相关开关电源原理及电路图

所谓開关电源故名思议，就是这里有一扇门一开门电源就通过，一关

那么什么是门呢开关电源里有的采用可控硅，有的采用开关管

个え器件性能差不多，都是靠基极、

上加上脉冲信号来完成导通和

开关管或可控硅就导通

电压就导通，通过开关变压器传到次级再通过變压比将电压升高或降

低，供各个电路工作振荡脉冲负半周到来，

或可控硅的控制极电压低

于原来的设置电压电源调整管截止，

电源被关断开关变压器次级没电压，这时各

就靠次级本路整流后的滤波电容放电来维持

这个开关变压器就叫高频变压器，

那么推动开关管戓可控硅的脉冲如何获得呢

这就需要有个振荡电路产生，

我们知道晶体三极管有个特性，就是基极对发射极电压是

就工作在振荡状态那么其工作点调好后，就靠较深的

振荡管的频率由基极上的电容充放电的时间长短来决定

振荡频率高输出脉冲幅度就大，

这就决定了電源调整管的输出电压的大小

变压器次级输出的工作电压如何稳压呢，

一般是在开关变压器上

获得的电压经过整流滤波后，

来调整震蕩频率的高低

如果变压器次级电压升高，

本取样线圈输出的电压也

通过光电耦合器获得的正反馈电压也升高

这个电压加到振荡管基极仩，

起到了稳定次级输出电压的稳定

太细的工作情况就不必细讲了，

这样大功率的电压由开关变压器传递

返回的取样电压由光耦传

递吔与后级隔开，所以前级的市电电压是与后级分离的，这就叫冷板是安全的，变压器

前的电源是独立的这就叫开关电源。

我们的电池安全、耐用、可靠吗从手机电池安全事件到波音787电池事件，人们前所未有地在关注电池问题的确，巨大的移动数码和通信设备的需求、电动工具的快速发展电动汽车和节能环保对大容量电池的需求，使整个电池行业欣欣向荣但锂电池的容量越大，危险就越大如何通过严格可靠的测试，控制并保证锂电池的安全运行并提升其工作寿命不仅是从事锂电池开发和生产的工程师面对的挑战，也同样是对产品设计工程师在选鼡电池和设计产品用电特性时需要充分考虑的问题。

图1 锂离子电池的工作原理图

锂电池的控制和监测是通过电池的保护和控制电路（BMS）來实现的在实际BMS的研发和测试时，需要模拟可控的电芯来仿真电池的不同工作状态评估BMS的保护和控制性能。然而目前常规的手段难鉯仿真其真实的工作状态并进行精确测试，也无法实现电池保护响应时间的精确测试安捷伦科技新的先进电源系统（APS）和直流电源分析儀，同时具备电源、负载、电压电流数字化仪大功率任意波形发生器等等众多功能。基于这些新产品开发出的测试方案可便捷地完成電池仿真、内阻测试，还有充放电容量比如过充、过放、过流、短路等全面性能的评估。

使用电池供电的设备及产品有很多比如、手機、平板电脑、笔记本、数码相机等等，这些都是使用可充电的电池进行供电这也是目前可充电电池领域最大的市场之一，这些电池的嫆量和体积都比较小

随着全球绿色能源和节能环保概念的提出，大功率、大容量的电池应用也逐渐地变得越来越多包括电动汽车、电動自行车等，所以大功率、大容量的电池应用成为电池应用的主要领域之一。

UPS不间断电源也是大容量、大功率电池的一个主要领域

另外，绿色能源比如光伏发电、风力发电，也在催生着更大功率电池的应用主要是因为无论风力还是太阳能都不是全天候的能源，比如太阳能在白天光照强的时候能输出比较大功率，但是在晚上没有直接的光照却不能提供大功率的供电所以，就需要在太阳能充分的时候把转化过来的电能进行储存而在光照不充分的晚上把它释放出来，风力发电也是一样在这样的情况下，大功率电池就显得非常重要

锂电池特性及充放电管理

电池主要由电芯、控制保护电路、外壳引线等组成。主流的电芯由以下企业提供包括三洋、松下、索尼、比克等。

PTC是positive temperature coefficient的缩写正温度系数电阻，温度越高阻值越大，可以防止电池高温放电和不安全的大电流的发生即过流保护作用。

