开关模式电源如何工作
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尽管您在项目中指定和使用电源，但它们可能是一个内部未知的“黑匣子”。虽然您无需成为电源设计专家，但了解电源内部的基本模块是有好处的。在本文中，我们将介绍电源拓扑并讨论每个内部功能块，以提供对电源内部主要电路的基本了解。 电源内部 图 1 中的框图代表了许多交流-直流或直流-直流电源。框图中交流-直流与直流-直流输入电源之间的区别在于二极管桥式整流器。交流-直流电源需要整流器电路（二极管 D1、D2、D3、D4），而直流-直流电源则不需要，否则电源拓扑可能相同。
图 1：ac-dc 开关电源的简化框图 EMI/EMC 滤波器 EMI/EMC 滤波器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和传导噪声降至最低最小化从输入电压源施加的电压瞬变的影响将电压首次施加到电源输入时的输入浪涌电流降至最低如果电源出现故障，保护输入电源和导体当 EMI/EMC 组件位于电源内部时，电源开发团队已根据电阻负载的最大额定输出电流选择组件。您的应用程序可能不会在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，您的系统也可能需要额外的外部组件来满足EMI/EMC 监管要求。
图 2：EMI/EMC 输入滤波器 二极管桥式整流器 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。整流器电路不存在于仅为直流输入电压设计的电源中，因为直流电压已经存在。然而，许多为交流输入电压设计的电源也具有由直流输入电压供电的特点。如果在电源输入端使用二极管电桥施加直流电压，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 输入大容量电容器过滤来自交流-直流电源中整流二极管的直流电压，并在直流-直流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在大容量电容器充电时导致大的输入浪涌电流到输入电压。该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。通常一个浪涌电流限制器，它可能是一个简单的小阻值电阻，与输入电压端串联，以限制浪涌电流。 在 DC-DC电源上，输入大容量电容器有助于补偿输入导体的阻抗并稳定电源的动态输入阻抗。此网页提供了有关电源输入阻抗以及它如何导致电源振荡的更多详细信息。
图 4：输入大容量电容器 输入电源开关 电子开关（绘制为 MOSFET）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体（变压器或耦合电感器）。输入控制信号的占空比以及电源开关的输出信号取决于电源拓扑、输入电压、输出电压和输出负载电流。在交流-直流电源中，将交流输入电压转换为直流然后再转换回交流的原因是因为内部交流频率要高得多（几十千赫到几十兆赫），因此可以使用更小的隔离磁性元件和输出滤波器元件。选择。此外，内部交流波形可以作为电源转换拓扑的一部分进行调制。
图 5：输入电源开关 隔离磁 用于隔离磁体的常用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。在隔离磁体的物理结构中，初级和次级绕组之间会有寄生电容。这种寄生电容可能是需要解决的 EMI/EMC 问题的根源，将在单独的网络文章中进行讨论。图 6 中的图表表示与绕组相关的寄生电容。应该注意的是，实际上电容不是图中所示的集总元件，而是分布在绕组之间和绕组之间。
图 6：具有代表寄生电容的集总电容器的隔离磁体 输出整流器 隔离磁体的输出电压为交流波形，需要进行整流以产生直流输出电压。无源电路（二极管）或有源电路（FET）均可用于执行整流。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构造简单，但功耗将比实施有源 FET 整流器电路时更大。
图 7：输出整流器 输出滤波器 输出整流器将产生一个直流电压，并在其上叠加一个交流电压。如果没有输出滤波，交流噪声的峰峰值幅度将等于直流电压，并且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。可以通过添加串联电感来增强输出滤波，以创建“L”滤波器或“Pi”滤波器。有时会使用输出滤波器来抑制 EMI/EMC 辐射。当组件靠近电源负载放置时，输出滤波器最有效。将滤波器组件靠近负载放置可以最大限度地减少由负载电流变化引起的导体上的电压降。
图 8：输出滤波电容 电压、电流和温度控制 调节输出电压、输出电流和电源最高温度的电路也包含在交流-直流和直流-直流电源中。这些控制电路具有复杂的特性集，并在单独的网络文章中进行了讨论。 结论 本讨论从高层次上涵盖了交流-直流和DC-DC电源中的内部功能。在其他文章中，我们讨论了调节电源输出的功能、用于保护电源和负载免受损坏操作的方法、满足 EMI 和 EMC 监管要求所需的组件以及修改电源规范的影响。 |
