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平板电视维修的必备知识——开关电源 上集 基础原理篇（一）
第一章、 开关电源概述
现代的电器设备，特别是家用电器的影视设备，在电源的供电部分均采用了稳压电源供电，以保证输入电压发生变化或者负载变化时；电路能稳定工作。这种稳压电源是一种能自动调整输出电压的供电电路或供电设备，其作用是将波动较大和不合电器设备要求的电源电压稳定在它的设定值范围内，使各种电路或电器设备能在额定 工作电压下稳定正常工作。
一、降压型稳压电源
早期的稳压电源是降压型的稳压电源；它是一个闭环控制电路；由输出取样电路、比较电路、基准电压、控制电路组成。图1-1所示是一个降压型稳压电源的框图；当输入电压或负载变化引起输出电压不稳定时；这个不稳定的变化的电压经过取样电路（R1、R2组成）送入比较电路；在比较电路内和基准电压进行比较；比较结果的误差控制信号送入控制电路；控制电路是一个串联在负载供电回路中的降压元件（等效是一个降压电阻）。误差控制信号控制这个降压元件阻值的大小；压降的的相应变化抵消了输出电压的变化；从而达到使输出电压稳定的目的。

图1-1
图1-2所示是一个降压型稳压电源的实际电路图；
取样电路；R1、R2组成，它接成串联分压电路；接在稳压电源的输出端；分压串联的中点电压Ub即为取样电压；改变电阻R1、R2的比值即可改变取样电压的大小，此取样电压送入比较电路。
基准电压；DZ、R3组成；DZ是一个稳压二极管，稳压二极管DZ的负端经过电阻R3接于输出电压，稳压二极管是反相接于输出电压，此时稳压二极管处于反相击穿状态，R3是提供击穿电流的限流电阻；稳压二极管反相击穿电压是一个恒定电压值；该稳压二极管的两端电压就是基准电压Ue；这个基准电压也送往比较电路。

图1-2
比较电路；比较电路的作用就是把取样电压和基准电压进行比较；比较的结果去控制控制电路调整电压的高低。比较电路就是一只普通的NPN三极管Q；三极管的基极b和发射极e是两个比较信号（取样信号和基准电压）的输入端；三极管的集电极c是比较结果的输出端，输出的误差信号去控制串联在输出电路中的降压控制元件T的内阻，使其和稳压器输出电压的波动相应变化。在正常工作中；三极管Q的发射极接基准电压；三极管的发射极e即被钳位在基准电压的电压值；三极管的基极b接取样电路送来的取样电压，当取样电压上升时；则三极管Q的基极b电位上升，引起三极管集电极电流Ic的上升，集电极电流Ic的上升导致了集电极电压Uc的下降。同样当取样电压下降时；则三极管Q的基极b电位也下降，引起三极管Q集电极电流Ic的下降，集电极电流Ic的下降导致了集电极电压Uc的上升。可以看出比较电路的误差输出电压的变化和取样电压的变化是相反的（也就是比较电路的误差输出电压的变化和稳压器输出电压的变化是相反的）。
控制电路：是一个功率三极管T（根据稳压电源的功率的大小选定三极管的功率），串联在供电电路中；集电极接电源供电；发射极接稳压输出端；是一个控制输出电压大小的电压调整管；控制其内阻即可以改变稳压器输出电压的大小，其基极接比较电路的误差信号输出。基极误差信号的电压上升，三极管的内阻下降，发射极输出电压提高。基极误差信号的电压下降，三极管的内阻上升，发射极输出电压下降。
稳压过程：如1-2所示；比较器Q的基极b输入的是取样电压Ub；比较器Q的发射极e输入的是基准电压Ue。当由于某些原因引起输出电压Eo上升；取样电压Ub也随之上升；由于三极管Q的发射极连接的是基准电压Ue；所以Ub的上升引起了三极管集电极电流Ic的上升，R4是三极管Q的集电极负载电阻，三极管Q的集电极电流Ic上升导致了其集电极电压Uc的下降；这个Uc电压就是串联在稳压器供电回路中的电压调整管T内阻的控制电压，Uc下降导致调整管内阻增加；致使输出电压Eo下降。其过程是：Eo↑→Ub↑→Uc↓→Eo↓。当由于某些原因引起输出电压下降则：Eo↓→Ub↓→Uc↑→Eo↑。
以上介绍的是一个降压型的稳压器的工作原理；其主要的控制输出电压高低的元件是电压调整管T，它是一个普通的三极管；工作在一个线性（“可变电阻”）状态。优点是输出稳定、反应灵敏，是早期电子电路采用的主要稳压电路。缺点是1、效率低、损耗大；在输入电压幅度上升时；为了维持输出电压的稳定；这多余的电压就是调整管的电压降，会转换为热量消耗掉。2、稳压范围窄；当输入电压变化幅度较小是；输出电压可以维持一个稳定的电压值，当输入电压变化幅度较大时；输出电压即发生不稳定；会随输入电压的变化而变化。3、只有降压作用；不能输出高于输入电压的稳压输出。
二、开关型稳压电源
把图1-1所示的稳压电源的的控制元件换成为一个开关K，就组成了一个基本的开关稳压电源，利用开关“接通”、“断开”的时间比维持输出端电压的稳定。比较电路输出的误差控制电压就是控制开关“断开”和“接通”的时间比；这样就组成了一个开关型的稳压电源；图1-3所示；
工作原理；开关接通；电源经过开关流通对电容器C进行充电，当电容器C上的电压上升达到额定的稳压值；开关断开；当电容器C上电压低于额定的值；开关又接通对电容器C进行充电。当电容器C上电压达到额定值时开关又断开。这样“开关”即在不断的做“开关”的动作向负载提供能量；所以此种稳压电源就称为：“开关稳压电源”；或“开关电源”。
一般的开关电源其控制元件的“开关”K是工作在一个固定的频率（频率约20K~100K），输出电压的高低和稳压的控制；是依靠控制开关工作时的“接通”和“断开”的时间比达到控制输出电压的的高低及输出电压的稳定。这个“接通”和“断开”的时间比，称之为；“占空比”，比较电路的误差输出就是控制这个“占空比”的控制电压。
（占空比(Duty Cycle)在电信领域中有如下含义：在一串理想的脉冲序列中（如方波），正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。 例如：脉冲宽度 1μs，信号周期4μs的脉冲序列占空比为0.25。占空比是高电平所占周期时间与整个周期时间的比值。）

