5-3 开关稳压电源《电子技术基础与技能》云南省 电子电工类 知识点讲解

云南省装备制造大类对口高考电子技术复习讲义 模块5 直流稳压电源 5-3 开关稳压电源 【考纲要求】 （1） 理解开关稳压电源的工作原理、特点和分类； （2）区分线性稳压电源与开关稳压电源的差异。 【知识网络】 【知识和技能要点】 一、开关稳压电源的基础认知 结合5-2线性稳压电路的知识，线性稳压电路虽然输出稳定、纹波小，但存在效率低、发热明显的致命缺点，无法满足大功率、大电流电子设备（如电机驱动、大功率功放、笔记本电脑充电器）的供电需求。 开关稳压电源（简称“开关电源”）的核心定位是：为大功率、大电流电子设备提供高效、稳定的直流供电，其核心优势是效率高、发热小，弥补了线性稳压电源的不足，是目前电子设备中应用最广泛的稳压电源类型（如手机充电器、电脑电源、工业设备电源）。 核心定义：开关稳压电源是通过开关管（如MOS管、三极管）的高频通断，将整流滤波后的直流电压转换为高频交流电压，再通过高频变压器降压（或升压）、二次整流滤波，最终输出稳定直流电压的电源设备，其稳压过程通过控制开关管的通断时间实现。 与线性稳压电源的核心关联：两者均属于直流稳压电源，均需配合5-1的整流滤波电路使用，核心功能都是稳定输出直流电压；区别在于稳压方式不同，适用场景不同，互补满足不同设备的供电需求。 二、开关稳压电源的基本结构与工作原理（考纲重点） 开关稳压电源的结构比线性稳压电源复杂，核心由6个部分组成，各部分协同工作，实现高效稳压，结构流程如下： 市电→整流滤波电路（交变直，平滑直流）→开关管（高频通断，直变交）→高频变压器（变压）→二次整流滤波（交变电→平滑直流）→负载→取样电路→控制电路→开关管（闭环调节） 1. 核心组成部分及作用 （1）整流滤波电路：与5-1所学一致，将市电220V交流电压转换为平滑的直流电压（如300V左右），为开关管提供工作电源，是开关电源的输入环节。 （2）开关管：核心器件（常用MOS管或大功率三极管），受控制电路的控制，工作在“导通”和“截止”两种状态，高频通断（通断频率通常为几十kHz~几百kHz），将输入的平滑直流电压转换为高频交流电压。 （3）高频变压器：核心变压器件，将开关管输出的高频交流电压，转换为负载所需的低高频交流电压（如12V、5V），同时实现输入与输出的电气隔离，保护设备和人员安全。 （4）二次整流滤波电路：将高频变压器输出的低高频交流电压，再次整流、滤波，转换为平滑的直流电压，作为负载的供电电压。 （5）取样电路：与线性稳压电源的取样电路功能一致，并联在负载两端，取样输出电压的变化，将取样电压传递给控制电路，用于对比调节。 （6）控制电路：核心控制单元，将取样电路的取样电压与基准电压对比，放大偏差信号，控制开关管的通断时间（导通时间与截止时间的比例），从而调节输出电压，实现稳压。 2. 工作原理（考纲重点，核心逻辑“高频通断+闭环调节”） 开关稳压电源的工作原理核心是“高频通断”和“闭环负反馈调节”，具体过程分为4个步骤，结合降压式开关电源（最常用）说明：带放大电路的串联型稳压电路： （1）输入环节：市电220V交流电压经整流滤波电路，转换为平滑的高压直流电压（如300V），接入开关管的输入端。 （2）高频转换：控制电路输出高频控制信号，控制开关管高频通断（如100kHz，即每秒通断10万次）；开关管导通时，高压直流电压通过开关管施加到高频变压器初级，变压器次级感应出高频交流电压；开关管截止时，变压器初级断电，次级通过储能元件（电感、电容）继续输出电压。 （3）二次整流滤波：高频变压器次级输出的高频交流电压，经二次整流二极管整流、滤波电容滤波，转换为平滑的低压直流电压（如5V、12V），供给负载工作。 （4）稳压调节（闭环反馈）： a.当输出电压升高时，取样电路取出的取样电压同步升高，传递给控制电路； b.控制电路对比取样电压与基准电压，放大偏差信号，缩短开关管的导通时间、延长截止时间； c.开关管导通时间缩短，高频变压器初级获得的能量减少，次级输出电压降低，恢复到设定值； d.反之，当输出电压降低时，控制电路延长开关管导通时间，次级输出电压升高，保持稳定。 关键总结：开关稳压电源通过“高频通断”将直流转换为高频交流，再通过变压、整流滤波还原为直流，核心通过控制开关管的通断时间比例，实现输出电压稳定，避免了线性稳压电源调整管的持续耗能，效率大幅提升。 三、开关稳压电源的分类（考纲重点） 开关稳压电源的分类方式有多种，考纲重点掌握“按拓扑结构分类”（最常用、最核心），根据输出电压与输入电压的大小关系，分为三大类，其中Buck型应用最广泛： 1. Buck型（降压式）开关稳压电源（最常用） 核心特点：输入电压＞输出电压，将高压直流转换为低压直流，是最常用的类型。 典型应用：手机充电器（输入220V交流→整流后300V直流，输出5V/9V直流）、电脑电源（输出12V、5V、3.3V直流）、单片机系统大功率供电。 2. Boost型（升压式）开关稳压电源 核心特点：输入电压＜输出电压，将低压直流转换为高压直流。 典型应用：充电宝（将锂电池3.7V直流升压为5V直流，给手机充电）、LED驱动电源（将12V直流升压为几十V直流）。 3. Buck-Boost型（升降压式）开关稳压电源 核心特点：输入电压可大于或小于输出电压，输出电压极性可与输入相反，灵活性强。 典型应用：需要灵活调整电压的场景，如工业控制设备、便携式电子设备（如对讲机电源）。 四、开关稳压电源的核心特点（考纲重点） 开关稳压电源的特点与线性稳压电源形成鲜明对比，核心围绕“高效”展开，具体分为优点和缺点： 1. 优点（核心优势） (1) 效率高：效率通常为80%~95%，远高于线性稳压电源（40%~60%），开关管仅在导通时耗能，截止时基本不耗能，电能损耗小。 (2) 发热小：电能损耗小，因此发热远低于线性稳压电源，无需大型散热片，甚至无需散热片（小功率开关电源）。 (3) 体积小、重量轻：采用高频变压器，高频变压器的体积和重量远小于工频变压器（线性稳压电源常用），因此开关电源整体体积小、重量轻，便于集成和携带（如手机充电器）。 (4) 适用范围广：输出电流大、功率大，可满足大功率、大电流设备的供电需求，输入电压范围宽（如交流85~265V），适应不同地区的电网电压。 2. 缺点 (1) 纹波较大、噪声较高：由于开关管高频通断，输出电压会存在轻微的高频纹波，噪声比线性稳压电源高，对电源纯度要求极高的场景（如精密仪器）需额外增加滤波电路 。 (2) 结构复杂、成本较高：比线性稳压电源多了开关管、高频变压器、控制电路等，结构更复杂，调试难度大，成本略高。 (3) 电磁干扰（EMI）较大：开关管高频通断会产生高频电磁干扰，可能影响周边电子设备的正常工作，需增加屏蔽措施。 