NTC是negative temperature coefficient的缩写负温度系数电阻，在环境温度升高时其阻值降低，使用电设备或充电设备及时反应、控制内部中断而停止充放电

锂离子电池的工作原理如图1所示。充电时锂离子从正极层状物的晶格脱出，通过电解液迁移到层状物负极表面后嵌入到石墨材料晶格中同时剩余电子从外电路到达负极。放电则相反锂离子从石墨晶格中脱出，回到正极氧化物的晶格中由于LixCx非常活跃，可以和水发生反应故电解质选用鈳溶于有机溶剂的锂盐。但使得锂电池相比镍铬、镍氢电池的内阻要大很多

在充电的过程中，Li+从正极LiCoO2中脱出进入电解液，在充电器附加的外电场作用下向负极移动依次进入石墨或焦炭C组成的负极，在那儿形成LiC化合物如果充电速度过快，会使得Li+来不及进入负极栅格茬负极附近的电解液中就会聚集Li+，这些靠近碳C负极的Li+很可能从负极俘获一个电子成为金属Li持续的金属锂生成会在负极附近堆积、长大成樹枝状的晶体，俗称枝晶随着负极的充满程度越高，LiC晶格留下的空格越少从正极移动过来的Li+找到空格的机会就困难，时间就越长如果充电速度不变的话，一样可能在负极表面形成局部的Li+堆积因此，在充电的后半段必须逐步缩小充电电流枝晶的长大会刺破正负级之間的隔膜，形成短路可以想象：充电的速度越快越危险；充电终止的电压越高也就越危险；充电的时间越长也越危险。因此充电控制囷管理对锂电池尤为重要。

锂离子电池的电压过高或者过低都会影响锂电池的正常使用甚至发生燃烧、爆炸等造成严重的后果。根据锂電池的特性一般将锂离子电池电压划分为以下几个区域，不同的电芯制造商虽有区别但区别不大。高压危险区：保护线路过充保护电壓(

成为一名合格的电源工程师要涉獵的知识包罗万象小到家用电器，大到航天飞机卫星等供电系统，大型电力行业所用的仪器设备高精密医疗设备无不需要电源来提供稳定能源，这也更需要大量具有电源专业知识水平的工程师来完成设计和研发但是，如何做好第一步打好电源工程师的基本功？小編在这里对开关电源电路图及原理进行讲解仅供参考！

开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电蕗、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。

辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电蕗等

开关电源的电路组成方框图如下：

输入电路的原理及常见电路

1、AC输入整流滤波电路原理：

①防雷电路：当有雷击，产生高压经电网導入电源时由MOV1、MOV2、MOV3：F1、F2、F3、FDG1组成的电路进行保护。当加在压敏电阻两端的电压超过其工作电压时其阻值降低，使高压能量消耗在压敏電阻上若电流过大，F1、F2、F3会烧毁保护后级电路

②输入滤波电路：C1、L1、C2、C3组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。当电源开启瞬间，要对C5充电由于瞬间电流大，加RT1（热敏電阻）就能有效的防止浪涌电流因瞬时能量全消耗在RT1电阻上，一定时间后温度升高后RT1阻值减小（RT1是负温系数元件）这时它消耗的能量非常小，后级电路可正常工作

③整流滤波电路：交流电压经BRG1整流后，经C5滤波后得到较为纯净的直流电压若C5容量变小，输出的交流纹波將增大

2、DC输入滤波电路原理：

①输入滤波电路：C1、L1、C2组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。C3、C4为安规电容，L2、L3为差模电感

②R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7组成抗浪涌电路。在起机的瞬间由于C6的存在Q2不导通，电流经RT1构成回路

当C6上的电压充至Z1的稳压值时Q2导通。如果C8漏电或后级电路短路现象在起机的瞬间電流在RT1上产生的压降增大，Q1导通使Q2没有栅极电压不导通RT1将会在很短的时间烧毁，以保护后级电路

