开关电源的功能模块和原理

一路上

前言

本文将介绍电源拓扑结构并讨论每个内部功能模块，以提供对电源内部主要电路的基本理解。

开关电源简化图

AC-DC与DC-DC输入电源之间的框图差异在于二极管桥式整流器。AC-DC电源需要整流电路（二极管D1、D2、D3、D4），DC-DC电源不需要整流电路，否则电源拓扑结构可以相同。图1中的框图代表了许多AC-DC或DC-DC电源。

图1：AC-DC开关电源的简化框图

EMI/EMC滤波器

EMI/EMC滤波器模块可以是电源设计人员放置在电源内部的组件，也可以是电源用户作为外部组件添加的组件。EMI/EMC组件可能需要提供以下功能：

将电源输入端的辐射噪声和传导噪声降至最低

将输入电压源施加的电压瞬变的影响降至最低

当电压首次施加到电源输入时，将输入浪涌电流降至最低

如果电源出现故障，请保护输入电源和导体

当EMI/EMC元件位于电源内部时，电源开发团队会根据阻性负载的最大额定输出电流来选择元件。应用程序可能不会在与开发团队评估的相同条件下运行。因此，即使电源已经包含内部EMI/EMC组件，也可能需要额外的外部组件来使您的系统能够满足EMI/EMC法规要求。

图 2：EMI/EMC 输入滤波器

桥式整流器

如前所述，二极管桥式整流器用于将交流输入电压转换为直流电压，以便在电源内使用。由于直流电压已经存在，因此仅针对直流输入电压设计的电源中不存在整流器电路。然而，许多设计用于交流输入电压的电源也被表征为由直流输入电压供电。如果在电源输入端存在二极管电桥的情况下施加直流电压，则直流电压可以以任一极性连接，并将通过二极管并出现在输入大容量电容器上。

图 3：二极管桥式整流器

输入大容量电容器

输入大容量电容器对AC-DC电源中整流二极管的直流电压进行滤波，并在DC-DC电源中充当输入滤波器。当输入电压首次施加到电源时，输入大容量电容器两端的电压将为0 V。施加电压和大容量电容器电压之间的电压差会导致大的输入浪涌电流，而大容量电容器充电至输入电压。这种浪涌电流可能是一个问题，因为它可能比正常输入工作电流大 100 倍。通常，浪涌电流限制器（可能只是小值电阻器）与输入电压端子串联放置，以限制浪涌电流。

在DC-DC电源上，输入大容量电容器可以帮助补偿输入导体的阻抗，并稳定电源的动态输入阻抗。本网页提供了有关电源输入阻抗及其如何导致电源振荡的更多详细信息。

图 4：输入大电容

输入电源开关

电子开关（以MOSFET的形式绘制）将直流输入电压转换为交流电压，以便电源可以通过隔离磁性元件（变压器或耦合电感器）。输入控制信号以及电源开关输出信号的占空比取决于电源拓扑结构、输入电压、输出电压和输出负载电流。在AC-DC电源中，将交流输入电压转换为直流电压，然后再转换回交流电压的原因是内部交流频率要高得多（几十千赫兹到几十兆赫兹），因此可以选择更小的隔离磁性和输出滤波器元件。此外，内部交流波形可以作为功率转换拓扑的一部分进行调制。

图 5：输入电源开关

隔离磁性元件

用于隔离磁性的常见元件是变压器或耦合电感器。对于变压器或耦合电感器，隔离栅的初级侧和次级侧都有一个或多个绕组。在隔离磁性的物理结构中，初级绕组和次级绕组之间会存在寄生电容。这种寄生电容可能是EMI/EMC问题的根源。图6中的图表表示与绕组相关的寄生电容。应该注意的是，在实践中，电容不是如图所示的集总元件，而是分布在绕组之间。

图 6：带有表示寄生电容的集总电容器的隔离磁性元件

输出整流器

隔离磁元件的输出电压是交流波形，需要整流以产生直流输出电压。无源电路（二极管）或有源电路（FET）可用于执行整流。整流电路可以是半波、全波或其他配置，具体取决于输出电压要求和隔离磁性结构。二极管整流器成本低且结构简单，但功耗将大于采用有源FET整流器电路时的功耗。

图 7：输出整流器

输出滤波器

输出整流器将产生直流电压，并叠加交流电压。如果不进行输出滤波，交流噪声的峰峰值幅度将等于直流电压，对于大多数应用来说是不可接受的。基本输出滤波器是放置在输出电压两端的一个或多个电容器。通过添加串联电感器以创建“L”滤波器或“Pi”滤波器，可以增强输出滤波。有时采用输出滤波器来抑制EMI/EMC辐射。当元件靠近电源负载放置时，输出滤波器最有效。将滤波器元件放置在靠近负载的位置，可以最大限度地减少由负载电流变化引起的导体电压降。

图8：输出滤波电容

结语

从高层次上涵盖了交流-直流和DC-DC电源中的内部功能，更多开关电源特点请看：开关电源的用途、优点以及工作原理。