高频开关电源工作原理

培训内容1 、开关电源的概念2 、开关电源的主要指标3 、开关电源的概念和开关电源的分类4 、开关电源的工作原理5 、通信设备对开关电源的要求

一、开关电源的概念1 、开关电源的概念 开关电源是一个能量转换器，作为电源的功率器件工作在开关状态

（开关管、电感、高频变压器、电容、整流二极管）－开或关状态，其

特点是频率高、功耗低、工作效率高、体积小、输入范围宽 (Switching

Regulator -- A switching circuit that operates in a closed loop

system to regulate the power supply output) 通过闭环系统调节，使

输出电压保持稳定。

一、开关电源的概念2 、开关电源和线性电源、相控电源的比较 ① 线性电源：线性电源的主要特点就是功率器件工作在放大状态，具

有

稳定度高、可靠性好、成本低等优点，但是效率低、笨重和体积大的缺

点。只能做中、小功率的电源。

② 相控电源：是通过控制可控硅的导通角来达到稳压作用，功率因数比

较低、效率低、笨重、体积大。

一、开关电源的概念3 、开关电源（ swiching－mode power supply ） 开关电源因为体积小、效率高已经充斥了我们的日常生活，从移动电话的充电器，到我们的彩电、音像供电电源；从路边的霓虹灯，到车站的电子显示牌，这些都用到了开关电源；从我们的台式计算机，到便携笔记本电脑等等，这些都离不开开关电源。 当然开关电源的输入并不限于是交流（ AC/DC 电源），还可以是直流（DC/DC 电源和 DC/AC 电源）。开关电源交流输入电压范围比较宽，可以从几十伏到上千伏。就目前而言，开关电源的控制方式有两种：脉宽调制和频率调制（ Pulse Frequency Modulation － PFM ）。脉宽调制（ Pulse Width Modulation－ PWM ）方式比较常见，我们中兴通讯电源均采用的是这种方式。

一、开关电源的概念4 、开关电源的主要指标① 无故障运行间隔时间 这是开关电源最重要的指标，衡量了开关电源的工作可靠性。一般说的是开关电源平均无故障运行间隔时间越长约好。② 工作效率 输出功率与输入功率的比值就是开关电源的工作效率，衡量开关电源在变换过程中所产生的损耗，对于目前我们的开关电源工作效率在 85%以上。③ 电压调整率 指在负载保持不变的情况下，输出电压变化与单位输出电源和输入电压变化量的百分比。 Sv ＝（△ V0÷V0 △Vi ）％。该参数表示了电源的稳压特性。

一、开关电源的概念4 、开关电源的主要指标④ 负载调整率

指的是输出负载变化时，引起的输出电压的变化。

SL ＝（△ V0÷V0 ）％。

⑤ 输出纹波（峰－峰值）

这个指标衡量了开关电源的电磁兼容性，纹波越小越好。一般小于输

出电压的百分之三毫伏，例如对于 53.5V 电压来说，输出纹波就位 150

毫

伏。

一、开关电源的概念５、开关电源的一些名词概念① 有功功率（ Acitive power):电能转换成其他能量所消耗的功率，单位为瓦（W），用 P表示。② 无功功率 (Unactive power): 没有消耗功率，只是能量在电感和电容之间转换的功率部分，单位为 VA，用 Q表示。③视在功率 (Aparent power):指的是交流输入功耗，也叫表观功率，其单位是 VA，用 S 表示。 S2=P2+Q2