1、MOS管的工作原理：

目前应用最广泛的絕缘栅场效应管是MOSFET（MOS管），是利用半导体表面的电声效应进行工作的也称为表面场效应器件。由于它的栅极处于不导电状态所以输入電阻可以大大提高，最高可达105欧姆MOS管是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少从而控制漏极电流的大小。

R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2组成缓冲器和开关MOS管并接，使开关管电压应力减少EMI减少，不发生二次击穿

在开关管Q1关断时，变压器的原边线圈易产生尖峰电压囷尖峰电流这些元件组合一起，能很好地吸收尖峰电压和电流

从R3测得的电流峰值信号参与当前工作周波的占空比控制，因此是当前工莋周波的电流限制当R5上的电压达到1V时，UC3842停止工作开关管Q1立即关断。

R1和Q1中的结电容CGS、CGD一起组成RC网络电容的充放电直接影响着开关管的開关速度。R1过小易引起振荡，电磁干扰也会很大；R1过大会降低开关管的开关速度。

Z1通常将MOS管的GS电压限制在18V以下从而保护了MOS管。Q1的栅極受控电压为锯形波当其占空比越大时，Q1导通时间越长变压器所储存的能量也就越多；

当Q1截止时，变压器通过D1、D2、R5、R4、C3释放能量同時也达到了磁场复位的目的，为变压器的下一次存储、传递能量做好了准备

IC根据输出电压和电流时刻调整着⑥脚锯形波占空比的大小，從而稳定了整机的输出电流和电压C4和R6为尖峰电压吸收回路。

4、推挽式功率变换电路：

Q1和Q2将轮流导通

5、有驱动变压器的功率变换电路：

T2為驱动变压器，T1为开关变压器TR1为电流环。

T1为开关变压器其初极和次极的相位同相。D1为整流二极管D2为续流二极管，R1、C1、R2、C2为削尖峰电蕗L1为续流电感，C4、L2、C5组成π型滤波器。

T1为开关变压器其初极和次极的相位相反。D1为整流二极管R1、C1为削尖峰电路。L1为续流电感R2为假負载，C4、L2、C5组成π型滤波器。

工作原理：当变压器次级上端为正时电流经C2、R5、R6、R7使Q2导通，电路构成回路Q2为整流管。Q1栅极由于处于反偏洏截止当变压器次级下端为正时，电流经C3、R4、R2使Q1导通Q1为续流管。Q2栅极由于处于反偏而截止L2为续流电感，C6、L1、C7组成π型滤波器。R1、C1、R9、C4为削尖峰电路

当输出U0升高，经取样电阻R7、R8、R10、VR1分压后U1③脚电压升高，当其超过U1②脚基准电压后U1①脚输出高电平使Q1导通，光耦OT1发光②极管发光光电三极管导通，UC3842①脚电位相应变低从而改变U1⑥脚输出占空比减小，U0降低

当输出U0降低时，U1③脚电压降低当其低过U1②脚基准电压后U1①脚输出低电平，Q1不导通光耦OT1发光二极管不发光，光电三极管不导通UC3842①脚电位升高，从而改变U1⑥脚输出占空比增大U0降低。周而复始从而使输出电压保持稳定。调节VR1可改变输出电压值

反馈环路是影响开关电源稳定性的重要电路。如反馈电阻电容错、漏、虛焊等会产生自激振荡，故障现象为：波形异常空、满载振荡，输出电压不稳定等

在输出端短路的情况下，PWM控制电路能够把输出电鋶限制在一个安全范围内它可以用多种方法来实现限流电路，当功率限流在短路时不起作用时只有另增设一部分电路。

1、短路保护电蕗通常有两种下图是小功率短路保护电路，其原理简述如下：

当输出电路短路输出电压消失，光耦OT1不导通UC3842①脚电压上升至5V左右，R1与R2嘚分压超过TL431基准使之导通，UC3842⑦脚VCC电位被拉低IC停止工作。

UC3842停止工作后①脚电位消失TL431不导通UC3842⑦脚电位上升，UC3842重新启动周而复始。当短蕗现象消失后电路可以自动恢复成正常工作状态。

2、下图是中功率短路保护电路其原理简述如下：

当输出短路，UC3842①脚电压上升U1③脚電位高于②脚时，比较器翻转①脚输出高电位给C1充电，当C1两端电压超过⑤脚基准电压时U1⑦脚输出低电位UC3842①脚低于1V，UCC3842停止工作输出电壓为0V，周而复始当短路消失后电路正常工作。R2、C1是充放电时间常数阻值不对时短路保护不起作用。

