[开关直流降压电源BUCK设计.doc

开关电源剖析Anatomy of Switching Power Supplies第一页 绪论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）。在这个教程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。我们之前已经推出了一部电源教程，讨论了电源的尺寸规格、如何计算电源的标称功率指标并解释了基本的电源规格。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。线性电源的工作原理是，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。注：各国市电有100V左右（100~127V）和200V左右（220~240V）两种，上面写的127V和220V算两个典型值。图1：一台标准的线性电源的结构框图图2：线性电源上各处的电压波形? ?? ???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，线性电源的体积事实上会变得很大。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。第二页 开关电源的结构框图在图3和图4中你可以看到一台带PWM反馈的PC用开关电源的结构框图。图3中的电源没有PFC电路——通常这是便宜电源——而图4中的电源配备了有源PFC电路，这个电路一般用于高端电源。图3：一台带有PWM控制，没有PFC电路的电源的结构框图图4：一台带有PWM控制，配备有源PFC电路的电源的结构框图比较图3和图4可以发现配备与不配备有源PFC电路的电源的结构差别。可以看配备了有源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，但它们具备后面将要讨论的有源PFC电路。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，请看图5。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。图5：一台典型的低端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