導(dǎo)讀:記得上大學(xué)那會,特別熱衷DIY電腦,,配電源必用長城,、航嘉等高大上品牌,這些電源都是基于一種名為“開關(guān)模式”的技術(shù),,此種電源稱之為開關(guān)電源(Switching Mode Power Supplies,,簡稱SMPS)。本文將為您解讀開關(guān)電源的原理~
一,、開關(guān)電源工作原理—簡介
顧名思義,,開關(guān)電源就是利用電子開關(guān)器件(如晶體管、場效應(yīng)管,、可控硅閘流管等),,通過控制電路,使電子開關(guān)器件不停地“接通”和“關(guān)斷”,,讓電子開關(guān)器件對輸入電壓進(jìn)行脈沖調(diào)制,,從而實(shí)現(xiàn)DC/AC、DC/DC電壓變換,,以及輸出電壓可調(diào)和自動穩(wěn)壓,。
開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)電源和線性電源相比,,二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長,,但二者增長速率各 異。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上,,反而高于開關(guān)電源,,這一點(diǎn)稱為成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新,,使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新,,這一成 本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動,這為開關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間,。
二,、開關(guān)電源工作原理—結(jié)構(gòu)
開關(guān)電源大致由主電路、開關(guān)電源控制電路,、檢測電路,、輔助電源四大部份組成。
1,、主電路
沖擊電流限幅:限制接通電源瞬間輸入側(cè)的沖擊電流,。
輸入濾波器:其作用是過濾電網(wǎng)存在的雜波及阻礙本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋回電網(wǎng)。
整流與濾波:將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電。
逆變:將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電,,這是高頻開關(guān)電源的核心部分,。
輸出整流與濾波:根據(jù)負(fù)載需要,提供穩(wěn)定可靠的直流電源,。
2,、控制電路
一方面從輸出端取樣,與設(shè)定值進(jìn)行比較,,然后去控制逆變器,,改變其脈寬或脈頻,使輸出穩(wěn)定,,另一方面,,根據(jù)測試電路提供的數(shù)據(jù),經(jīng)保護(hù)電路鑒別,,提供控制電路對電源進(jìn)行各種保護(hù)措施,。
3、檢測電路
提供保護(hù)電路中正在運(yùn)行中各種參數(shù)和各種儀表數(shù)據(jù),。
4,、輔助電源
實(shí)現(xiàn)電源的軟件(遠(yuǎn)程)啟動,為保護(hù)電路和控制電路(PWM等芯片)工作供電,。
三,、開關(guān)電源工作原理—分類
開關(guān)電源一般有三種工作模式:頻率、脈沖寬度固定模式,,頻率固定,、脈沖寬度可變模式,頻率,、脈沖寬度可變模式,。前一種工作模式多用于DC/AC逆變電 源,或DC/DC電壓變換;后兩種工作模式多用于開關(guān)穩(wěn)壓電源,。另外,,開關(guān)電源輸出電壓也有三種工作方式:直接輸出電壓方式、平均值輸出電壓方式,、幅值輸 出電壓方式。同樣,,前一種工作方式多用于DC/AC逆變電源,,或DC/DC電壓變換;后兩種工作方式多用于開關(guān)穩(wěn)壓電源。
開關(guān)電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類,,DC/DC變換器現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)模塊化,,且設(shè)計(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化;AC/DC的模塊化,因其自身的特性使得在模塊化的進(jìn)程中,遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問題,。
DC/DC變換
DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓,,也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種,,一是脈寬調(diào)制方式Ts不變,,改變ton(通用),二是頻率調(diào)制方式,,ton不變,,改變Ts(易產(chǎn)生干擾)。其具體的電路由以下幾類:
1) Buck電路——降壓斬波器,,其輸出平均電壓U0小于輸入電壓Ui,,極性相同。
