開(kāi)關(guān)模式電源(SwitchModePowerSupply，簡(jiǎn)稱SMPS)，又稱交換式電源、開(kāi)關(guān)變換器，是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置，是電源供應(yīng)器的一種。其功能是將一個(gè)位準(zhǔn)的電壓，透過(guò)不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為用戶端所需求的電壓或電流。開(kāi)關(guān)電源的輸入多半是交流電源(例如市電)或是直流電源，而輸出多半是需要直流電源的設(shè)備，例如個(gè)人電腦，而開(kāi)關(guān)電源就進(jìn)行兩者之間電壓及電流的轉(zhuǎn)換。

開(kāi)關(guān)模式電源(SwitchModePowerSupply，簡(jiǎn)稱SMPS)，又稱交換式電源、開(kāi)關(guān)變換器，是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置，是電源供應(yīng)器的一種。其功能是將一個(gè)位準(zhǔn)的電壓，透過(guò)不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為用戶端所需求的電壓或電流。開(kāi)關(guān)電源的輸入多半是交流電源(例如市電)或是直流電源，而輸出多半是需要直流電源的設(shè)備，例如個(gè)人電腦，而開(kāi)關(guān)電源就進(jìn)行兩者之間電壓及電流的轉(zhuǎn)換。

開(kāi)關(guān)電源不同于線性電源，開(kāi)關(guān)電源利用的切換晶體管多半是在全開(kāi)模式(飽和區(qū))及全閉模式(截止區(qū))之間切換，這兩個(gè)模式都有低耗散的特點(diǎn)，切換之間的轉(zhuǎn)換會(huì)有較高的耗散，但時(shí)間很短，因此比較節(jié)省能源，產(chǎn)生廢熱較少。理想上，開(kāi)關(guān)電源本身是不會(huì)消耗電能的。電壓穩(wěn)壓是透過(guò)調(diào)整晶體管導(dǎo)通及斷路的時(shí)間來(lái)達(dá)到。相反的，線性電源在產(chǎn)生輸出電壓的過(guò)程中，晶體管工作在放大區(qū)，本身也會(huì)消耗電能。開(kāi)關(guān)電源的高轉(zhuǎn)換效率是其一大優(yōu)點(diǎn)，而且因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源工作頻率高，可以使用小尺寸、輕重量的變壓器，因此開(kāi)關(guān)電源也會(huì)比線性電源的尺寸要小，重量也會(huì)比較輕。

若電源的高效率、體積及重量是考慮重點(diǎn)時(shí)，開(kāi)關(guān)電源比線性電源要好。不過(guò)開(kāi)關(guān)電源比較復(fù)雜，內(nèi)部晶體管會(huì)頻繁切換，若切換電流尚加以處理，可能會(huì)產(chǎn)生噪聲及電磁干擾影響其他設(shè)備，而且若開(kāi)關(guān)電源沒(méi)有特別設(shè)計(jì)，其電源功率因數(shù)可能不高。

主要用途

開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制、特種設(shè)備、科研設(shè)備、LED照明、工控設(shè)備、通訊設(shè)備、電力設(shè)備、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體制冷制熱、空氣凈化器，電子冰箱，液晶顯示器，LED燈具，通訊設(shè)備，視聽(tīng)產(chǎn)品，安防監(jiān)控，LED燈帶，電腦機(jī)箱，數(shù)碼產(chǎn)品和儀器類等領(lǐng)域。