④ 功率因数 (Power factor):有功功率与视在功率的比值，它表示交流电转化成其他能量的能力。功率因数＝ P/S 。功率因数校正后为 0.9999。

二、开关电源的电路组成 不管什么样的开关电源必须包括以下几个部分：

1、输入电路 D 级防雷电路、交流输入的 EMI 电路、输入整流器滤波电路、输入缓启

动电路、 APFC 电路。

D 级防雷是吸收雷电残压，保护开关电源不受损坏，一般是由压敏电

阻和放电管组合使用；交流输入的 EMI 电路一般是用来抑制共模噪声干扰

的，是由共模电感、 X 、 Y 电容组成，将噪声吸收到大地（机壳）；输入

缓启动电路如下图所示 , 由于电容电压不能突变，所以在刚接通电源的瞬

间，电容的充电电流比较大，需要采取措施进行限制，否则电源设备无

法供电。

二、开关电源的电路组成1 、输入电路（续） APFC 电路，是有源功率因数校正电路。它是一个升压电路，电路结构

采用的是 BOOT 电路，输出电压一般规定在 410VDC左右。由于开关电源所

采用的器件全部工作在非线性状态，电路上有电感和电容，所以会造成

交流输入电压和电流的相位存在相位差，导致交流电不能全部做功，一

部分在电感和电容中转换。另外交流电压和电流波形出现畸变，造成谐

波分量增加，干扰增加。功率因数校正电路就是将电压和电流相位强制

到一致，同时对波形给予修正。

二、开关电源的电路组成 开关电源 APFC 电路

DC310v

DC410V

二、开关电源的电路组成 输入缓启动电路原理图

直流输入410VDC

二、开关电源的电路组成2、功率变换电路 将 PFC 输出的 410VDC 高压进行变换，变成高频高压脉冲电压，然后驱

动高频变压器，变压器将高压脉冲电压变成低压脉冲电压。该部分的主

要器件是开关功率器件和高频变压器。

3、输出电路 输出电路主要是全波整流电路和滤波电路、输出 EMI 电路。全波整流

器电路所用的整流二极管不是普通的，一般用采用快恢复二极管或肖特

基；滤波电容用的是高频低阻电容。

二、开关电源的电路组成4、控制电路 控制电路是开关电源电路的核心之一。 PWM 控制芯片决定开关电源

的

工作模式，该芯片产生两路相位相反的驱动信号来驱动功率开关器件工

作，通过脉冲宽度来控制开关管的导通时间，从而调节能量传递的大

小。开关电源的控制电路是一个闭环控制系统，所以能及时保证输出电

压稳定不变，闭环有两个环来调节，内环是电流环调节，确保开关电源

的动态响应时间，速度比较快。外环是电压调节环，确保电压的稳定，

速度相对较慢。输出过压保护、均流电路、过热保护、限流保护、短路

保护以及交流输入过欠压保护是开关电源的辅助电路。

二、开关电源的电路组成

Ui滤波 整流及滤波 功率开关器件 高频变压器 整流 滤波

控制电路

输入回路 功率变换器

Uo

AC/DC DC/DC

包含：EMI、缓启动和APFC电路 电路包含：输出整流、滤波和输出EMI电路变换电路有：反激、正激、推挽、半桥、全桥

输出电路

PWM控制电路、均流电路、保护电路、辅助电源电路

三、开关电源的常用电路类型 我们一般按照 DC/DC 变换的方式来划分开关电源的电路类型，包括单端正激电路、单端反激电路、推挽电路、半桥电路和全桥电路。下面我们对每个电路的情况给予简单的描述。1 、单端反激电路 反激式开关电源的核心部分是反激式直流——直流变换器，基本电路如下图所示：单端反激电路一般用在小功率电源和开关电源的辅助电源上。其占空比可达 100 ％，控制芯片一般用的是 UC3842和 UC3843 。

