開(kāi)關(guān)電源（Switch Mode Power Supply，簡(jiǎn)稱(chēng)SMPS），又稱(chēng)開(kāi)關(guān)電源、開(kāi)關(guān)變換器，是一種高頻功率變換裝置，是電源的一種。其功能是通過(guò)不同形式的架構(gòu)，將某一電平的電壓轉(zhuǎn)換為用戶(hù)所需的電壓或電流。

普通電源的作用是將輸入的交流市 電（ AC110V /220V） 通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)降壓電路轉(zhuǎn)換 成硬件所需的幾種低壓 直流電源：3.3V、5V、12V、-12V，并提供具有 5V 待機(jī) (5VSB) 關(guān)閉功能的計(jì)算機(jī) 處于待機(jī)狀態(tài)。因此，該電源同時(shí)配備了高壓和大功率元件。

 

電源轉(zhuǎn)換過(guò)程為 交流 輸入→ EMI 濾波電路→整流電路→功率因數(shù)校正電路（有源或無(wú)源PFC）→功率級(jí)初級(jí)側(cè)（高壓側(cè)）開(kāi)關(guān)電路轉(zhuǎn)換成脈沖電流→主變壓器→功率級(jí)次級(jí)側(cè)（低壓側(cè)）整流電路→電壓調(diào)整電路（如磁放大電路或DC-DC 轉(zhuǎn)換電路）→濾波器（平滑輸出紋波，由電感和電容組成）電路→監(jiān)控輸出的電源管理電路。

下面介紹交流輸入端EMI濾波電路的常用元件 。

交流輸入插座

此處首次檢查外部交流電源輸入。首先，在交流輸入端 加裝 二階 EMI ，以阻擋來(lái)自電源線(xiàn)的干擾，防止電源工作時(shí)產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)噪聲通過(guò)電源線(xiàn)傳播并干擾其他用電設(shè)備。(EMI) (電磁干擾) (EMI) (電磁干擾) ( 濾波器(濾波器)的低通濾波目的是將交流電中包含的高頻噪聲旁路或引導(dǎo)至地線(xiàn)，只允許波形大約60Hz才能通過(guò)。

 

上圖中間是一個(gè)集成 EMI 濾波器電源插座，濾波器電路完全包含在一個(gè)鐵盒內(nèi)，可以更有效地防止噪聲泄漏。由于沒(méi)有金屬外殼，深埋式內(nèi)置EMI濾波器的電源 會(huì)泄漏一些噪聲，因此左側(cè)插座上僅添加Cx和Cy電容（稍后介紹）。EMI 濾波器電路經(jīng)常在主電路板上實(shí)現(xiàn)。如果 主電路板上的EMI電路區(qū)域是空的， 則該區(qū)域的元件已被移除。由于目前12cm風(fēng)扇的電源內(nèi)部面積不足以容納集成 EMI 濾波器，因此大部分采用照片左右兩側(cè)的方案。

X電容（Cx，又稱(chēng)跨線(xiàn)濾波電容）

該EMI濾波器電路的目標(biāo) 是通過(guò)在火線(xiàn) (L) 和中性線(xiàn) (N) 之間橋接電容器來(lái)降低電源線(xiàn)的低正常噪聲。

 

外觀呈方形，如圖所示，上面寫(xiě)有字母X或X2。

Y電容（Cy，又稱(chēng)線(xiàn)路旁路電容）

為了最大限度地降低高常模和共模噪聲，Y 電容器連接在浮動(dòng)地 (FG) 和火線(xiàn) (L)/零線(xiàn) (N) 之間。

 

電腦 電源中的FG點(diǎn) 與圖中的金屬外殼、地線(xiàn)（E）、輸出端0V/GND相連，所以當(dāng)?shù)鼐�(xiàn)不接時(shí)，會(huì)通過(guò)兩個(gè)串聯(lián)連接——連接的電線(xiàn)。當(dāng)人體接觸Cy電容時(shí)，它會(huì)分壓輸入電源一半的電位差（Vin/2），可能會(huì)感應(yīng)出電感。