五、线性稳压电源与开关稳压电源的差异（考纲重点，高频考点） 两者均为直流稳压电源，核心功能都是稳定输出直流电压，但稳压方式、特点、适用场景差异显著，是考纲重点考查内容，具体对比如下（表格形式，便于记忆）： 对比项目 线性稳压电源（5-2所学） 开关稳压电源（本章所学） 核心稳压方式 调整管持续导通，调节管压降稳压（线性工作） 开关管高频通断，调节通断时间比例稳压 效率 低（40%~60%），电能损耗大 高（80%~95%），电能损耗小 发热情况 发热明显，需大型散热片 发热小，无需或小型散热片 体积与重量 体积大、重量重（用工频变压器） 体积小、重量轻（用高频变压器） 输出纹波与噪声 纹波小、噪声低，电源纯度高 纹波较大、噪声较高，需额外滤波 结构与成本 结构简单、成本低、调试方便 结构复杂、成本略高、调试难度大 适用场景 小功率、对电源纯度要求高的场景（如单片机、精密仪器） 大功率、大电流、便携场景（如手机充电器、电脑、电机驱动） 典型器件 78XX、79XX系列三端稳压器 开关管（MOS管）、高频变压器、控制芯片 关键总结：两者互补，小功率、高纯度需求选线性稳压电源，大功率、便携需求选开关稳压电源，实际应用中可根据设备需求灵活选择。 六、关键注意事项（综合考点） 1. 开关管的选择：需根据开关电源的功率、工作频率，选择合适的开关管（MOS管或三极管），确保开关管能承受足够的电压和电流，避免击穿损坏。 2. 高频变压器的选择：需匹配开关频率和变压比，确保输出电压符合负载需求，同时注意变压器的散热和电磁屏蔽，减少电磁干扰。 3. 控制电路调试：控制电路的参数（如开关频率、反馈系数）需调试到位，否则会导致输出电压不稳定、纹波过大。 4. 电磁干扰防护：开关电源会产生高频电磁干扰，需在输入、输出端增加滤波电路，外壳增加屏蔽层，避免干扰周边电子设备。 5. 安全防护：开关电源输入输出隔离，需确保接地可靠，避免触电；大功率开关电源需增加过流、过热、短路保护电路，防止设备损坏。 【练习题】 一、选择题 1. 开关稳压电源的核心稳压方式是（ ） A. 调节调整管管压降 B. 开关管高频通断，调节通断时间比例 C. 电容充放电 D. 电感限流 2. 下列关于开关稳压电源的特点，说法错误的是（ ） A. 效率高 B. 发热小 C. 纹波小、噪声低 D. 体积小、重量轻 3. 最常用的开关稳压电源类型是（ ） A. Buck型（降压式） B. Boost型（升压式） C. Buck-Boost型（升降压式） D. 以上都一样 4. 下列场景中，最适合采用开关稳压电源的是（ ） A. 单片机系统供电 B. 精密仪器供电 C. 手机充电器 D. 小型收音机供电 5. 线性稳压电源与开关稳压电源的核心差异在于（ ） A. 都能稳定输出直流电压 B. 稳压方式不同 C. 都需要整流滤波电路 D. 都有取样电路 6. 开关稳压电源中，开关管的工作状态是（ ） A. 持续导通 B. 持续截止 C. 高频通断 D. 随机通断 二、填空题 1. 开关稳压电源的核心器件是______，其工作状态为______，通断频率通常为______。 2. 开关稳压电源按拓扑结构可分为______、______和______，其中最常用的是______。 3. 开关稳压电源的效率通常为______，远高于线性稳压电源的______。 4. 开关稳压电源的基本结构包括整流滤波电路、______、______、二次整流滤波电路、______和______。 5. 线性稳压电源适用于______、______的场景，开关稳压电源适用于______、______的场景。 6. 开关稳压电源的缺点是______、______和电磁干扰较大。 三、简答题 1. 简述开关稳压电源的工作原理（以Buck型为例）。 2. 简述开关稳压电源的核心特点（优点和缺点各列举3点）。 3. 试从稳压方式、效率、发热、体积、适用场景5个方面，对比线性稳压电源与开关稳压电源的差异。 4. 开关稳压电源中，控制电路的作用是什么？简述其工作过程。 四、识读与分析题 1. 