工作原理
原理简介
开关电源是利用现代电力技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。
开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。
与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。
控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。
开关电源有两种主要的工作方式：正激式变换和升压式变换。尽管它们各部分的布置差别很小，但是工作过程相差很大，在特定的应用场合下各有优点。
电路原理
所谓开关电源[1]，顾名思义，就是这里有一扇门，一开门电源就通过，一关门电源就停止通过，那么什么是门 开关电源电路图[1]呢，开关电源里有的采用可控硅，有的采用开关管，这两个元器件性能差不多，都是靠基极、（开关管）控制极（可控硅）上加上脉冲信号来完成导通和截止的，脉冲信号正半周到来，控制极上电压升高，开关管或可控硅就导通，由220V整流、滤波后输出的300V电压就导通，通过开关变压器传到次级，再通过变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，电源调整管的基极、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，300V电源被关断，开关变压器次级没电压，这时各电路所需的工作电压，就靠次级本路整流后的滤波电容放电来维持。待到下一个脉冲的周期正半周信号到来时，重复上一个过程。这个开关变压器就叫高频变压器，因为他的工作频率高于50HZ低频。那么推动开关管或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0.65-0.7V是放大状态，0.7V以上就是饱和导通状态， -0.1V- -0.3V就工作在振荡状态，那么其工作点调好后，就靠较深的负反馈来产生负压，使振荡管起振，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，反之就小，这就决定了电源调整管的输出电压的大小。那么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，单绕一组线圈，在其上端获得的电压经过整流滤波后，作为基准电压，然后通过光电耦合器，将这个基准电压返回振荡管的基极，来调整震荡频率的高低，如果变压器次级电压升高，本取样线圈输出的电压也升高，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上，就使振荡频率降低，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，也没必要了解的那么细的，这样大功率的电压由开关变压器传递，并与后级隔开，返回的取样电压由光耦传递也与后级隔开，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。说到这里吧。
开关条件
电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态
高频条件
电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频
直流条件
开关电源输出的是直流而不是交流 也可以输出高频交流如电子变压器
各种功能
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开关电源的发展
开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体（Mn-Zn）材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（Bs）下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源工作效率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的的可靠性大大提高。
模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N+1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大，而采用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，以使得该项技术得以实用化。
电力电子技术的不断创新，使开关电源产业有着广阔的发展前景。要加快我国开关电源产业的发展速度，就必须走技术创新之路，走出有中国特色的产学研联合发展之路，为我国国民经济的高速发展做出贡献。
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功能
DC/DC变换
DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton(通用)，二是频率调制方式，ton不变，改变Ts（易产生干扰）。其具体的电路由以下几类：
Buck电路
——降压斩波器，其输出平均电压
U0小于输入电压Ui，极性相同。
Boost电路
——升压斩波器，其输出平均电压 开关电源及电路图U0大于输入电压Ui，极性相同。