三、开关电源的常用电路类型 反激式电路原理图

+

-

Ui n

i 1

R1

R2

C2 V2V4 R3

T1W1̀

W1 W2

V3

V1

C RL+

-U0

i L

+

0

a

b

Ib

V1导通

V1开启

V1关断

V1截止c

Uce

I2

（a） （b）

三、开关电源的常用电路类型3 、单端正激电路 正激式开关电源的核心部分是正激式直流——直流变换器，基本电路

如下图所示。正激电路变压器的利用率比较高，工作时的占空比小于 50

％，工作频率是振荡频率的一半，所使用的控制芯片一般是 UC3844 和

UC3845 。可以做中型功率的开关电源，使用双管正激电路，其功率可以

做得更高一点。虽然功率变压器不像反激式电路要开气隙，但是一般要

在变压器中加去磁绕组，在关断时将付边的能量反射到交流输入上。

三、开关电源的常用电路类型 正激电路原理图（单管正激）

三、开关电源的常用电路类型 正激电路原理图（双管正激）

三、开关电源的常用电路类型4 、推挽电路 推挽式功率变换电路原理图，如图下图所示。推挽电路要求输入电压

低，两个开关管的耐压要求是输入电压的 2 倍，所以一般用在 DC/DC 电源

中。推挽电路一般用在中型功率电路上，变压器双向激励，变压器效率

高 ,但是变压器容易出现磁偏现象。它的功率比正激电路稍微大一点，但

是存在开关管“直通”的危险。

工作时两个功率开关管 V1、 V2 交替导通或截止。当 V1和 V2 分别导通

时， W1和W2 有相应的电流流过，这时变换器次级将有功率输出。当 V1

导通， V2截止时， V2集—射两端承受的电压为 2 倍的 Uin ，而在V1、 V2

都处于截止时它们所承受的电压为输入直流电压 Uin 。

三、开关电源的常用电路类型 推挽电路原理图

++

Uin

-

LV1

V2

W1

W2

Uce

2Uin

Uin

t

t

I c

0

0

Ton Toff

T

三、开关电源的常用电路类型5 、半桥电路 半桥电路有两个功率开关管，通过两个串连的电容器来构成工作回

路，这两个功率管交替导通驱动高频变压器进行能量传递，变压器是双

向激励的。半桥电路同样存在变压器磁偏现象，会出现“直通”问题。

同样的变压器的情况，半桥的输出功率大于推挽电路。如下图所示： C1

和 C2 的作用主要是实现静态时分压，使 Ua=1/2Uin 。当 V1 导通， V2截止

时，输入电流方向为图中虚线方向，向 C2 充电；当 V1截止， V2 导通时，

输入电流方向为图中实线方向，向 C1 充电。当 V1 导通， V2截止时， V2 两

端承受的电压为输入直流电压 Uin 。

三、开关电源的常用电路类型 半桥型开关电源原理图

+

-

L

V1

V2

Uce

Uin

Uin/2

t

t

I c

0

0

Ton Toff

T+

-

C1

C2

V3

V4

Uin Ua

三、开关电源的常用电路类型6 、全桥电路 全桥电路是大功率电源常用的电路，有四个开关管组成两个桥臂。两个桥臂分别导通激励高频功率变压器，进行能量变换，但是存在开关管“直通”的危险。 全桥电路原理图如下图所示。由四个功率开关器件 V1~V4组成，变压器T连接在四桥臂中间，相对的两只功率开关器件 V1、 V4和 V2、 V3 分别交替导通或截止，使变压器 T的次级有功率输出。当功率开关器件 V1、 V4 导通时，另一对 V2、 V3则截止，这时 V2和 V3 两端承受的电压为输入电压 Uin 在功率开关器件关断过程中产生的尖峰电压被二极管 V5~V8箝位于输入电压Uin 。

三、开关电源的常用电路类型 全桥型电路原理图

+

-

L

V1

V2

Uce

Uin

Uin/2

t

t

I c

0

0

Ton Toff

T

T

+

-

V3

V4

V7

V8

V5

V6

三、开关电源的常用电路类型7 、几种类型电路比较变换电路方式 主开关管耐压 主开关管电流峰值 输出电压 Uo 适合容量

单端反激式 2Uin

onin

o

T

T

U

P 2

off

onin T

T

N

NU

1

2

几W~几百W

单端正激式 2Uin

onin

o

T

T

U

P

T

T

N

NU onin

1

2

几百W~几千W

变形双管串联正

激式

Uin

T

T

N

NU onin

1

2

几百W~几千W

推挽式 2Uin

on

off

in

o

T

T

U

P1

T

T

N

NU onin

1

2

几百W~几千W

半桥式 Uin

on

off

in

o

T

T

U

P12

T

T

N

NU onin

1

2

2

1

几百W~几千W

串联型半桥式

2

1Uin

T

T

N

NU onin

1

2

2

1

几百W~几千W

全桥式 Uin

on

off

in

o

T

T

U

P1

T

T

N

NU onin

1

2

几百W~几千W

四、通信用开关电源的基本要求1 、开关电源的均流 一套开关电源系统至少需要两个开关电源模块并联工作，大的系统

甚至多达数十个电源模块并联工作，这就要求并联工作的电源模块能够

共同平均分担负载电流，即均分负载电流。均分负载电流的作用是使系

统中的每个模块有效地输出功率，使系统中各模块处于最佳工作状态，

以保证电源系统的稳定、可靠、高效地工作。负载均分性能一般以不平

衡度指标来衡量，不平衡度越小，其均分性能越好，即各模块实际输出

电流值距系统要求值的偏离点和离散性越小。国家有关标准和信息产业

部入网要求其均分负载不平衡度≤±5% 输出额定电流值。

四、开关电源的分类 一般是按照开关电源的输入和输出进行分类 Ac－ dc ：把交流输入变换成直流输出，一次电源。 Dc－ dc ：把直流输入变换成直流输出，二次电源。 Dc－ Ac ：把直流输入变换成交流输出，逆变器电源。 Ac－ Ac ：把交流输入变换成交流输出， UPS 电源。

四、通信用开关电源的基本要求2 、均流在组合开关电源柜中的体现 对于组合电源来说，一般要配置 2 台以上的整流器，如果均流效果好，那么每个整流器的输出电流基本“相近”。但是并不是理想状态下的“非常均匀”，当负载比较小的情况下（负载电流为 2A左右，平均状态下每个整流器的输出不超过 1A ），有可能某一个整流器输出电流 2A ，

而其他整流器的输出电流为零，这并不是电源系统不均流，而是在小电流情况下是否均流对组合电源系统来说意义并不是很大。均流的真正意义在于在整流器输出电流比较大的情况下（ 30 ％以上负载），各个整流器的输出电流在小于 ±5% 范围之内，保证整流器的可靠性。这个指标是以单个整流器的额定输出电流为依据的，详细情况请看下面的例子。