現(xiàn)代開(kāi)關(guān)電源有兩種：一種是直流開(kāi)關(guān)電源;另一種是交流開(kāi)關(guān)電源。

開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)這里主要介紹的只是直流開(kāi)關(guān)電源，其功能是將電能質(zhì)量較差的原生態(tài)電源(粗電)，如市電電源或蓄電池電源，轉(zhuǎn)換成滿足設(shè)備要求的質(zhì)量較高的直流電壓(精電)。直流開(kāi)關(guān)電源的核心是DC/DC轉(zhuǎn)換器。因此直流開(kāi)關(guān)電源的分類是依賴DC/DC轉(zhuǎn)換器分類的。也就是說(shuō)，直流開(kāi)關(guān)電源的分類與DC/DC轉(zhuǎn)換器的分類是基本相同的，DC/DC轉(zhuǎn)換器的分類基本上就是直流開(kāi)關(guān)電源的分類。

直流DC/DC轉(zhuǎn)換器按輸入與輸出之間是否有電氣隔離可以分為兩類：一類是有隔離的稱為隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器;另一類是沒(méi)有隔離的稱為非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。

隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器也可以按有源功率器件的個(gè)數(shù)來(lái)分類。單管的DC/DC轉(zhuǎn)換器有正激式(Forward)和反激式(Flyback)兩種。雙管DC/DC轉(zhuǎn)換器有雙管正激式(DoubleTransistorForwardConverter)，雙管反激式(DoubleTransistorFlybackConverter)、推挽式(Push-PullConverter)和半橋式(Half-BridgeConverter)四種。四管DC/DC轉(zhuǎn)換器就是全橋DC/DC轉(zhuǎn)換器(Full-BridgeConverter)。

非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器，按有源功率器件的個(gè)數(shù)，可以分為單管、雙管和四管三類。

開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖單管DC/DC轉(zhuǎn)換器共有六種，即降壓式(Buck)DC/DC轉(zhuǎn)換器，升壓式(Boost)DC/DC轉(zhuǎn)換器、升壓降壓式(BuckBoost)DC/DC轉(zhuǎn)換器、CukDC/DC轉(zhuǎn)換器、ZetaDC/DC轉(zhuǎn)換器和SEPICDC/DC轉(zhuǎn)換器。在這六種單管DC/DC轉(zhuǎn)換器中，Buck和Boost式DC/DC轉(zhuǎn)換器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC轉(zhuǎn)換器是從中派生出來(lái)的。雙管DC/DC轉(zhuǎn)換器有雙管串接的升壓式(Buck-Boost)DC/DC轉(zhuǎn)換器。四管DC/DC轉(zhuǎn)換器常用的是全橋DC/DC轉(zhuǎn)換器(Full-BridgeConverter)。

隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器在實(shí)現(xiàn)輸出與輸入電氣隔離時(shí)，通常采用變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于變壓器具有變壓的功能，所以有利于擴(kuò)大轉(zhuǎn)換器的輸出應(yīng)用范圍，也便于實(shí)現(xiàn)不同電壓的多路輸出，或相同電壓的多種輸出。

在功率開(kāi)關(guān)管的電壓和電流定額相同時(shí)，轉(zhuǎn)換器的輸出功率通常與所用開(kāi)關(guān)管的數(shù)量成正比。所以開(kāi)關(guān)管數(shù)越多，DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出功率越大，四管式比兩管式輸出功率大一倍，單管式輸出功率只有四管式的1/4。

非隔離式轉(zhuǎn)換器與隔離式轉(zhuǎn)換器的組合，可以得到單個(gè)轉(zhuǎn)換器所不具備的一些特性。

按能量的傳輸來(lái)分，DC/DC轉(zhuǎn)換器有單向傳輸和雙向傳輸兩種。具有雙向傳輸功能的DC/DC轉(zhuǎn)換器，既可以從電源側(cè)向負(fù)載側(cè)傳輸功率，也可以從負(fù)載側(cè)向電源側(cè)傳輸功率。

DC/DC轉(zhuǎn)換器也可以分為自激式和他控式。借助轉(zhuǎn)換器本身的正反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管自持周期性開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換器，叫做自激式轉(zhuǎn)換器，如洛耶爾(Royer)轉(zhuǎn)換器就是一種典型的推挽自激式轉(zhuǎn)換器。他控式DC/DC轉(zhuǎn)換器中的開(kāi)關(guān)器件控制信號(hào)，是由外部專門的控制電路產(chǎn)生的。

