干货！开关电源中各元件拆解分析
来源:凡亿PCB发布时间:2024-07-112482浏览
询问 AI开关电源（Switch Mode Power Supply，简称SMPS），又称开关电源、开关变换器，是一种高频功率变换装置，是电源的一种。其功能是通过不同形式的架构，将某一电平的电压转换为用户所需的电压或电流。
普通电源的作用是将输入的交流市电（ AC110V /220V） 通过隔离开关降压电路转换成硬件所需的几种低压 直流电源：3.3V、5V、12V、-12V，并提供具有 5V 待机 (5VSB) 关闭功能的计算机 处于待机状态。因此，该电源同时配备了高压和大功率元件。
电源转换过程为 交流 输入→ EMI 滤波电路→整流电路→功率因数校正电路（有源或无源PFC）→功率级初级侧（高压侧）开关电路转换成脉冲电流→主变压器→功率级次级侧（低压侧）整流电路→电压调整电路（如磁放大电路或DC-DC 转换电路）→滤波器（平滑输出纹波，由电感和电容组成）电路→监控输出的电源管理电路。
下面介绍交流输入端EMI滤波电路的常用元件 。
此处首次检查外部交流电源输入。首先，在交流输入端 加装 二阶 EMI ，以阻挡来自电源线的干扰，防止电源工作时产生的开关噪声通过电源线传播并干扰其他用电设备。(EMI) (电磁干扰) (EMI) (电磁干扰) ( 滤波器(滤波器)的低通滤波目的是将交流电中包含的高频噪声旁路或引导至地线，只允许波形大约60Hz才能通过。
上图中间是一个集成 EMI 滤波器电源插座，滤波器电路完全包含在一个铁盒内，可以更有效地防止噪声泄漏。由于没有金属外壳，深埋式内置EMI滤波器的电源 会泄漏一些噪声，因此左侧插座上仅添加Cx和Cy电容（稍后介绍）。EMI 滤波器电路经常在主电路板上实现。如果 主电路板上的EMI电路区域是空的， 则该区域的元件已被移除。由于目前12cm风扇的电源内部面积不足以容纳集成 EMI 滤波器，因此大部分采用照片左右两侧的方案。
该EMI滤波器电路的目标 是通过在火线 (L) 和中性线 (N) 之间桥接电容器来降低电源线的低正常噪声。
外观呈方形，如图所示，上面写有字母X或X2。
为了最大限度地降低高常模和共模噪声，Y 电容器连接在浮动地 (FG) 和火线 (L)/零线 (N) 之间。
电脑 电源中的FG点 与图中的金属外壳、地线（E）、输出端0V/GND相连，所以当地线不接时，会通过两个串联连接——连接的电线。当人体接触Cy电容时，它会分压输入电源一半的电位差（Vin/2），可能会感应出电感。
为了消除电源线的低通共模和射频噪声，共模扼流线圈与滤波器电路中的火线（L）和零线（N）串联。一些电源的输入线采用环绕磁芯的设计，可以将其视为基本的共模扼流圈。它有环形和方形的形状，类似于变压器，并且可以看到一些裸露的线圈。
L/N线和地线E之间的噪声被称为共态噪声，而L和N线之间的噪声被称为常态噪声。EMI滤波器的根本目的 是消除和阻挡这两类噪声。EMI滤波电路之后是瞬态保护电路和整流电路 ，常用元件 如下。
当流过保险丝的电流超过额定限值时，保险丝将熔断，保护与后端电路的连接。电源中使用的保险丝通常是快断型，但最好是防爆型。该保险丝与标准保险丝的主要区别在于，外管是米色陶瓷管，内含防火材料，可防止熔断时产生火花。
照片顶部的固定式（两端直接套上线座并焊接到电路板上）和图片中间的可拆卸式都是安装在电路板上的（用金属夹固定）。热熔断器是下面的方形 元件 。此保险丝连接在功率 元件的大功率水泥电阻或散热器上。主要用于防超温，防止 因过热而导致元件 损坏或故障。该保险丝还可与电流保险丝配合使用，提供针对电流和温度的双重保护。
电源接通时，电源高压端的电解电容处于无电状态。充电过程中会出现过大的电流浪涌和线路压降，可能导致桥式整流器和其他组件超过其额定电流并烧毁。当 NTC 与L或N线串联时，其内阻可以在充电时限制电流，而负温度系数意味着其阻值随着温度升高而减小，因此当电流流过本体时，电阻减小。为了减少不必要的功耗，电阻值会随着温度升高而逐渐减小。
大部分成分是黑色和深绿色的球状饼状成分。然而，当电源在预热状态下启动时，其保护作用被忽略，即使阻抗可以随温度降低，仍然消耗少量的功率。因此，当今大多数高效电源都采用了更复杂的瞬时保护电路。
在保险丝的背面，压敏电阻连接在火线和地线之间。当两端电压差小于其额定电压值时，本体呈现高阻抗；当电压差超过其额定电压值时，本体电阻迅速下降。估计LN和前端保险丝之间存在短路，由于短路产生的电流，前端保险丝将熔断以保护后端电路。当主体承受过大的电力时，它偶尔会自毁，以提醒用户设备出现问题。
它常见于电源的 交流 输入端。当输入交流过压时，保险丝能及时熔断 ，防止内部器件损坏。其颜色和外观与Cy电容非常相似，但元件上的文字和型号可以区分。
