电源间歇振荡电路中的振荡管。其振荡过程是电路通电后（通过整流滤波得到+300V直流电压），经过降压限流电阻R₂后获得一电流加到V₁的基极上，于是V₁有了基极电流后就产生了集电极电流。因为V₁的集电极接在n₁绕组的2脚上，其集电极电流由小到大的变换过程是受n₁绕组电感的作用，即n₁绕组内产生一个力图阻止电流增加的自感电动势，随着集电极电流逐渐增大，此种感应电动势随之增强，其极性为1脚正、2脚负。同时在电源脉冲变压器T的正反馈绕组n₃中感应出一个与n₁绕组上感应电动势极性相同的感应电动势。因n₁绕组与n₃绕组为同一端名，即n₃绕组感应电动势极性也是3脚正、4脚负。根据电容的特性，由于C₄两端电压不能突变，因此，n₃绕组感应电动势刚产生时立即加到C₄的右端上，C₄并没有来得及充电，n₃绕组的极性为3脚正、4脚负。由于C₄右端为正的脉冲通过C₄立即将正脉冲加到C₄的左端，通过R₄再加到V₁的基极，使基极正电位有所升高，发射结电压变大，基极电流随着增大。基极电流的增大从而促使集电极电流随着增大，使V₁快速进入饱和导通状态。V₁饱和导通以后，n₃绕组上的感应电动势通过R₄、V₁发射结对C₄进行充电，其充电电流方向是从n₃绕组的3脚→C₄→R₄→b₁→e₁→地，于是C₄上充电电压的极性为左负右正。

随着充电的继续进行，C₄两端电压慢慢升高，C₄左端电位慢慢降低。经过一段时间充电后，当C₄左端电位降低到某一定值时，V₁基极电流开始减小，V₁又转入放大状态。因基极电流的减小，促使集电极电流的减小（I_C=βI_b），通过n₁绕组和n₃绕组之间的正反馈作用，使V₁快速脱离饱和状态而转入截止状态。V₁截止后，C₄不再充电了，并通过n₃绕组的3脚→n₃绕组的4脚→D₅→R₄→C₄的左端放电。随着C₄放电的进行，其两端电压慢慢降低，C₄左端负的电位降低相对的升高了V₁基极正的电位。当V₁基极电位升高到某一定值时，V₁又开始产生基极电流，根据以上的经过，因为正反馈的作用促使V₁又快速转入饱和导通状态，于是此电路V₁从饱和→截止→饱和→截止，周而复始地做间歇振荡。在此振荡电路中，C₄、R₄的充放电决定了一个时间常数、V₁饱和导通与截止的时间，同时也决定了此振荡电路的振荡频率。n₁绕组与n₃绕组之间的正反馈作用不仅有加速V₁饱和→截止、截止→饱和之间的转换，同时也是此电路能够成功地实现间歇振荡的必要条件。

电源电路工作起来后，就有直流电压输出，显示器的直流供电需要稳定的电压值，否则，不能正常工作。下面就进一步讲解该电路的稳压过程。如果某种原因使电源输出直流电压U_o有所上升时，则V₂基极通过R₉、W、R₁₀分压取样后使取样电压有所上升。由于稳压管两端电压保持不变，故V₂发射极对地的电压变化量比V₁基极电压变化量要大，即V₂发射结电压增大，使V₂的集电极电流随基极电流增加而变大，导致V₃基极电流增加，V₃的电流集电极也随着增大。因为V₃的集电极和V₁基极组成了总电流电路的分流电路，又由于V₃集电极电流方向与V₁基极电流方向相反，V₃集电极电流的增大，导致V₁基极电流的减小，致使V₁集电极电流的减小，那么，流过电源开关变压n₁绕组电流减小，产生的感应电动势就会较前减弱，通过n₁绕组与n₂绕组间相互耦合，n₂绕组同样产生较前有所减弱的感应电动势。经过D₆整流、C₅滤波得出输出电压U_o有所下降，最终保持输出电压稳定不变的目的。下面用简单渐变式表示电路的稳压过程：I_b1↓(I_R2= I_C3+I_b1)→I_C1↓→n₁绕组与n₂绕组相互间感应电动势有所减小→U_o↓，最终保持输出电压U_o保持不变。