共模扼流線(xiàn)圈（交聯(lián)電感）

 

為了消除電源線(xiàn)的低通共模和射頻噪聲，共模扼流線(xiàn)圈與濾波器電路中的火線(xiàn)（L）和零線(xiàn)（N）串聯(lián)。一些電源的輸入線(xiàn)采用環(huán)繞磁芯的設(shè)計(jì)，可以將其視為基本的共模扼流圈。它有環(huán)形和方形的形狀，類(lèi)似于變壓器，并且可以看到一些裸露的線(xiàn)圈。

L/N線(xiàn)和地線(xiàn)E之間的噪聲被稱(chēng)為共態(tài)噪聲，而L和N線(xiàn)之間的噪聲被稱(chēng)為常態(tài)噪聲。EMI濾波器的根本目的 是消除和阻擋這兩類(lèi)噪聲。EMI濾波電路之后是瞬態(tài)保護(hù)電路和整流電路 ，常用元件 如下。

保險(xiǎn)絲

當(dāng)流過(guò)保險(xiǎn)絲的電流超過(guò)額定限值時(shí)，保險(xiǎn)絲將熔斷，保護(hù)與后端電路的連接。電源中使用的保險(xiǎn)絲通常是快斷型，但最好是防爆型。該保險(xiǎn)絲與標(biāo)準(zhǔn)保險(xiǎn)絲的主要區(qū)別在于，外管是米色陶瓷管，內(nèi)含防火材料，可防止熔斷時(shí)產(chǎn)生火花。

 

照片頂部的固定式（兩端直接套上線(xiàn)座并焊接到電路板上）和圖片中間的可拆卸式都是安裝在電路板上的（用金屬夾固定）。熱熔斷器是下面的方形 元件 。此保險(xiǎn)絲連接在功率 元件的大功率水泥電阻或散熱器上。主要用于防超溫，防止 因過(guò)熱而導(dǎo)致元件 損壞或故障。該保險(xiǎn)絲還可與電流保險(xiǎn)絲配合使用，提供針對(duì)電流和溫度的雙重保護(hù)。

負(fù)溫度系數(shù)電阻（NTC）

電源接通時(shí)，電源高壓端的電解電容處于無(wú)電狀態(tài)。充電過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的電流浪涌和線(xiàn)路壓降，可能導(dǎo)致橋式整流器和其他組件超過(guò)其額定電流并燒毀。當(dāng) NTC 與L或N線(xiàn)串聯(lián)時(shí)，其內(nèi)阻可以在充電時(shí)限制電流，而負(fù)溫度系數(shù)意味著其阻值隨著溫度升高而減小，因此當(dāng)電流流過(guò)本體時(shí)，電阻減小。為了減少不必要的功耗，電阻值會(huì)隨著溫度升高而逐漸減小。

 

大部分成分是黑色和深綠色的球狀餅狀成分。然而，當(dāng)電源在預(yù)熱狀態(tài)下啟動(dòng)時(shí)，其保護(hù)作用被忽略，即使阻抗可以隨溫度降低，仍然消耗少量的功率。因此，當(dāng)今大多數(shù)高效電源都采用了更復(fù)雜的瞬時(shí)保護(hù)電路。

金氧壓敏電阻(MOV)
在保險(xiǎn)絲的背面，壓敏電阻連接在火線(xiàn)和地線(xiàn)之間。當(dāng)兩端電壓差小于其額定電壓值時(shí)，本體呈現(xiàn)高阻抗；當(dāng)電壓差超過(guò)其額定電壓值時(shí)，本體電阻迅速下降。估計(jì)LN和前端保險(xiǎn)絲之間存在短路，由于短路產(chǎn)生的電流，前端保險(xiǎn)絲將熔斷以保護(hù)后端電路。當(dāng)主體承受過(guò)大的電力時(shí)，它偶爾會(huì)自毀，以提醒用戶(hù)設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題。

 

它常見(jiàn)于電源的 交流 輸入端。當(dāng)輸入交流過(guò)壓時(shí)，保險(xiǎn)絲能及時(shí)熔斷 ，防止內(nèi)部器件損壞。其顏色和外觀與Cy電容非常相似，但元件上的文字和型號(hào)可以區(qū)分。

