开关电源入门必读：开关电源工作原理超详细解析

第1页：前言：PC 电源知多少

个人 PC 所采用的电源都是基于一种名为“开关模式”的技术，所以我们经常会将个人 PC 电源称之为——开
关电源 （Switching Mode Power Supplies，简称 SMPS），它还有一个绰号——DC-DC 转化器。本次文章我们将
会为您解读开关电源的工作模式和原理、开关电源内部的元器件的介 绍以及这些元器件的功能。
●线性电源知多少
目前主要包括两种电源类型：线性电源（linear）和开关电源（switching）。线性电源的工作原理是首先将127
V 或者220 V市电通过变压器转为低压电，比如说12V，而且经过转换后的低压依然是 AC 交流电；然后再通过一
系列的二极管进行矫正和整流，并将低压 AC 交流电转化为 脉动电压（配图1和2中的“3”）；下一步需要对脉动
电压进行滤波，通过电容完成，然后将经过滤波后的低压交流电转换成 DC 直流电（配图1和2中的 “4”）；此时
得到的低压直流电依然不够纯净，会有一定的波动（这种电压波动就是我们常说的纹波），所以还需要稳压二极管
或者电压整流电路进行矫正。最 后，我们就可以得到纯净的低压 DC 直流电输出了（配图1和2中的“5”）


配图1：标准的线性电源设计图


配图2：线性电源的波形


图3：没有 PFC 电路的电源


图4：有 PFC 电路的电源

通过图3和图4的对比我们可以看出两者的不同之处：一个具备主动式 PFC 电路而另一个不具备，前者没有
110/220 V转换器，而且也没有电压倍压电路。下文我们的重点将会是主动式 PFC 电源的讲解。为了让读者能够更好的理解电源的工作原理，以上我们提供的是非常基本的图解，图中并未包含其他额外的
电路，比如说短路保护、待机电路以及 PG 信 号发生器等等。当然了，如果您还想了解一下更加详尽的图解，请
看图5。如果看不懂也没关系，因为这张图本来就是为那些专业电源设计人员看的。

图5：典型的低端 ATX电源设计图

你可能会问，图5设计图中为什么没有电压整流电路？事实上，PWM电路已经肩负起了电压整流的工作。输
入电压在经过开关管之前将会再次校正，而 且进入变压器的电压已经成为方形波。所以，变压器输出的波形也是
方形波，而不是正弦波。由于此时波形已经是方形波，所以电压可以轻而易举的被变压器转换为 DC 直流电压。
也就是说，当电压被变压器重新校正之后，输出电压已经变成了 DC 直流电压。这就是为什么很多时候开关电源
经常会被称之为 DC-DC 转换器。
馈送 PWM控制电路的回路负责所有需要的调节功能。如果输出电压错误时，PWM控制电路就会改变工作周
期的控制信号以适应变压器，最终将输出电压校正过来。这种情况经常会发生在 PC 功耗升高的时，此时输出电
压趋于下降，或者 PC 功耗下降的时，此时输出电压趋于上升。
在看下一页是，我们有必要了解一下以下信息：
★在变压器之前的所有电路及模块称为“primary”（一次侧），在变压器之后的所有电路及模块称为
“secondary”（二次侧）；
★采用主动式 PFC 设计的电源不具备110 V/220 V 转换器，同时也没有电压倍压器；
★对于没有 PFC 电路的电源而言，如果110V/220V被设定为110V 时，电流在进入整流桥之前，电源本身将会
利用电压倍压器将110 V 提升至220 V左右；
★PC 电源上的开关管由一对功率 MOSFET 管构成，当然也有其他的组合方式，之后我们将会详解；
★变压器所需波形为方形波，所以通过变压器后的电压波形都是方形波，而非正弦波；
★PWM控制电流往往都是集成电路，通常是通过一个小的变压器与一次侧隔离，而有时候也可能是通过耦合芯片
（一种很小的带有 LED 和光电晶体管的 IC 芯片）和一次侧隔离；
★PWM控制电路是根据电源的输出负载情况来控制电源的开关管的闭合的。如果输出电压过高或者过低时，PWM
控制电路将会改变电压的波形以适应开关管，从而达到校★正输出电压的目的；
下一页我们将通过图片来研究电源的每一个模块和电路，通过实物图形象的告诉你在电源中何处能找到它们。
第3页：看图说话：电源内部揭秘
当你第一次打开一台电源后（确保电源线没有和市电连接，否则会被电到），你可能会被里面那些奇奇怪怪的
元器件搞得晕头转向，但是有两样东西你肯定认识：电源风扇和散热片。


开关电源内部
但是您应该很容易就能分辨出电源内部哪些元器件属于一次侧，哪些属于二次侧。一般来讲，如果你看到一
个（采用主动式 PFC 电路的电源）或者两个（无 PFC 电路的电源）很大的滤波电容的话，那一侧就是一次侧。
一般情况下，再电源的两个散热片之间都会安排3个变压器，比如说图7所示，主变压器是最大个的那颗；中
等“体型”的那颗往往负责+5VSB输 出，而最小的那颗一般用于 PWM控制电路，主要用于隔离一次侧和二次侧
部分（这也是为什么在上文图3和图4中的变压器上贴着“隔离器”的标签）。有些电源 并不把变压器当“隔离
器”来用，而是采用一颗或者多颗光耦（看起来像是 IC 整合芯片），也即说采用这种设计方案的电源只有两个变
压器——主变压器和辅变压 器。
电源内部一般都有两个散热片，一个属于一次侧，另一个属于二次侧。如果是一台主动式 PFC 电源，那么它
的在一次侧的散热片上，你可以看到开关 管、PFC 晶体管以及二极管。这也不是绝对的，因为也有些厂商可能会
选择将主动式 PFC 组件安装到独立的散热片上，此时在一次侧会有两个散热片。
在二次侧的散热片上，你会发现有一些整流器，它们看起来和三极管有点像，但事实上，它们都是有两颗功
率二极管组合而成的。
在二次侧的散热片旁边，你还会看到很多电容和电感线圈，共同共同组成了低压滤波模块——找到它们也就
找到了二次侧。
区分一次侧和二次侧更简单的方法就是跟着电源的线走。一般来讲，与输出线相连的往往是二次侧，而与输
入线相连的是一次侧（从市电接入的输入线）。如图7所示。