Buck－Boost电路
——降压或升压斩波器，其
输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。
Cuk电路
——降压或升压斩波器，其输出平均电
压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电容传输。
还有Sepic、Zeta电路。
隔离型电路
上述为非隔离型电路，隔离型电路有正激电路、反激电路、半桥电路、全桥电路、推挽电路。
当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃，美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有300W、600W、800W等，相应的功率密度为(6.2、10、17)W/cm3，效率为（80～90）%。日本NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，其开关频率为（200～300)kHz，功率密度已达到27W/cm3，采用同步整流器（MOSFET代替肖特基二极管），使整个电路效率提高到90%。
AC/DC变换
AC/DC变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、、FCC、CSA），交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC/DC电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作损耗增大，限制了AC/DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。
AC/DC变换按电路的接线方式可分为，半波电路、全波电路。按电源相数可分为，单相、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。
开关电源的选用
开关电源在输入抗干扰性能上，由于其自身电路结构的特点（多级串联），一般的输入干扰如浪涌电压很难通过，在输出电压稳定度这一技术指标上与线性电源相比具有较大的优势，其输出电压稳定度可达(0.5～1）%。开关电源模块作为一种电力电子集成器件，要注意选择。
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使用指南
提高待机效率的方法
切断启动电阻
对于反激式电源，启动后控制芯片由辅助绕组供电，启动电阻上压降为300V左右。设启动电阻取值为47kΩ，消耗功率将近2W。要改善待机效率，必须在启动后将该电阻通道切断。TOPSWITCH，ICE2DS02G内部设有专门的启动电路，可在启动后关闭该电阻。若控制器没有专门启动电路，也可在启动电阻串接电容，其启动后的损耗可逐渐下降至零。缺点是电源不能自重启，只有断开输入电压，使电容放电后才能再次启动电路。
降低时钟频率
时钟频率可平滑下降或突降。平滑下降就是当反馈量超过某一阈值，通过特定模块，实现时钟频率的线性下降。
切换工作模式
1．QR→PWM对于工作在高频工作模式的开关电源，在待机时切换至低频工作模式可减小待机损耗。例如，对于准谐振式开关电源（工作频率为几百kHz到几MHz），可在待机时切换至低频的脉宽调制控制模式PWM（几十kHz）。
IRIS40xx芯片就是通过QR与PWM切换来提高待机效率的。当电源处于轻载和待机时候，辅助绕组电压较小，Q1关断，谐振信号不能传输至FB端，FB电压小于芯片内部的一个门限电压，不能触发准谐振模式，电路则工作在更低频的脉宽调制控制模式。
2．PWM→PFM
对于额定功率时工作在PWM模式的开关电源，也可以通过切换至PFM模式提高待机效率，即固定开通时间，调节关断时间，负载越低，关断时间越长，工作频率也越低。将待机信号加在其PW/引脚上，在额定负载条件下，该引脚为高电平，电路工作在PWM模式，当负载低于某个阈值时，该引脚被拉为低电平，电路工作在PFM模式。实现PWM和PFM的切换，也就提高了轻载和待机状态时的电源效率。
通过降低时钟频率和切换工作模式实现降低待机工作频率，提高待机效率，可保持控制器一直在运作，在整个负载范围中，输出都能被妥善的调节。即使负载从零激增至满负载的情况下，能够快速反应，反之亦然。输出电压降和过冲值都保持在允许范围内。
可控脉冲模式（BurstMode）
可控脉冲模式，也可称为跳周期控制模式（SkipCycleMode）是指当处于轻载或待机条件时，由周期比PWM控制器时钟周期大的信号控制电路某一环节，使得PWM的输出脉冲周期性的有效或失效，这样即可实现恒定频率下通过减小开关次数，增大占空比来提高轻载和待机的效率。该信号可以加在反馈通道，PWM信号输出通道，PWM芯片的使能引脚（如LM2618，L6565）或者是芯片内部模块（如NCP1200，FSD200，L6565和TinySwitch系列芯片）。
输出计算
因开关电源工作效率高，一般可达到80%以上，故在其输出电流的选择上，应准确测量或计算用电设备的最大吸收电流，以使被选用的开关电源具有高的性能价格比，通常输出计算公式为：
Is=KIf
式中：Is—开关电源的额定输出电流；
If—用电设备的最大吸收电流；
K—裕量系数，一般取1.5～1.8；
接地