五、通信用开关电源的基本要求3 、组合开关电源柜均流说明举例 例如有一个通信基站用的是一套 ZXDU300 V2.0 电源设备，配置了 5 个整流器，负载使用的电流是 30A 。假如 5 个整流器的输出电流分别是：7.5A、 6A、 6A、 7A、 4.5A ，那么按照标准情况该组合电源的整流器均

流是符合条件的，即电流最大和最小之间的相差不超过 30A×10 ％＝ 3A （最大是 7.5A ，最小是 4.5A ），偏离中心值 6A也符合要求。 假如这个基站设备的电流是 3A ，那么有可能出现某一个整流器的输出电流 3A ，而其他整流器的输出电流很小，几乎为零。这种现象是正常现象，按照标准计算符合要求。另外对这么小的电流，均流已经失去意义。

五、通信用开关电源的基本要求4 、开关电源的保护功能 对于通信设备使用的开关电源来说，需要有以下几个保护：输出过

压保护、过热保护、输出短路保护、限流功能、输入过欠压保护。

① 输出过压保护

开关电源的输出电压一般不会超出正常范围，但是一旦超出正常范

围，那么可能会对通信设备造成损坏。所以开关电源整流器设有输出过

压保护，一旦输出电压超过设定值，那么开关电源会将输出闭锁。此闭

锁是不能自恢复的，需要断电重启才可以。

五、通信用开关电源的基本要求4 、开关电源的保护功能 ( 续）② 输入过欠压保护

输入过欠压保护指的是在交流电压过高或过低时关闭电源输出，此关

闭是可以自动恢复的，一旦条件满足，开关电源会自动开始工作的。过

压保护是避免在输入电压高的时候，因功率开关管工作，而引起其损

坏；欠压保护是避免在输入电压低的时候，因输入电流过大，而造成输

入器件（整流桥、开关管、变压器）通过电流超过额定值而损坏，另外

也是保证整流器工作在最佳状态。

五、通信用开关电源的基本要求4 、开关电源的保护功能（续）③ 限流保护

开关电源的限流是通过降低输出电压来实现的，这种保护电路一般设

在开关电源的付边。其限流有两个方面的作用，一个方面就是保证开关

电源输出功率不超过额定值而损坏，提高可靠性（开关电源的限流点为

输出额定电流的 110 ％）；另外一方面就是在给蓄电池充电时限流，确保

不过充（按照设定的限流值限流）。

④短路保护

短路保护检测原边的电流，采用控制芯片自带的电流检测电路来进

行，短路保护响应速度快，采用的是逐脉冲限流方式，通过封锁开关管

驱动脉冲来达到限流的目的。短路保护是开关电源必须具备的最基本。

五、通信用开关电源的基本要求4 、开关电源的保护功能（续）⑤ 过热保护（ Overheating protection)

开关电源在工作时会产生一定的热量，如果这些热量释放不出去或没

有达到发热和散热平衡，那么开关电源的内部的温度会上升。此时如果

没有保护，那么会造成功率器件过热而损坏。我们的过热保护是和冷却

风扇配合起来的，当温度达到 65℃时将电源降半载工作，当温度继续上

升到 75℃时整流器会关闭输出，这种保护是可以自恢复的。

当然过热保护并不能完全保护所有元器件，所以我们要尽量保证机房

环境温度在合适范围内，确保通信设备安全可靠运行。

五、通信用开关电源要求4 、开关电源的可靠性要求 可靠性是开关电源的重要指标，衡量标准是“平均无故障间隔时

间”。当然这个指标是在理想状态下的，交流电压在 220Vac±15 ％内变

化，机房环境符合设备使用条件，配置合理等。

所以当大家在比较不同产品或不同型号的电源可靠性时，要注意使用

条件和环境，例如加有交流稳压器的站点要比没有交流稳压器的可靠，

故障率低；平地站点的电源故障率比高山站的低；规范的机房的电源故

障率要比不规范的低；机房条件好的要比条件差的故障率低出很多。

因而我们不能一概而论电源可靠性是好还是坏，需要根据具体情况而

定。

六、思考题1 、目前通信用 48v 供电系统的开关电源输出电压为什么

要设定为 53.5V?

2 、通信电源的均流非常重要，要求在小负载情况也必须均流，这种说法对吗？

3 、开关电源的输入必须是交流吗？为什么？4 、组合电源柜中有一台整流器的输出电流为零，那么说明

这台整流器坏了，对吗？为什么？5 、如果开关电源整流器的限流灯亮，那么说明整流器有问

题，这句话对吗？

六、思考题6 、整流器的输入灯亮，限流灯不亮，故障灯不亮，但是输

出灯不亮，整流器没有电流输出。请您分析原因所在，并将故障排除掉。

７、开关电源前级为什么用ＡＰＦＣ电路？ＡＰＦＣ属于什么样的电路结构？