内部桥式整流器中有四个二极管交替连接。它的工作是对输入交流电进行全波整流， 供后端的开关电路使用。
其外观和尺寸将根据组件的额定电压和电流而变化。有些电源会将其安装在散热器上，以帮助散热并确保长期稳定性。整流后进入功率级原边开关电路。本节的元件定义了电源各通道的最大输出能力，是一个关键元件。
它根据控制信号导通和关断，决定电流是否流过，作为开关电路中的非接触式快速电子开关，在有源功率因数校正电路和功率级原边电路中起着至关重要的作用。
电源中的传统N MOSFET（N型金属氧化物半导体 场效应晶体管）如图上半部分所示，而NPN BJT如图下半部分所示（NPN型双结晶体管）。根据开关元件的电路组成，可以产生不同的功率级拓扑，例如双晶正激型、半桥型、全桥型、推挽型等。开关也用于要求高效率的电源。同步整流电路和DC-DC 降压电路均采用晶振。
由于采用变压器分离高低压，利用磁能进行能量交换，故称为隔离开关降压电源。不仅可以避免高低压电路发生故障时的漏电危险，还可以轻松产生多种电压输出。由于工作频率高，变压器的体积比标准 交流变压器小。
由于变压器是电力传输通路之一，目前的大输出电源均采用多变压器设计，以防止单个变压器饱和而限制功率输出。辅助电源电路和用于信号传输的脉冲变压器显示在镜头的顶部，而主电源变压器和环形次级侧调节变压器显示在底部。
采用变压器作为隔离边界时，副边的输出电压远低于原边，但仍需经过整流、调整、滤波、平滑等电路后才变为原边。计算机部件所需的各种电压的直流电压 。
根据各部分的电路要求和输出大小，电源内部采用不同的类型和规格。除传统的硅二极管外，还有 肖特基势 垒二极管（SBD）、快恢复二极管（FRD）和齐纳二极管（ZD）。等等。
插图描述了最常见的二极管封装。SBD用于功率级的次级侧，对变压器输出进行整流，ZD用作电压基准。FRD主要用于有源功率因数校正和功率级的初级侧电路；SBD用于功率级的次级侧，对变压器输出进行整流，ZD用作电压基准。
根据磁芯的结构、电感值以及在电路上的安装位置，电感器可用作交流电路中的储能元件、磁放大器电路中的电压调节元件以及次级侧整流后的输出滤波。
图中的电感器有环形和圆柱形状，漆包线的匝数和厚度根据电感值和载流能力而变化。
电容器与电感器一样，可用作能量存储器件和纹波平滑器。电源原边电路采用高压电解电容，承受整流后的高压 直流；次级电路采用大量耐高温、长寿命、低阻抗电解电容，减少输出下电解电容持续充放电带来的损耗。
照片下部的高压电解电容用于初级侧，下部电压较低的部分用于次级侧和外围控制电路。由于电容器中化学物质（电解质）的关系，工作温度对电解电容器的寿命有显著影响。这样一来，所采用的品牌和系列的电解电容就能长期使用，同时还能保持电源良好的散热性能。决定电源的稳定性、可靠性以及使用寿命。
为了避免触电，使用电阻来限制流过电路的电流，并在电源关闭后释放电容器中存储的电荷。
左侧的大功率水泥电阻器可以承受显着的电涌，而右侧的普通电阻器有一个颜色代码来指示其电阻值和不准确度。如果没有控制电路，由上述部件组成的电路将无法执行其工作，并且必须随时监视和调节每个输出。为了保护计算机 部件的安全 ，如果出现任何异常情况，应立即关闭输出。
例如PFC电路、功率级原边 PWM 电路、PFC/PWM集成控制、辅助电源电路集成器件、电源监控管理IC等，都是根据其安装位置和在电源中的应用等来分类的。
对于PFC电路来说，电源可以通过采用有源功率因数校正电路调节来维持指定的功率因数并限制高次谐波的发展。功率级原边 PWM 电路：作为功率级原边开关晶体驱动器，具有 PWM （脉宽调制）信号生成和功率输出状态占空比管理（Duty Cycle）。常见的PWM 控制IC有UC3842/3843系列等。集成PFC/PWM控制：通过将两个控制器组合在一个IC中，可以简化电路，减少元件数量，缩小体积，降低故障率。例如CM680X系列是一款PFC/PWM集成控制IC。
辅助电源电路集成组件：辅助电源电路在电源切断后必须继续输出，因此必须是一个独立的系统。由于输出瓦数不需要太高，所以采用业界低功耗集成器件，如PI的TOPSwitch系列作为核心。
电源管理和监控 每个输出的 UVP（低电压保护）、OVP（过压保护）、OCP（过流保护）、SCP（短路保护）和 OTP（过温保护）由我知道了。设定值后关闭并锁定控制电路，停止电源输出，待故障排除后恢复输出。
除了上述元件外，制造商还可以根据需要添加其他IC，例如风扇控制IC。
光耦合器主要用于高压和低压电路之间的信号传输，它们保持电路隔离，以防止发生故障时两个电路之间出现异常电流，从而损坏低压组件。其想法是利用发光二极管和光电晶体管通过光发送信号，并且由于它们之间没有电路连接，因此两端的电路可以保持隔离。
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