开关电源比线性电源会产生更多的干扰，对共模干扰敏感的用电设备，应采取接地和屏蔽措施，按ICE1000、EN61000、FCC等EMC限制，开关电源均采取EMC电磁兼容措施，因此开关电源一般应带有EMC电磁兼容滤波器。如利德华福技术的HA系列开关电源，将其FG端子接大地或接用户机壳，方能满足上述电磁兼容的要求。
保护电路
开关电源在设计中必须具有过流、过热、短路等保护功能，故在设计时应首选保护功能齐备的开关电源模块，并且其保护电路的技术参数应与用电设备的工作特性相匹配，以避免损坏用电设备或开关电源。
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产品特点
特点介绍
●电压输入范围宽，56VAC到650VAC；
●输入输出间隔离电压达4KVAC；●输出电压可调3-20v
●高效率、低噪音、稳定可靠； MSH微型开关电源●选用低阻抗长寿命电解电容；
●内置过流保护，输出可持续短路；
●输入、输出采用直焊式引脚，整体环保真空封装；
●成本低、体积小、重量轻、外围电路设计简单。
●优质的EMC指数，使本开关电源可以放心的应用到各种对EMC要求高的场合，减少对环境的电磁污染，更加节能环保，利用高频脉冲变压器内置屏蔽罩来提高EMC指数。
开关电源的三个条件
1、开关：电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态
2、高频：电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频
3、直流：开关电源输出的是直流而不是交流
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产品测试
耐压测试
（HI.POT,ELECTRIC STRENGTH ,DIELECTRIC VOLTAGE WITHSTAND）KV
于指定的端子间,例如:I/P-O/P,I/P-FG,O/P-FG间,可耐交流之有效值,漏电流一般可容许10毫安,时间1分钟。
测试条件Ta：25℃；RH：室内湿度；测试回路。
说明耐压测试主要为防止电气破坏，经由输入串入之高压，影响使用者安全。
测试时电压必须由0V开始调升，并于1分钟内调至最高点。
放电时必须注意测试器之Timer设定，于OFF前将电压调回 0V。
安规认证测试时，变压器需另行加测，室内 ，温度25℃，RH：95℃，48HR，后测试变压器初/次级与初级/CORE。
生产线测试时间为1秒钟。
纹波测试
（涟波杂讯电压）
（Ripple & Noise）%，mv
直流输出电压上重叠之交流电压成份最大值(P-P)或有效值。
测试条件 I/P: Nominal
开关电源伯特图 O/P : Full Load
Ta : 25℃
测试回路
测试波形
说明 示波器之GND线愈短愈好,测试线得远离PUS。
使用1：1之Probe。
Scope之BW一般设定于20MHz，但是对于目前的网络产品测试纹波噪声最好将BW设为最大。
Noise与使用仪器，环境差异极大，因此测试必须表明测试地点。
测试纹波噪声以不超过原规格值 +1%Vo。
漏电流测试
（洩漏电流） 开关电源电路示意图（Leakage Current）mA
输入一机壳间流通之电流（机壳必须为接大地时）。 测试条件 I/P：Vin max.×1.06(TUV)/60Hz
Vin max.(UL1012)/60Hz
O/P: No Load/Full Load
Ta: 25 ℃
测试回路
说明 L，N均需测。
UL1012 R值为1K5。
TUV R值为2K/0。15uF。
漏电流规格TUV：3。5mA,UL1012:5mA。
温度测试
（Temperature Test）
温度测试指PSU于正常工作下，其零件或Case温度不得超出其材质规
格或规格定值。
测试条件
I/P: Nominal
O/P: Full Load
Ta : 25℃
测试方法
将Thermo Coupler(TYPE K)稳固的固定于量测的物体上
（速干、Tape或焊接方式）。
Thermo Coupler于末端绞三圈后焊成一球状测试。
我们一般用点温计测量。
测试零件
热源及易受热源影响部分
例如：输入端子、Fuse、输入电容、输入电感、滤波电容、桥整、热
敏、突波吸收器、输出电容、输出电容、输出电感、变压器、铁芯、
绕线、散热片、大功率半导体、Case、热源零件下之P.C.B.……。
零件温度限制
零件上有标示温度者，以标示之温度为基准。
其他未标示温度之零件，温度不超过P.C.B.之耐温。
电感显示个别申请安规者，温升限制65℃Max(UL1012),75℃
Max(TUV)。
输入电压调节率测试
（Line Regulation）, %
输入电压在额定范围内变化时，输出电压之变化率。
Vmax-Vnor
Line Regulation(+)=Vnor 开关电源适配器Vnor-Vmin
Line Regulation(-)=Vnor
Vmax-Vmin
Line Regulation=Vnor
Vnor:输入电压为常态值，输出为满载时之输出电压。
Vmax:输入电压变化时之最高输出电压。
Vmin:输入电压变化时之最低输出电压。
测试条件
I/P：Min./Nominal/Max
O/P:Full Load
Ta:25℃
测试回路
说明
Line Regulation 亦可直接Vmax-Vnor与Vmin-Vnor之±最大
值以mV表示，再配合Tolerance%表示。
负载调节率测试