已知某手机充电器为开关稳压电源，输入为220V交流电压，输出为5V直流电压，试分析该充电器的工作流程，说明各核心组成部分的作用。 2. 某电子设备需要12V、10A的直流供电，现有线性稳压电源和开关稳压电源两种选择，试说明应选择哪种电源，并阐述理由。 【答案】 一、选择题 1. B 2. C 3. A 4. C 5. B 6. C 二、填空题 1. 开关管；高频通断；几十kHz~几百kHz 2. Buck型（降压式）；Boost型（升压式）；Buck-Boost型（升降压式）；Buck型 3. 80%~95%；40%~60% 4. 开关管；高频变压器；取样电路；控制电路 5. 小功率；对电源纯度要求高；大功率；大电流 6. 纹波较大、噪声较高；结构复杂、成本较高 三、简答题 1. Buck型开关稳压电源工作原理：① 输入环节：220V交流电压经整流滤波电路，转换为平滑高压直流电压；② 高频转换：控制电路控制开关管高频通断，将高压直流转换为高频交流电压，施加到高频变压器初级；③ 变压环节：高频变压器将高频交流电压降压为低压高频交流电压；④ 二次整流滤波：将低压高频交流电压整流、滤波，输出平滑低压直流电压供给负载；⑤ 稳压调节：取样电路取样输出电压，控制电路对比基准电压，调节开关管通断时间比例，使输出电压稳定。 2. 优点：① 效率高（80%~95%），电能损耗小；② 发热小，无需大型散热片；③ 体积小、重量轻，便于携带和集成；④ 输入电压范围宽，适用范围广。（答出3点即可） 缺点：① 纹波较大、噪声较高，电源纯度不如线性稳压电源；② 结构复杂、调试难度大，成本略高；③ 产生高频电磁干扰，需增加屏蔽措施。（答出3点即可） 3. 差异对比：① 稳压方式：线性稳压电源调节调整管管压降（持续导通）；开关稳压电源通过开关管高频通断，调节通断时间比例。② 效率：线性低（40%~60%）；开关高（80%~95%）。③ 发热：线性发热明显；开关发热小。④ 体积：线性体积大、重量重；开关体积小、重量轻。⑤ 适用场景：线性适用于小功率、高纯度需求；开关适用于大功率、大电流、便携需求。 4. 控制电路的作用：控制开关管的高频通断，调节通断时间比例，实现输出电压稳定。 工作过程：① 取样电路取出输出电压的变化，传递给控制电路；② 控制电路将取样电压与基准电压对比，放大两者的偏差信号；③ 若输出电压升高，控制电路缩短开关管导通时间、延长截止时间，减少变压器初级能量，使输出电压降低；④ 若输出电压降低，控制电路延长开关管导通时间，增加变压器初级能量，使输出电压升高，形成闭环反馈，保持输出电压稳定。 四、识读与分析题 1. 工作流程及各部分作用：① 整流滤波电路：将输入的220V交流电压转换为300V左右的平滑高压直流电压，为开关管提供工作电源；② 开关管：受控制电路控制，高频通断，将300V高压直流转换为高频交流电压；③ 高频变压器：将高频交流电压降压为5V左右的高频交流电压，实现输入输出隔离；④ 二次整流滤波电路：将5V高频交流电压整流、滤波，输出平滑的5V直流电压；⑤ 取样电路：取样5V输出电压，传递给控制电路；⑥ 控制电路：对比取样电压与基准电压，调节开关管通断时间，确保输出5V电压稳定，为手机供电。 2. 应选择开关稳压电源，理由：① 该设备需要10A大电流、12V供电，属于大功率场景，开关稳压电源效率高（80%~95%），电能损耗小，发热少，无需大型散热片；② 线性稳压电源效率低（40%~60%），大功率场景下发热严重，需大型散热片，且体积大、重量重，无法满足需求；③ 开关稳压电源体积小、重量轻，输入电压范围宽，能稳定输出12V、10A直流电压，适配该设备的供电需求。 学科网（北京）股份有限公司 $