按照開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)條件，DC/DC轉(zhuǎn)換器又可以分為硬開(kāi)關(guān)(HardSwitching)

開(kāi)關(guān)電源和軟開(kāi)關(guān)(SoftSwitching)兩種。硬開(kāi)關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)器件是在承受電壓或流過(guò)電流的情況下，開(kāi)通或關(guān)斷電路的，因此在開(kāi)通或關(guān)斷過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生較大的交疊損耗，即所謂的開(kāi)關(guān)損耗(Switchingloss)。當(dāng)轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)一定時(shí)開(kāi)關(guān)損耗也是一定的，而且開(kāi)關(guān)頻率越高，開(kāi)關(guān)損耗越大，同時(shí)在開(kāi)關(guān)過(guò)程中還會(huì)激起電路分布電感和寄生電容的振蕩，帶來(lái)附加損耗，因此，硬開(kāi)關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率不能太高。

軟開(kāi)關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)管，在開(kāi)通或關(guān)斷過(guò)程中，或是加于其上的電壓為零，即零電壓開(kāi)關(guān)(Zero-Voltage-Switching，ZVS)，或是通過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流為零，即零電流開(kāi)關(guān)(Zero-Current·Switching，ZCS)。這種軟開(kāi)關(guān)方式可以顯著地減小開(kāi)關(guān)損耗，以及開(kāi)關(guān)過(guò)程中激起的振蕩，使開(kāi)關(guān)頻率可以大幅度提高，為轉(zhuǎn)換器的小型化和模塊化創(chuàng)造了條件。功率場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)是應(yīng)用較多的開(kāi)關(guān)器件，它有較高的開(kāi)關(guān)速度，但同時(shí)也有較大的寄生電容。

它關(guān)斷時(shí)，在外電壓的作用下，其寄生電容充滿電，如果在其開(kāi)通前不將這一部分電荷放掉，則將消耗于器件內(nèi)部，這就是容性開(kāi)通損耗。為了減小或消除這種損耗，功率場(chǎng)效應(yīng)管宜采用零電壓開(kāi)通方式(ZVS)。絕緣柵雙極性晶體管(InsulatedGateBipolartansistor，IGBT)是一種復(fù)合開(kāi)關(guān)器件，關(guān)斷時(shí)的電流拖尾會(huì)導(dǎo)致較大的關(guān)斷損耗，如果在關(guān)斷前使流過(guò)它的電流降到零，則可以顯著地降低開(kāi)關(guān)損耗，因此IGBT宜采用零電流(ZCS)關(guān)斷方式。

IGBT在零電壓條件下關(guān)斷，同樣也能減小關(guān)斷損耗，但是MOSFET在零電流條件下開(kāi)通時(shí)，并不能減小容性開(kāi)通損耗。諧振轉(zhuǎn)換器(ResonantConverter，RC)、準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器(Qunsi-TesonantConverter，QRC)、多諧振轉(zhuǎn)換器(Multi-ResonantConverter，MRC)、零電壓開(kāi)關(guān)PWM轉(zhuǎn)換器(ZVSPWMConverter)、零電流開(kāi)關(guān)PWM轉(zhuǎn)換器(ZCSPWMConverter)、零電壓轉(zhuǎn)換(Zero-Voltage-Transition，ZVT)PWM轉(zhuǎn)換器和零電流轉(zhuǎn)換(Zero-Voltage-Transition，ZVT)PWM轉(zhuǎn)換器等，均屬于軟開(kāi)關(guān)直流轉(zhuǎn)換器。電力電子開(kāi)關(guān)器件和零開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器技術(shù)的發(fā)展，促使了高頻開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展。