图1-3
图1-3所示的开关稳压电源；在开关断开时由电容器存储的能量对负载供电，电容对负载供电形成电流的同时输出端的电压会立即下降；并且电容提供电流的能力也及其有限。特别是在负载电流动态变化时，输出电压会及其不稳定。
图1-4所示的开关稳压电源即是克服了上述缺点的具有电感储能的开关稳压器电路。在开关控制元件和稳压输出端增加了一个储能电感线圈L和一个维持电感电流的续流二极管D。在开关K“接通”时由输入电压对负载供电；在开关K“断开”时由电感线圈L存储的能量继续对负载供电。

图1-4
在开关“接通”时，电流经过电感线圈L对负载供电；同时电流流过电感线圈L时由于电磁感应效应，线圈内部产生和外来电流反方向的自感电势（楞次定律），对抗着外来电势引起线圈内部电流的上升，虽然输入电压产生的电流被自感电势阻碍、对抗；但是仍然是输入电压产生的电流强于自感电势的对抗；电流从左向右逐步上升流过电感并向负载供电；图1-5所示。这个线圈内部被自感电势对抗而缓慢上升的电流；是线性逐步上升的方式进行的；其电流上升的能量以磁能的形式存储在电感线圈的内部（产生了磁场）。
虽然开关是瞬间的“接通”，但是电感线圈内部的电流是从零逐步的上升（电感线圈内部电流不能突变——电工原理），那么开关“接通”后；流过电感线圈电流的大小取决于开关“接通”时间的长短；
开关“接通”的时间短；电流上升的幅度就小；图1-6所示，存储此磁能就小。开关“接通”的时间长；电流上升的幅度就大；图1-7所示，存储的磁能就大。

图1-5

图1-6

图1-7
这个电感线圈内部存储的磁能完全是靠输入电压产生的电流来维持的（好像我们应用的电磁铁，有电流流过就有磁场就有吸力。无电流流过就没有磁场没有吸力），当开关断开时；流过电感线圈L的电流就无法维持了；线圈L内部存储的磁能也就无法维持了，这时线圈内部存储的磁能即转变为电能（能量守恒定律），其方向为左负右正（楞次定律）；继续维持着原来开关接通产生电流的方向流通；并且向负载供电；此时由于开关已经“断开”此磁能转换的电流无法形成流通的回路，这时；我们增加的一只二极管D派上了用场，二极管D的正端接地、负端接电感线圈的左端；正好符合线圈内部磁能转化为电能时；电流流通的方向；图1-8所示；（所以这一只二极管D 也称之为：续流二极管；即控制开关k断开后；由二极管D继续维持负载RL的电流）。可以看出：控制开关K和续流二极管是轮流导通工作的。

图1-8
这样不管是开关“接通”，还是开关“断开”负载RL都能源源不断的获得能量的提供（负载RL上的能量提供是由开关K和二极管D轮流导通完成）。
在开关切换、电感线圈内部磁能和电能转换产生的电压波动；由电容器C进行吸收（这就是滤波）。
开关电源的稳压控制：上面已经详细的介绍了开关电源的工作原理；可以清晰的看到；负载两端的电压大小；完全取决于所提供的能量的大小；而开关接通时间的长短也决定了向电感线圈提供能量的大小，所以只要相应的控制开关在一个开关周期内的“接通”和“断开”的占空比；就有效的控制负载两端电压的稳定。这就是开关电源稳压的基本原理。
上面可以看出占空比的控制就是控制在一个开关周期内，开关导通的时间宽度；所以又称为PWM（Pulse Width Modulation）控制方式（脉冲宽度调制）    。
续： 开关电源的种类 及稳压原理