橋式整流器

內(nèi)部橋式整流器中有四個(gè)二極管交替連接。它的工作是對(duì)輸入交流電進(jìn)行全波整流， 供后端的開(kāi)關(guān)電路使用。

 

其外觀和尺寸將根據(jù)組件的額定電壓和電流而變化。有些電源會(huì)將其安裝在散熱器上，以幫助散熱并確保長(zhǎng)期穩(wěn)定性。整流后進(jìn)入功率級(jí)原邊開(kāi)關(guān)電路。本節(jié)的元件定義了電源各通道的最大輸出能力，是一個(gè)關(guān)鍵元件。

開(kāi)關(guān)晶體管

它根據(jù)控制信號(hào)導(dǎo)通和關(guān)斷，決定電流是否流過(guò)，作為開(kāi)關(guān)電路中的非接觸式快速電子開(kāi)關(guān)，在有源功率因數(shù)校正電路和功率級(jí)原邊電路中起著至關(guān)重要的作用。

 

電源中的傳統(tǒng)N MOSFET（N型金屬氧化物半導(dǎo)體 場(chǎng)效應(yīng)晶體管）如圖上半部分所示，而NPN BJT如圖下半部分所示（NPN型雙結(jié)晶體管）。根據(jù)開(kāi)關(guān)元件的電路組成，可以產(chǎn)生不同的功率級(jí)拓?fù)洌�例如雙晶正激型、半橋型、全橋型、推挽型等。開(kāi)關(guān)也用于要求高效率的電源。同步整流電路和DC-DC 降壓電路均采用晶振。

變壓器

由于采用變壓器分離高低壓，利用磁能進(jìn)行能量交換，故稱(chēng)為隔離開(kāi)關(guān)降壓電源。不僅可以避免高低壓電路發(fā)生故障時(shí)的漏電危險(xiǎn)，還可以輕松產(chǎn)生多種電壓輸出。由于工作頻率高，變壓器的體積比標(biāo)準(zhǔn) 交流變壓器小。

 

由于變壓器是電力傳輸通路之一，目前的大輸出電源均采用多變壓器設(shè)計(jì)，以防止單個(gè)變壓器飽和而限制功率輸出。輔助電源電路和用于信號(hào)傳輸?shù)拿}沖變壓器顯示在鏡頭的頂部，而主電源變壓器和環(huán)形次級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)變壓器顯示在底部。

采用變壓器作為隔離邊界時(shí)，副邊的輸出電壓遠(yuǎn)低于原邊，但仍需經(jīng)過(guò)整流、調(diào)整、濾波、平滑等電路后才變?yōu)樵�邊。�?jì)算機(jī)部件所需的各種電壓的直流電壓 。

二極管

根據(jù)各部分的電路要求和輸出大小，電源內(nèi)部采用不同的類(lèi)型和規(guī)格。除傳統(tǒng)的硅二極管外，還有 肖特基勢(shì) 壘二極管（SBD）、快恢復(fù)二極管（FRD）和齊納二極管（ZD）。等等。

 

插圖描述了最常見(jiàn)的二極管封裝。SBD用于功率級(jí)的次級(jí)側(cè)，對(duì)變壓器輸出進(jìn)行整流，ZD用作電壓基準(zhǔn)。FRD主要用于有源功率因數(shù)校正和功率級(jí)的初級(jí)側(cè)電路；SBD用于功率級(jí)的次級(jí)側(cè)，對(duì)變壓器輸出進(jìn)行整流，ZD用作電壓基準(zhǔn)。

電感器

根據(jù)磁芯的結(jié)構(gòu)、電感值以及在電路上的安裝位置，電感器可用作交流電路中的儲(chǔ)能元件、磁放大器電路中的電壓調(diào)節(jié)元件以及次級(jí)側(cè)整流后的輸出濾波。

 