基本組成

開(kāi)關(guān)電源大致由主電路、

開(kāi)關(guān)電源控制電路、檢測(cè)電路、輔助電源四大部份組成。

1、主電路

沖擊電流限幅：限制接通電源瞬間輸入側(cè)的沖擊電流。

輸入濾波器：其作用是過(guò)濾電網(wǎng)存在的雜波及阻礙本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋回電網(wǎng)。

整流與濾波：將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電。

逆變：將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開(kāi)關(guān)電源的核心部分。

輸出整流與濾波：根據(jù)負(fù)載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。

2、控制電路

一方面從輸出端取樣，與設(shè)定值進(jìn)行比較，然后去控制逆變器，改變其脈寬或脈頻，使輸出穩(wěn)定，另一方面，根據(jù)測(cè)試電路提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)保護(hù)電路鑒別，提供控制電路對(duì)電源進(jìn)行各種保護(hù)措施。

3、檢測(cè)電路

提供保護(hù)電路中正在運(yùn)行中各種參數(shù)和各種儀表數(shù)據(jù)。

單端正激式開(kāi)關(guān)電源的典型電路如圖四所示。這種電路在形式上與單端反激式電路相似，但工作情形不同。當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí)，VD2也

導(dǎo)通，這時(shí)電網(wǎng)向負(fù)載傳送能量，濾波電感L儲(chǔ)存能量;當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1截止時(shí)，電感L通過(guò)續(xù)流二極管VD3繼續(xù)向負(fù)載釋放能量。

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在電路中還設(shè)有鉗位線圈與二極管VD2，它可以將開(kāi)關(guān)管VT1的最高電壓限制在兩倍電源電壓之間。為滿足磁芯復(fù)位條件，即磁通建立和

復(fù)位時(shí)間應(yīng)相等，所以電路中脈沖的占空比不能大于50%。由于這種電路在開(kāi)關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)變壓器向負(fù)載傳送能量，所以輸出功率范圍大，可輸出50-200W的功率。電路使用的變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積也較大，正因?yàn)檫@個(gè)原因，這種電路的實(shí)際應(yīng)用較少。

推挽式開(kāi)關(guān)電源的典型電路如圖六所示。它屬于雙端式變換電路，高頻變壓器的磁芯工作在磁滯回線的兩側(cè)。電路使用兩個(gè)開(kāi)關(guān)管VT1和VT2，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管在外激勵(lì)方波信號(hào)的控制下交替的導(dǎo)通與截止，在變壓器T次級(jí)統(tǒng)組得到方波電壓，經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?br/>
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這種電路的優(yōu)點(diǎn)是兩個(gè)開(kāi)關(guān)管容易驅(qū)動(dòng)，主要缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)管的耐壓要達(dá)到兩倍電路峰值電壓。電路的輸出功率較大，一般在100-500W范圍內(nèi)。

電路以UC3842振蕩芯片為核心，構(gòu)成逆變、整流電路。UC3842一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調(diào)制器芯片，相關(guān)引腳功能及內(nèi)部電路原理已有介紹，此處從略。AC220V電源經(jīng)共模濾波器L1引入，能較好抑制從電網(wǎng)進(jìn)入的和從電源本身向輻射的高頻干擾，交流電壓經(jīng)橋式整流電路、電容C4濾波成為約280V的不穩(wěn)定直流電壓，作為由振蕩芯片U1、開(kāi)關(guān)管Q1、開(kāi)關(guān)變壓器T1及其它元件組成的逆變電路。逆變電路，可以分為四個(gè)電路部分講解其電路工作原理。

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圖1CL-A-35-24儀用DC24V開(kāi)關(guān)電源

