开关电源工作原理与设计

反激式开关电源(flyback)是一种常见的电源结构，广泛应用于电子设备中。它具有结构简单、成本低廉、效率高等优点，在消费电子、工业控制和通信设备等领域被广泛应用。本文旨在介绍反激式开关电源环路设计的基础知识，包括工作原理、设计步骤和注意事项。

一、反激式开关电源的工作原理

1.1 反激式开关电源的基本结构

反激式开关电源由输入滤波器、整流桥、高频变压器、功率开关器件、输出整流滤波器、控制电路等组成。其中，高频变压器是反激式开关电源的关键部件，通过变压器实现输入电压的隔离和变换，功率开关器件则控制变压器的工作状态，实现电源的调节和稳定输出。

1.2 反激式开关电源的工作原理

反激式开关电源通过功率开关器件周期性地将输入电压斩波，将输入电能存储在变压器的磁场中，然后再将其转换为输出电压。在工作周期的后半段，存储的能量释放到输出负载上，从而实现对输出电压的调节。通过控制功率开关器件的导通时间和断态时间，可以实现对输出电压的调节和稳定。

二、反激式开关电源环路设计的基础知识

2.1 反激式开关电源的设计步骤

（1）确定电源的输入输出参数：包括输入电压范围、输出电压、输出电流、负载调整范围等； （2）选择功率开关器件和高频变压器：根据电源的输入输出参数和工作频率选择合适的功率开关器件和高频变压器；

（3）设计反激式开关电源的控制电路：根据所选的功率开关器件和高频变压器设计相应的控制电路，包括PWM控制电路、电源启动电路等；

（4）设计输入输出滤波器和保护电路：设计输入输出滤波器，保证电源的输入输出稳定和干净，设计过压、过流、过温等保护电路，保证电源的安全稳定工作。

2.2 反激式开关电源环路设计的注意事项

（1）磁性元件的设计：高频变压器和输出感应元件的设计是整个反激式开关电源设计的关键，应合理设计磁芯、线圈匝数等参数，保证磁性元件承载功率、效率和体积的平衡；

（2）功率开关器件的选择和驱动：应选择合适的功率开关器件，并设计合理的驱动电路，保证功率开关器件的可靠工作和转换效率；

第 1 页 共 4 页 开关电源工作原理及电路图

金籁科技以丰盛的案例分析，介绍单端正激式开关电源，自激式开关电源，推挽式开关电源、降压式开关电源、升压式开关电源和反转式开关电源。随着全球对能源问题的重视，产品的耗能问题将愈来愈突出，如何降低其待机功耗，提高供电效率成为一个急待解决的问题。传统的线性虽然结构容易、工作牢靠，但它存在着效率低（惟独40%－50%）、体积大、铜铁消耗量大，工作温度高及调节范围小等缺点。为了提高效率，人们研制出了开关式稳压电源，它的效率可达85%以上，稳压范围宽，除此之外，还具有稳压精度高、不用法电源等特点，是一种较抱负的稳压电源。正由于如此，开关式稳压电源已广泛应用于各种电子设备中，本文对各类开关电源的工作原理作一阐述。一、开关式稳压电源的基本工作原理开关式稳压电源接控制方式分为调宽式和调频式两种，在实际的应用中，调宽式用法得较多，在目前开发和用法的开关电源中，绝大多数也为脉宽调制型。因此下面就主要介绍调宽式开关稳压电源。调宽式开关稳压电源的基本原理可参见下图。对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均Uo取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。直流平均电压Ｕ。可由公式计算，即Uo=Um×T1/T式中Um为矩形脉冲最大电压值；T为矩形脉冲周期；T1为矩形脉冲宽度。从上式可以看出，当Um与T不变时，直流平均电压Uo将与脉冲宽度T1成正比。这样，只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，就可以达到稳定电压的目的。二、开关式稳压电源的原理电路1、基本电路开关式稳压电源的基本电路框图二所示。沟通电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。控制电路为一脉冲宽度调制器，它主要由取样器、、、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化，制成了各种开关电源用集成电路。控制电路用来调节高频开关元件的开关时光比例，以达到稳定输出电压的目

开关电源设计（精通型）

一、开关电源基本原理及分类

1. 基本原理

开关电源的工作原理是通过控制开关器件的导通与关断，实现电能的高效转换。它主要由输入整流滤波电路、开关变压器、输出整流滤波电路和控制电路组成。在开关电源中，开关器件将输入的交流电压转换为高频脉冲电压，通过开关变压器实现电压的升降，经过输出整流滤波电路，得到稳定的直流电压。

2. 分类

（1）PWM（脉冲宽度调制）型开关电源：通过调节脉冲宽度来控制输出电压，具有高效、高精度等特点。

（2）PFM（脉冲频率调制）型开关电源：通过调节脉冲频率来控制输出电压，适用于负载变化较大的场合。

二、开关电源关键技术与设计要点

1. 高频变压器设计

（1）选用合适的磁芯材料，保证变压器在高频工作时的磁通密度不超过饱和磁通密度。

（2）合理设计变压器的绕组匝数比，以满足输出电压和电流的要求。

（3）考虑变压器损耗，包括铜损、铁损和杂散损耗，确保变压器具有较高的效率。

2. 开关器件的选择与应用

（1）开关频率：根据开关电源的设计要求，选择合适的开关频率。 （2）电压和电流等级：确保开关器件能承受最大电压和电流。

（3）功率损耗：选择低损耗的开关器件，提高开关电源的效率。

（4）驱动方式：根据开关器件的特点，选择合适的驱动电路。

3. 控制电路设计

（1）稳定性：确保控制电路在各种工况下都能稳定工作。

（2）精度：提高控制电路的采样精度，降低输出电压的波动。

（3）保护功能：设置过压、过流、短路等保护功能，提高开关电源的可靠性。

三、开关电源设计实例分析

1. 确定设计指标

输入电压：AC 85265V

输出电压：DC 24V

输出电流：4.17A

效率：≥90%

2. 高频变压器设计

选用EE型磁芯，计算磁芯尺寸、绕组匝数和线径。

3. 开关器件选择

根据设计指标，选择一款适合的MOSFET作为开关器件。

4. 控制电路设计

采用UC3842作为控制芯片，设计控制电路，实现开关电源的稳压输出。

开关电源的工作原理和维修

电源是各种电子设备必不可缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。由于开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，功耗小，转化率高，且体积和重量只有线性电源的20%—30%，故目前它已成为稳压电源的主流产品。电子设备电气故障的检修，本着从易到难的原则，基本上都是先从电源入手，在确定其电源正常后，再进行其他部位的检修，且电源故障占电子设备电气故障的大多数。故了解开头电源基本工作原理，熟悉其维修技巧和常见故障，有利于缩短电子设备故障维修时间，提高个人设备维护技能。

二．开关电源的组成

开关电源大至由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成，见图1。

1． 主电路

冲击电流限幅：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。

输入滤波器：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。

整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。

逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分。

输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。

2． 控制电路

一方面从输出端取样，与设定值进行比较，然后去控制逆变器，改变其脉宽或脉频，使输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对电源进行各种保护措施。

3． 检测电路

提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。

4． 辅助电源

实现电源的软件（远程）启动，为保护电路和控制电路（PWM等芯片）工作供电。

三．开关电源的工作原理

开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压。开关元件以一定的时间间隔重复地接通和断开，在开关无件接通时输入电源Vi通过开关S和滤波电路向负载RL提供能量，当开关S断开时，电路中的储能装置（L1、C2、二极管D组成的电路）向负载RL释放在开关接通时所储存的能量，使负载得到连续而稳定的能量。