（Load Regulation）%
输出电流于额定范围内变化（静态）时，输出电压之变化率。
|Vminl-Vcent|
Line Regulation(+)=×100%Vcent
|Vcent-VfL|
Line Regulation(-)=×100%Vcent
|VminL-VfL|
Line Regulation(%)=×100%Vcent
VmilL:最小负载时之输出电压 开关电源外壳VfL:满载时之输出电压
Vcent:半载时之输出电压
测试条件
I/P：Nominal
O/P:Min./Half/Full Load
Ta:25℃6.3测试回路：
6．4Load Regulation亦可直接Vmin.L-Vcent与Vcent-Vmax.之±最大
值以mV表示，再配合Tolerance%表示。
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开关电源维修步骤
1、修理开关电源时，首先用万用表检测各功率部件是否击穿短路，如电源整流桥堆，开关管，高频大功率整流管；抑制浪涌电流的大功率电阻是否烧断。再检测各输出电压端口电阻是否异常，上述部件如有损坏则需更换。
2、第一步完成后，接通电源后还不能正常工作，接着要检测功率因数模块（PFC）和脉宽调制组件（PWM），查阅相关资料，熟悉PFC和PWM模块每个脚的功能及其模块正常工作的必备条件。
3、然后，对于具有PFC电路的电源则需测量滤波电容两端电压是否为380VDC左右，如有380VDC左右电压，说明PFC模块工作正常，接着检测PWM组件的工作状态，测量其电源输入端VC ，参考电压输出端VR ，启动控制Vstart/Vcontrol端电压是否正常，利用220VAC/220VAC隔离变压器给开关电源供电，用示波器观测PWM模块CT端对地的波形是否为线性良好的锯齿波或三角形，如TL494 CT端为锯齿波，FA5310其CT端为三角波。输出端V0的波形是否为有序的窄脉冲信号。
4、在开关电源维修实践中，有许多开关电源采用UC38××系列8脚PWM组件，大多数电源不能工作都是因为电源启动电阻损坏，或芯片性能下降。 当R断路后无VC，PWM组件无法工作，需更换与原来功率阻值相同的电阻。当PWM组件启动电流增加后，可减小R值到PWM组件能正常工作为止。在修一台GE DR电源时，PWM模块为UC3843，检测未发现其他异常，在R（220K）上并接一个220K的电阻后，PWM组件工作，输出电压均正常。有时候由于外围电路故障，致使VR端5V电压为0V，PWM组件也不工作，在修柯达8900相机电源时，遇到此情况，把与VR端相连的外电路断开，VR从0V变为5V，PWM组件正常工作，输出电压均正常。
5、当滤波电容上无380VDC左右电压时，说明PFC电路没有正常工作，PFC模块关键检测脚为电源输入脚VC，启动脚Vstart/control，CT和RT脚及V0脚。修理一台富士3000相机时，测试一板上滤波电容上无380VDC电压。VC，Vstart/control,CT和RT波形以及V0波形均正常，测量场效应功率开关管G极无V0 波形，由于FA5331（PFC）为贴片元件，机器用久后出现V0端与板之间虚焊，V0信号没有送到场效应管G极。将V0端与板上焊点焊好，用万用表测量滤波电容有380VDC电压。当Vstart/control 端为低电平时，PFC亦不能工作，则要检测其端点与外围相连的有关电路。
总之，开关电源电路有易有难，功率有大有小，输出电压多种多样。只要抓住其核心的东西，即充分熟悉开关电源的基本结构以及PFC及PWM模块的特性，它们工作的基本条件，按照上述步骤和方法，多动手进行开关电源的维修，就能迅速地排除开关电源故障，达到事半功倍的效果。
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开关电源维修技巧
开关电源的维修可分为两步进行：
断电情况下，“看、闻、问、量”
看：打开电源的外壳，检查保险丝是否熔断，再观察电源的内部情况，如果发现电源的PCB板上有烧焦处或元件破裂，则应重点检查此处元件及相关电路元件。资产管理
闻：闻一下电源内部是否有糊味，检查是否有烧焦的元器件。
问：问一下电源损坏的经过，是否对电源进行违规操作。
量：没通电前，用万用表量一下高压电容两端的电压先。如果是开关电源不起振或开关管开路引起的故障，则大多数情况下，高压滤波电容两端的电压未泄放悼，此电压有300多伏，需小心。用万用表测量AC电源线两端的正反向电阻及电容器充电情况，电阻值不应过低，否则电源内部可能存在短路。电容器应能充放电。脱开负载，分别测量各组输出端的对地电阻，正常时，表针应有电容器充放电摆动，最后指示的应为该路的泄放电阻的阻值。
加电检测
通电后观察电源是否有烧保险及个别元件冒烟等现象，若有要及时切断供电进行检修。
测量高压滤波电容两端有无300伏输出，若无应重点查整流二极管、滤波电容等。
测量高频变压器次级线圈有无输出，若无应重点查开关管是否损坏，是否起振，保护电路是否动作等，若有则应重点检查各输出侧的整流二极管、滤波电容、三通稳压管等。
如果电源启动一下就停止，则该电源处于保护状态下，可直接测量PWM芯片保护输入脚的电压，如果电压超出规定值，则说明电源处于保护状态下，应重点检查产生保护的原因。[2]
最好的升压办法是，多个开关变压器，初级并联，次级整流后串联。
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