区分一次侧和二次侧
以上我们从宏观的角度大致介绍了一下一台电源内部的各个模块。下面我们细化一下，将话题转移到电源各
个模块的元器件上来……
第4页：瞬变滤波电路解析
市电接入 PC 开关电源之后，首先进入瞬变滤波电路（Transient Filtering），也就是我们常说的 EMI电路。下
图8描述的是一台 PC 电源的“推荐的”的瞬变滤波电路的电路图。区分一次侧和二次侧
以上我们从宏观的角度大致介绍了一下一台电源内部的各个模块。下面我们细化一下，将话题转移到电源各
个模块的元器件上来……
第4页：瞬变滤波电路解析
市电接入 PC 开关电源之后，首先进入瞬变滤波电路（Transient Filtering），也就是我们常说的 EMI电路。下
图8描述的是一台 PC 电源的“推荐的”的瞬变滤波电路的电路图。

瞬变滤波电路的电路图

为什么要强调是“推荐的”的呢？因为市面上很多电源，尤其是低端电源，往往会省去图8中的一些元器件。
所以说通过检查 EMI电路是否有缩水就可以来判断你的电源品质的优劣。
EMI电路电路的主要部件是 MOV(l Oxide Varistor，金属氧化物压敏电阻)，或者压敏电阻（图8中 RV1所示），
负责抑制市电瞬变中的尖峰。MOV 元件同样被用在浪涌抑制器上（surge suppressors）。尽管如此，许多低端电
源为了节省成本往往会砍掉重要的 MOV 元件。对于配备 MOV 元件电源而言，有无浪涌抑制器已经不重要了， 因
为电源已经有了抑制浪涌的功能。
图8中的 L1 and L2是铁素体线圈；C1 and C2为圆盘电容，通常是蓝色的，这些电容通常也叫“Y”电容；C3
是金属化聚酯电容，通常容量为100nF、470nF 或680nF，也叫“X”电容；有 些电源配备了两颗 X 电容，和市电并联相接，如图8 RV1所示。
X电容可以任何一种和市电并联的电容；Y电容一般都是两两配对，需要串联连接到火、零之间并将两个电
容的中点通过机箱接地。也就是说，它们是和市电并联的。
瞬变滤波电路不仅可以起到给市电滤波的作用，而且可以阻止开关管产生的噪声干扰到同在一根市电上的其
他电子设备。
一起来看几个实际的例子。如图9所示，你能看到一些奇怪之处吗？这个电源居然没有瞬变滤波电路！这是
一款低廉的“山寨”电源。请注意，看看电路板上的标记，瞬变滤波电路本来应该有才对，但是却被丧失良知的
黑心 JS 们带到了市场里。

这款低廉的“山寨”电源没有瞬变滤波电路

再看图10实物所示，这是一款具备瞬变滤波电路的低端电源，但是正如我们看到的那样，这款电源的瞬变滤
波电路省去了重要的 MOV压敏电阻，而且只有一个铁素体线圈；不过这款电源配备了一个额外的 X电容。

低端电源的 EMI电路
瞬变滤波电路分为一级 EMI和二级 EMI，很多电源的一级 EMI往往会被安置在一个独立的 PCB 板上，靠近
市电接口部分，二级 EMI则被安置在电源的主 PCB 板上，如下图11和12所示。

一级 EMI配备了一个 X电容和一个铁素体电感
再看这款电源的二级 EMI。在这里我们能看到 MOV 压敏电阻，尽管它的安置位置有点奇怪，位于第二个铁
素体的后面。总体而言，应该说这款电源的 EMI电路是非常完整的。


完整的二级 EMI

值得一提的是，以上这款电源的 MOV压敏电阻是黄色的，但是事实上大部分 MOV都是深蓝色的。
此外，这款电源的瞬变滤波电路还配备了保险管（图8中 F1所示）。需要注意了，如果你发现保险管内的保险
丝已经烧断了，那么可以肯定的是，电源内部的某个或者某些元器件是存在缺陷的。如果此时更换保险管的话是
没有用的，当你开机之后很可能再次被烧断。
第5页：倍压器和一次侧整流电路
●倍压器和一次侧整流电路
上文已经说过，开关电源主要包括主动式 PFC 电源和被动式 PFC 电源，后者没有 PFC 电路，但是配备了倍
压器（voltage doubler）。倍压器采用两颗巨大的电解电容，也就是说，如果你在电源内部看到两颗大号电容的话，
那基本可以判断出这就是电源的倍压器。前面我们已经 提到，倍压器只适合于127V电压的地区。

两颗巨大的电解电容组成的倍压器

拆下来看看

在倍压器的一侧可以看到整流桥。整流桥可以是由4颗二极管组成，也可以是有单个元器件组成，如图15所
示。高端电源的整流桥一般都会安置在专门的散热片上。

文件过大，请大家下载附件查看全文哦！