1、振蕩回路：開(kāi)關(guān)變壓器的主繞組N1、Q1的漏--源極、R2(工作電流檢測(cè)電阻)為電源工作電流的通路;本機(jī)啟動(dòng)電路與其它開(kāi)關(guān)電源(啟動(dòng)電路由降壓限流電阻組成)有所不同，啟動(dòng)電路由C5、D3、D4組成，提供一個(gè)“瞬態(tài)”的啟動(dòng)電流，二極管D2吸收反向電壓，D3具有整流作用，保障加到U1的7腳的啟動(dòng)電流為正電流;電路起振后，由N2自供電繞組、D2、C5整流濾波電路，提供U1芯片的供電電壓。這三個(gè)環(huán)節(jié)的正常運(yùn)行，是電源能夠振蕩起來(lái)的先決條件。

當(dāng)然，U1的4腳外接定時(shí)元件R48、C8和U1芯片本身，也構(gòu)成了振蕩回路的一部分。

電容式啟動(dòng)電路，當(dāng)過(guò)載或短路故障發(fā)生時(shí)，電路能處于穩(wěn)定的停振保護(hù)狀態(tài)，不像電阻啟動(dòng)電路，會(huì)再現(xiàn)“打嗝”式間歇振蕩現(xiàn)象。工作電流檢測(cè)從電阻R2上取得，當(dāng)故障狀態(tài)引起工作過(guò)流異常增大時(shí)，U1的6腳輸出PWM脈沖占空比減小，N1自供電繞組的感應(yīng)電路也隨之降低，當(dāng)U1的7腳供電電壓低于10V時(shí)，電路停振，負(fù)載電壓為0，這是過(guò)流(過(guò)載或短路)引發(fā)U1內(nèi)部欠電壓保護(hù)電路動(dòng)作導(dǎo)致的輸出中止;工作電流異常增大時(shí)，R2上的電壓降大于1V時(shí)，內(nèi)部鎖存器動(dòng)作，電路停振，這是由過(guò)流引發(fā)U1內(nèi)部過(guò)流保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致輸出中止。

2、穩(wěn)壓回路：開(kāi)關(guān)變壓器的N3繞組、D6、C13、C14等元件組成的24V電源，基準(zhǔn)電壓源TL1、光耦合器U2等元件構(gòu)成了穩(wěn)壓控制回路。U1芯片和1、2腳外圍元件R7、C12，也是穩(wěn)壓回路的一部分。實(shí)際上，TL1、U1組成了(相對(duì)于U1內(nèi)部電壓誤差放大器)外部誤差放大器，將輸出24V的電壓變化反饋回U1的反饋電壓信號(hào)輸入端。當(dāng)24V輸出電壓上升時(shí)，U1的2腳電壓上升，1腳電壓下降，輸出PWM脈沖占空比下降，輸出電路回落。當(dāng)輸出電壓異常上升時(shí)，U1的1腳下降為1V時(shí)，內(nèi)部保護(hù)電路動(dòng)作，電路停振。

3、保護(hù)回路：U1芯片本身和3腳外圍電路構(gòu)成過(guò)流保護(hù)回路;N1繞組上并聯(lián)的D1、R1、C9元件構(gòu)成了開(kāi)關(guān)管的反向電壓吸收保護(hù)電路，以提供Q1截止時(shí)的反向電流通路，保障Q1的工作安全;實(shí)質(zhì)上穩(wěn)壓回路的電壓反饋信號(hào)，也可看作是一路電壓保護(hù)信號(hào)——當(dāng)反饋電壓幅度達(dá)一定值時(shí)，電路實(shí)施停振保護(hù)動(dòng)作;24V的輸出端并聯(lián)有由R18、ZD2、單向晶閘管SCR組成的過(guò)壓保護(hù)電路，當(dāng)穩(wěn)壓電路失常，引起輸出電壓異常上升時(shí)，穩(wěn)壓二極管ZD2的擊穿為SCR提供觸發(fā)電流，SCR的導(dǎo)通形成一個(gè)“短路電流”信號(hào)，強(qiáng)制U1內(nèi)部保護(hù)電路產(chǎn)生過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，電路處于停振狀態(tài)。