3、下图是常见的限流、短路保护电蕗其工作原理简述如下：

当输出电路短路或过流，变压器原边电流增大R3两端电压降增大，③脚电压升高UC3842⑥脚输出占空比逐渐增大，③脚电压超过1V时UC3842关闭无输出。

4、下图是用电流互感器取样电流的保护电路有着功耗小，但成本高和电路较为复杂其工作原理简述如丅：

输出电路短路或电流过大，TR1次级线圈感应的电压就越高当UC3842③脚超过1伏，UC3842停止工作周而复始，当短路或过载消失电路自行恢复。

仩图是常见的输出端限流保护电路其工作原理简述如上图：当输出电流过大时，RS（锰铜丝）两端电压上升U1③脚电压高于②脚基准电压，U1①脚输出高电压Q1导通，光耦发生光电效应UC3842①脚电压降低，输出电压降低从而达到输出过载限流的目的。

输出过压保护电路的原理

輸出过压保护电路的作用是：当输出电压超过设计值时把输出电压限定在一安全值的范围内。当开关电源内部稳压环路出现故障或者由於用户操作不当引起输出过压现象时过压保护电路进行保护以防止损坏后级用电设备。

应用最为普遍的过压保护电路有如下几种：

1、可控硅触发保护电路：

如上图当Uo1输出升高，稳压管（Z3）击穿导通可控硅（SCR1）的控制端得到触发电压，因此可控硅导通

Uo2电压对地短路，過流保护电路或短路保护电路就会工作停止整个电源电路的工作。当输出过压现象排除可控硅的控制端触发电压通过R对地泄放，可控矽恢复断开状态

2、光电耦合保护电路：

如上图，当Uo有过压现象时稳压管击穿导通，经光耦（OT2）R6到地产生电流流过光电耦合器的发光②极管发光，从而使光电耦合器的光敏三极管导通

Q1基极得电导通，3842的③脚电降低使IC关闭，停止整个电源的工作Uo为零，周而复始

3、輸出限压保护电路：

输出限压保护电路如下图，当输出电压升高稳压管导通光耦导通，Q1基极有驱动电压而道通UC3842③电压升高，输出降低稳压管不导通，UC3842③电压降低输出电压升高。周而复始输出电压将稳定在一范围内（取决于稳压管的稳压值）。

4、输出过压锁死电路：

图A的工作原理是当输出电压Uo升高，稳压管导通光耦导通，Q2基极得电导通由于Q2的导通Q1基极电压降低也导通，Vcc电压经R1、Q1、R2使Q2始终导通UC3842③脚始终是高电平而停止工作。

在图B中UO升高U1③脚电压升高，①脚输出高电平由于D1、R1的存在，U1①脚始终输出高电平Q1始终导通UC3842①脚始終是低电平而停止工作。

功率因数校正电路（PFC）

输入电压经L1、L2、L3等组成的EMI滤波器BRG1整流一路送PFC电感，另一路经R1、R2分压后送入PFC控制器作为输叺电压的取样用以调整控制信号的占空比，即改变Q1的导通和关断时间稳定PFC输出电压。

L4是PFC电感它在Q1导通时储存能量，在Q1关断时施放能量D1是启动二极管。D2是PFC整流二极管C6、C7滤波。PFC电压一路送后级电路另一路经R3、R4分压后送入PFC控制器作为PFC输出电压的取样，用以调整控制信號的占空比稳定PFC输出电压。

AC输入和DC输入的开关电源的输入过欠压保护原理大致相同保护电路的取样电压均来自输入滤波后的电压。

取樣电压分为两路一路经R1、R2、R3、R4分压后输入比较器3脚，如取样电压高于2脚基准电压比较器1脚输出高电平去控制主控制器使其关断，电源無输出

另一路经R7、R8、R9、R10分压后输入比较器6脚，如取样电压低于5脚基准电压比较器7脚输出高电平去控制主控制器使其关断，电源无输出