當我們走進通信機房，我們肯定可以看到這樣的設備：

圖1 開關電源櫃

我們把這樣的設備叫作直流開關電源櫃。它的作用就是市電交流電轉換成直流電，供通信設備、蓄電池充電使用。

圖2 開關電源櫃原理圖

開關電源系統的主要功能是将電網送來的交流電變換成穩定的低壓直流電，它适合與蓄電池組一起構成全浮充供電方式不間斷地給需要穩定直流電的負載使用。它的核心是一種智能型高頻開關式整流穩壓器。

開關電源不僅僅用在通信行業，也廣泛應用于我們的台式機電源，數碼産品電源，醫療設備，工業自動化控制等領域。

圖3 開關電源

本文我們就來聊一聊一種典型的開關電路。

電容與電感的預備知識，參考附錄。

圖4 電路1

輸入電壓為Ui，為直流電壓；開關K；電阻RL代表負載。如果我們此時不停的對K進行開和關，而且很快速的。

圖5 開關電路

那麼負載RL上的電壓Uo，在開關閉合時等于Ui；在開關斷開時等于0；

此時如圖4所示，我們獲得了一個直流脈沖信号Uo。

但是，我們知道開關電路的目的是要獲得一個直流電壓。

在電路1的基礎上，我們在負載RL旁邊并聯一個電容：

圖6 電路2

我們知道電容是不允許兩端的電壓的突變的，所以一旦閉合開關K，那麼電容就會充電，兩端的電壓逐漸上升；還沒來得及充滿，斷開K，此時電容已有一定的電荷，此時其會對負載RL進行放電，電壓逐漸下降。

我們為什麼要并聯一個電阻R呢？

就是防止閉合開關K的瞬間，電容瞬間電壓變化太大，電容充電電流過大。

但是串聯這個電阻R将帶來另外一個問題，就是電阻是有功元件，即它将消耗一部分能量。我們知道，我們希望輸入的能量盡可能多的到輸出端。這就是我們常說的效率。

為了提高效率？

我們需要把電阻換成一個無功元件。

無功元件有2種，一種是電容，一種是電感。

如果串聯一個電容。我們知道電容是通交流阻直流的，此時電路中輸入為直流電壓，那麼隻有在K閉合的瞬間，有充電電流，其後就沒有任何電流流過負載RL了，這顯然不合适。

那麼此時，我們串聯一個電感L。

圖7 電路3

電感L當中的電流是阻高頻通低頻，阻交流通直流。

當輸入電壓為直流電壓的時候，隻要開關K閉合後，電流可以從小到大，逐漸增加，一方面給電容C充電，一方面給負載供電。

在開關K閉合的時候，也不會有很大的電流流過L給C充電。因為電容L當中的電流是不能突變的，隻能夠線性或者逐漸增加。

把電阻R換成電感L是開關電源提高效率的重要措施。也可以說，這時開關電源和普通的串并聯穩壓電壓的主要區别。

到目前為止開關電源的雛形就出現了！

如果此時，你興奮的把上述電路付諸實踐，拿起電絡鐵，焊起來.....那麼往往結果是：

圖8 燒毀的電路

沒錯，燒糊！

圖9 電路4

電路4相比電路3，添加了一個二極管。

電磁感應定律告訴我們，電流流過電感線圈L後，就會在電感線圈中形成磁場，當開關K閉合後，電流逐漸增大，磁場逐漸增強，必然會在電感線圈中産生一個感應電動勢，這就是自感現象。

從能量角度看，電源Ui的能量，有一部分能量存儲在電感中。能量不會無緣無故消失，那麼電感線圈的能量要到哪裡去呢？

圖10 電路4中的感應電動勢

如果在開關K斷開的瞬間，似斷非斷的時刻，此時由于感應電動勢的存在E，此時加在開關K兩端的電壓為Ui E。

由于開關斷開的瞬間，自感電動勢E非常巨大，此時會把K擊穿或者産生電火花。就像圖8一樣。

所以電路4中引入了一個二極管VD來解決這個問題。

開關斷開的時候，電感L産生了很高的自感電動勢，端電壓是右邊 左邊-。

加入二極管之後，L中的電流不能夠流過開關K，但可以流過二極管VD。這樣在電感線圈就不會産生很高的電動勢。

電感線圈中存儲的磁場能量，通過二極管VD，形成回路，繼續向負載RL供電。

二極管VD啟到了很關鍵的作用，任何一個開關電源都有一個這樣的二極管。

這個二極管也叫作續流二極管。

續流二極管(flyback diode)，有時也稱為飛輪二極管或是snubber二極管，是一種配合電感性負載使用的二極管，當電感性負載的電流有突然的變化或減少時，電感二端會産生突變電壓，可能會破壞其他元件。配合續流二極管時，其電流可以較平緩地變化，避免突波電壓的發生。

到目前為止，已經能夠解決一個開關電源的一般性問題了。

我們知道三極管、mos管都具有開關的作用，那麼我們把開關K換成這些元件，就可以不用手動閉合、切斷開關了，從而實現高頻率的開關！

圖11 一種典型的開關電路

總結

文中介紹了簡易的開關電源工作原理，僅僅是幫助同學們了解電路的分析過程與LC特性。

其實這個電路還有許多問題需要解決，如輸入電壓與輸出電壓的隔離，如何得到不同的輸出電壓，即實現調壓功能等等。感興趣的同學可以自行學習。

附錄：電容與電感

針對電容、電感、電阻，其特性可由下面的三個公式表達：

電阻最熟悉與簡單。歐姆定律，電阻R等于電壓除以電流。

電容的兩端電壓U不能突變，因為當通電後，電荷會逐步向電容的兩個極闆聚合，這個聚合的過程就是充電的過程，也是電荷的移動就是電流。

圖12 電容的充電過程

當斷開開關後，電容器兩端極闆上的電荷就會釋放，釋放的過程就是放電，電荷的流動就是電流。

圖13 電容的放電過程

我們知道i=Cdu/dt，其中C稱為電容，表征電容元件特性的參數，當U的單位為伏特(V),i的單位為安培(A)時，C的單位為法拉，簡稱法(F)。電容元件的電流i與其兩端的電壓變化率成正比。

也就是說電壓變化越快，電流越大，當電壓不變時，如直流電壓，電流為零。所以電容有隔直通交的功能。

電容元件兩端的電壓不能躍變，這是電容元件的一個重要性質。

電感

任何導體當有電流通過時，在導體周圍就會産生磁場；如果電流發生變化，磁場也随着變化，而磁場的變化又引起感應電動勢的産生。這種感應電動勢是由于導體本身的電流變化引起的，稱為自感。

圖14 磁場的變化，感應電動勢的産生

當電感線圈中的電流增大時，自感電動勢的方向與線圈中的電流方向相反，用來阻止電流的增大；當線圈中的電流減小時，自感電動勢的方向和線圈中的電流方向相同，以阻止電流的減小。總之當線圈中的電流發生變化時，自感電動勢總是阻止電流的變化。這就是楞次定律。

同樣的，電感元件的電流是不能突變的，兩端的電壓與電流的變化率成正比，電流變化越快（高頻率），電壓越高；電流不變時，即直流電流，電壓為零。

電感元件中的電流不能躍變，這是電感元件的一個重要性質。

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