圖中的電感器有環(huán)形和圓柱形狀，漆包線(xiàn)的匝數(shù)和厚度根據(jù)電感值和載流能力而變化。

電解電容

電容器與電感器一樣，可用作能量存儲(chǔ)器件和紋波平滑器。電源原邊電路采用高壓電解電容，承受整流后的高壓 直流；次級(jí)電路采用大量耐高溫、長(zhǎng)壽命、低阻抗電解電容，減少輸出下電解電容持續(xù)充放電帶來(lái)的損耗。

 

照片下部的高壓電解電容用于初級(jí)側(cè)，下部電壓較低的部分用于次級(jí)側(cè)和外圍控制電路。由于電容器中化學(xué)物質(zhì)（電解質(zhì)）的關(guān)系，工作溫度對(duì)電解電容器的壽命有顯著影響。這樣一來(lái)，所采用的品牌和系列的電解電容就能長(zhǎng)期使用，同時(shí)還能保持電源良好的散熱性能。決定電源的穩(wěn)定性、可靠性以及使用壽命。

電阻器

為了避免觸電，使用電阻來(lái)限制流過(guò)電路的電流，并在電源關(guān)閉后釋放電容器中存儲(chǔ)的電荷。

 

左側(cè)的大功率水泥電阻器可以承受顯著的電涌，而右側(cè)的普通電阻器有一個(gè)顏色代碼來(lái)指示其電阻值和不準(zhǔn)確度。如果沒(méi)有控制電路，由上述部件組成的電路將無(wú)法執(zhí)行其工作，并且必須隨時(shí)監(jiān)視和調(diào)節(jié)每個(gè)輸出。為了保護(hù)計(jì)算機(jī) 部件的安全 ，如果出現(xiàn)任何異常情況，應(yīng)立即關(guān)閉輸出。

各控制IC

例如PFC電路、功率級(jí)原邊 PWM 電路、PFC/PWM集成控制、輔助電源電路集成器件、電源監(jiān)控管理IC等，都是根據(jù)其安裝位置和在電源中的應(yīng)用等來(lái)分類(lèi)的。

 

對(duì)于PFC電路來(lái)說(shuō)，電源可以通過(guò)采用有源功率因數(shù)校正電路調(diào)節(jié)來(lái)維持指定的功率因數(shù)并限制高次諧波的發(fā)展。功率級(jí)原邊 PWM 電路：作為功率級(jí)原邊開(kāi)關(guān)晶體驅(qū)動(dòng)器，具有 PWM （脈寬調(diào)制）信號(hào)生成和功率輸出狀態(tài)占空比管理（Duty Cycle）。常見(jiàn)的PWM 控制IC有UC3842/3843系列等。集成PFC/PWM控制：通過(guò)將兩個(gè)控制器組合在一個(gè)IC中，可以簡(jiǎn)化電路，減少元件數(shù)量，縮小體積，降低故障率。例如CM680X系列是一款PFC/PWM集成控制IC。

輔助電源電路集成組件：輔助電源電路在電源切斷后必須繼續(xù)輸出，因此必須是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。由于輸出瓦數(shù)不需要太高，所以采用業(yè)界低功耗集成器件，如PI的TOPSwitch系列作為核心。

電源管理和監(jiān)控 每個(gè)輸出的 UVP（低電壓保護(hù)）、OVP（過(guò)壓保護(hù)）、OCP（過(guò)流保護(hù)）、SCP（短路保護(hù)）和 OTP（過(guò)溫保護(hù)）由我知道了。設(shè)定值后關(guān)閉并鎖定控制電路，停止電源輸出，待故障排除后恢復(fù)輸出。

除了上述元件外，制造商還可以根據(jù)需要添加其他IC，例如風(fēng)扇控制IC。

光耦

光耦合器主要用于高壓和低壓電路之間的信號(hào)傳輸，它們保持電路隔離，以防止發(fā)生故障時(shí)兩個(gè)電路之間出現(xiàn)異常電流，從而損壞低壓組件。其想法是利用發(fā)光二極管和光電晶體管通過(guò)光發(fā)送信號(hào)，并且由于它們之間沒(méi)有電路連接，因此兩端的電路可以保持隔離。