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开关电源工作原理

来源:admin      发布时间:2017-10-27     

一、工作原理—简介

  顾名思义,开关电源就是利用电子开关器件(如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等),通过控制电路,使电子开关器件不停地“接通”和“关断”,让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制,从而实现DC/AC、DC/DC电压变换,以及输出电压可调和自动稳压。

  开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比,二者的成本都随着输出功率的增加而增长,但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上,反而高于开关电源,这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术也在不断地创新,这一成本反转点日益向低输出电力端移动,这为开关电源提供了广阔的发展空间。

二、—结构

  开关电源大致由主电路、开关电源控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成。

  1、主电路

  冲击电流限幅:限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。

  输入滤波器:其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。

  整流与滤波:将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。

  逆变:将整流后的直流电变为高频交流电,这是高频开关电源的核心部分。

  输出整流与滤波:根据负载需要,提供稳定可靠的直流电源。

  2、控制电路

  一方面从输出端取样,与设定值进行比较,然后去控制逆变器,改变其脉宽或脉频,使输出稳定,另一方面,根据测试电路提供的数据,经保护电路鉴别,提供控制电路对电源进行各种保护措施。

  3、检测电路

  提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。

  4、辅助电源

  实现电源的软件(远程)启动,为保护电路和控制电路(PWM等芯片)工作供电。

三、—分类

  开关电源一般有三种工作模式:频率、脉冲宽度固定模式,频率固定、脉冲宽度可变模式,频率、脉冲宽度可变模式。前一种工作模式多用于DC/AC逆变电源,或DC/DC电压变换;后两种工作模式多用于开关稳压电源。另外,开关电源输出电压也有三种工作方式:直接输出电压方式、平均值输出电压方式、幅值输出电压方式。同样,前一种工作方式多用于DC/AC逆变电源,或DC/DC电压变换;后两种工作方式多用于开关稳压电源。

  开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类,DC/DC变换器现已实现模块化,且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化;AC/DC的模块化,因其自身的特性使得在模块化的进程中,遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。

  DC/DC变换

  DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压,也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种,一是脉宽调制方式Ts不变,改变ton(通用),二是频率调制方式,ton不变,改变Ts(易产生干扰)。其具体的电路由以下几类:

  1) Buck电路——降压斩波器,其输出平均电压U0小于输入电压Ui,极性相同。

  2) Boost电路——升压斩波器,其输出平均电压U0大于输入电压Ui,极性相同。

  3) Buck-Boost电路——降压或升压斩波器,其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui,极性相反,电感传输。

  4) Cuk电路——降压或升压斩波器,其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui,极性相反,电容传输。

  当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃,美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器,其最大输出功率有300W、600W、800W等,相应的功率密度为(6.2、10、17)W/cm3,效率为(80~90)%。日本NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列,其开关频率为(200~300)kHz,功率密度已达到27W/cm3,采用同步整流器(MOSFET代替肖特基二极管),使整个电路效率提高到90%。

  AC/DC变换

  AC/DC变换是将交流变换为直流,其功率流向可以是双向的,功率流由电源流向负载的称为“整流”,功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电,因必须经整流、滤波,因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的,同时因遇到安全标准(如UL、CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC、、FCC、CSA),交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件,这样就限制AC/DC电源体积的小型化,另外,由于内部的高频、高压、大电流开关动作,使得解决EMC电磁兼容问题难度加大,也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求,由于同样的原因,高电压、大电流开关使得电源工作损耗增大,限制了AC/DC变换器模块化的进程,因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。

  AC/DC变换按电路的接线方式可分为,半波电路、全波电路。按电源相数可分为,单相、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。

四、—原理

  开关电源的工作过程相当容易理解,在线性电源中,让功率晶体管工作在线性模式,与线性电源不同的是,PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态,在这两种状态中,加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的(在导通时,电压低,电流大;关断时,电压高,电流小)/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。

  与线性电源相比,PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”,即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。

  解释上图:市电(交流电)入口进去的第一部分称为一级EMI,主要负责内部电路与外部电源之间的过渡,在一级EMI旁边还有二级EMI,这些一二级EMI主要起到电路保护作用,比如当外部电源有波动的时候,一二级EMI会减少内部冲突,从而保护电源内部的硬件不容易受到损坏,另外当电源内部硬件出现不稳定,一二级EMI可以抑制内部波动冲击外部电路,以免影响其他电器的正常使用,简单来说一二级EMI相当于一层滤网,防止双向冲击,对于一款合格的开关电源来说,一二级EMI都是必要的,当对于山寨低价电源来说,往往为了节省成本,省去了一二级EMI,尽管不影响电源功能,但对于电源的稳定性以及干扰外部电源还是有影响的。

  一二级EMI电路过后,就到了整流部分了,这里主要有一个由四个整流二极管组建的整流桥堆,其功能是实现,将交流电转变成为直流电。其之后就是高压滤波电路了,这里会看到有一个或者两个大电容,以电感线圈等,主要负责进来的交流电进行滤波,由于外部交流电频率可能波动较大,通过电容与线圈进行滤波,可以得到比较平滑的直主流电。

  再往下就是中间部分了,在电源的中间是变压器部分。由于开关电源有多路输出,包括3.3V、5V、12V等等,因此需要变压器,将前面的直流电分成几组输出电压。在变压器之后的下面,就是电源输出部分了。

五、开关电源工作原理-注意事项

  1、选择开关电源时应注意事项

  1) 选用合适的输入电压规格;

  2) 选择合适的功率。为了使电源的寿命增长,可选用多30%输出功率额定的机种。

  3) 考虑负载特性。如果负载是马达、灯泡或电容性负载,当开机瞬间时电流较大,应选用合适电源以免过载。如果负载是马达时应考虑停机时电压倒灌。

  4) 此外尚需考虑电源的工作环境温度,及有无额外的辅助散热设备,在过高的环温电源需减额输出。环温对输出功率的减额曲线。

  5) 根据应用所需选择各项功能:

  保护功能:过电压保护(OVP)、过温度保护(OTP)、过负载保护(OLP)等。

  应用功能:信号功能(供电正常、供电失效)、遥控功能、遥测功能、并联功能等。

  特殊功能:功因矫正(PFC)、不断电(UPS)

  选择所需符合的安规及电磁兼容(EMC)认证。

  2、使用开关电源之注意事项

  6) 使用电源前,先确定输入输出电压规格与所用电源的标称值是否相符;

  7) 通电之前,检查输入输出的引线是否连接正确,以免损坏用户设备;

  8) 检查安装是否牢固,安装螺丝与电源板器件有无接触,测量外壳与输入、输出的绝缘电阻,以免触电;

  9) 为保证使用的安全性和减少干扰,请确保接地端可靠接地;

  10) 多路输出的电源一般分主、辅输出,主输出特性优于辅输出,一般情况下输出电流大的为主输出。为保证输出负载调整率和输出动态等指标,一般要求每路至少带10%的负载。若用辅路不用主路,主路一定加适当的假负载。具体参见相应型号的规格书;

  11) 请注意:电源频繁开关将会影响其寿命;

  12) 工作环境及带载程度也会影响其寿命。

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