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深度剖析开关电源的工作原理

2020-8-25 11:03:47

2392 开关电源电源

　　PC电源知多少

　　PC机所使用的电源是基于一种叫做 “开关模式 ”的技术，所以我们通常把PC电源称为——开关电源（SMPS），它还有一个别名——直流——直流转换器。在这篇文章中，我们将为大家介绍一下开关电源的工作模式和原理、开关电源的内部元件以及这些元件的功能。

　　线性电源基础知识

　　目前电源主要有两种类型：线性电源（LINEAR）和开关电源（SWITCHING）。线性电源的工作原理是先将127V或220V的市电通过变压器转换成低压电，如12V等，经过转换后的低压仍为交流电；再通过一系列的二极管进行校正和整流，将低压交流转换成脉动电压（图1和图2“3”）。下一步需要对脉动电压进行滤波，通过电容完成，再经过滤波后的低压交流变成直流电（图1和2“4”）；这时的低压直流还是不够纯净，会有一定的波动（这种电压波动就是我们常说的纹波），所以还需要调节电压二极管或电压整流电路进行校正。最后，我们得到一个纯低压直流输出（图1和图2中的 “5”）。

　　图1：标准的线性电源设计图

　　图2：线性电源的波形

　　虽然线性电源非常适合为无绳电话、PlayStation/Switch/Xbox游戏机等低功率设备供电，但对于高功率设备来说，线性电源会让人难以承受。

　　对于线性电源来说，内部电容和变压器的大小与交流市电的频率成反比：即输入市电的频率越低，线性电源所需的电容和变压器越大，反之亦然。由于目前的交流市电是60Hz（有些国家是50Hz），频率相对较低，其变压器和电容往往相对较大。另外，交流市电的浪涌越大，线性电源的变压器尺寸也就越大。

　　由此可见，做一个线性电源，对于PC界来说是一个疯狂的举动，因为它的体积会非常大，重量也会很重。这也是个人PC用户不适合使用线性电源的原因。

　　开关电源基础知识

　　高频开关电源可以很好地解决这个问题，采用高频开关电源的模式。对于高频开关电源来说，在进入变压器之前，交流输入电压可以先升压（一般在升压前50-60KHz）。随着输入电压的升高，变压器、电容等元件不需要像线性电源那样大而化之。这种高频开关电源正是我们的个人电脑和VCR等设备所需要的。需要注意的是，我们通常所说的 “开关电源 ”其实是 “高频开关电源 ”的简称，它与电源本身的开关和开机无关。

　　实际上，终端用户的PC电源采用的是一种更优化的方案：闭环系统--控制开关电源的电路，从电源的输出端获取反馈信号，然后根据PC机的功耗，在一定的时间段内根据电源的变压器，增加或减少电压的频率，以适应电源的变压器（这种方法称为PWM，脉宽调制）。因此，开关电源可以根据与之相连的耗电设备的功耗大小进行自我调节，从而使变压器等元件带走较少的能量，减少发热。

　　相比之下，线性电源的设计理念是以功率为重，即使负载电路不需要大量的电流，也是以功率为重。这样做的后果是，即使在不需要的时候，所有的元件都会满负荷工作，从而导致发热量大大增加。