2) Boost電路——升壓斬波器,,其輸出平均電壓U0大于輸入電壓Ui,,極性相同。
3) Buck-Boost電路——降壓或升壓斬波器,,其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui,,極性相反,電感傳輸,。
4) Cuk電路——降壓或升壓斬波器,,其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui,極性相反,,電容傳輸,。
當(dāng)今軟開關(guān)技術(shù)使得DC/DC發(fā)生了質(zhì)的飛躍,美國VICOR公司設(shè)計(jì)制造的多種ECI軟開關(guān)DC/DC變換器,,其最大輸出功率有300W,、600W、 800W等,,相應(yīng)的功率密度為(6.2,、10、17)W/cm3,,效率為(80~90)%,。日本NemicLambda公司最新推出的一種采用軟開關(guān)技術(shù) 的高頻開關(guān)電源模塊RM系列,其開關(guān)頻率為(200~300)kHz,,功率密度已達(dá)到27W/cm3,,采用同步整流器(MOSFET代替肖特基二極 管),使整個電路效率提高到90%,。
AC/DC變換
AC/DC變換是將交流變換 為直流,,其功率流向可以是雙向的,,功率流由電源流向負(fù)載的稱為“整流”,功率流由負(fù)載返回電源的稱為“有源逆變”,。AC/DC變換器輸入為50/60Hz 的交流電,,因必須經(jīng)整流、濾波,,因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的,,同時因遇到安全標(biāo)準(zhǔn)(如UL、CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC,、,、 FCC、CSA),,交流輸入側(cè)必須加EMC濾波及使用符合安全標(biāo)準(zhǔn)的元件,,這樣就限制AC/DC電源體積的小型化,另外,,由于內(nèi)部的高頻,、高壓、大電流開 關(guān)動作,,使得解決EMC電磁兼容問題難度加大,,也就對內(nèi)部高密度安裝電路設(shè)計(jì)提出了很高的要求,由于同樣的原因,,高電壓,、大電流開關(guān)使得電源工作損耗增 大,限制了AC/DC變換器模塊化的進(jìn)程,,因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法才能使其工作效率達(dá)到一定的滿意程度,。
AC/DC變換按電路的接線方式可分為,半波電路,、全波電路,。按電源相數(shù)可分為,單相,、三相,、多相。按電路工作象限又可分為一象限,、二象限,、三象限、四象限,。
開關(guān)電源的工作過程相當(dāng)容易理解,在線性電源中,,讓功率晶體管工作在線性模式,,與線性電源不同的是,PWM開關(guān)電源是讓功率晶體管工作在導(dǎo)通和關(guān)斷的狀
態(tài),,在這兩種狀態(tài)中,,加在功率晶體管上的伏-安乘積是很小的(在導(dǎo)通時,電壓低,,電流大;關(guān)斷時,,電壓高,電流小)/功率器件上的伏安乘積就是功率半導(dǎo)體
器件上所產(chǎn)生的損耗,。 與線性電源相比,,PWM開關(guān)電源更為有效的工作過程是通過“斬波”,即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實(shí)現(xiàn)的,。
解釋上圖:市電(交流電)入口進(jìn)去的第一部分稱為一級EMI,,主要負(fù)責(zé)內(nèi)部電路與外部電源之間的過渡,在一級EMI旁邊還有二級EMI,,這些一二級
EMI主要起到電路保護(hù)作用,,比如當(dāng)外部電源有波動的時候,一二級EMI會減少內(nèi)部沖突,,從而保護(hù)電源內(nèi)部的硬件不容易受到損壞,,另外當(dāng)電源內(nèi)部硬件出現(xiàn)
不穩(wěn)定,一二級EMI可以抑制內(nèi)部波動沖擊外部電路,,以免影響其他電器的正常使用,,簡單來說一二級EMI相當(dāng)于一層濾網(wǎng),防止雙向沖擊,,對于一款合格的開
關(guān)電源來說,,一二級EMI都是必要的,當(dāng)對于山寨低價電源來說,,往往為了節(jié)省成本,,省去了一二級EMI,盡管不影響電源功能,,但對于電源的穩(wěn)定性以及干擾
外部電源還是有影響的,。 一二級EMI電路過后,就到了整流部分了,,這里主要有一個由四個整流二極管組建的整流橋堆,,其功能是實(shí)現(xiàn),將交
流電轉(zhuǎn)變成為直流電,。其之后就是高壓濾波電路了,,這里會看到有一個或者兩個大電容,以電感線圈等,,主要負(fù)責(zé)進(jìn)來的交流電進(jìn)行濾波,,由于外部交流電頻率可能
波動較大,,通過電容與線圈進(jìn)行濾波,可以得到比較平滑的直主流電,。 再往下就是中間部分了,,在電源的中間是變壓器部分。由于開關(guān)電源有多路輸出,,包括3.3V,、5V、12V等等,,因此需要變壓器,,將前面的直流電分成幾組輸出電壓。在變壓器之后的下面,,就是電源輸出部分了,。 1,、選擇開關(guān)電源時應(yīng)注意事項(xiàng) 1) 選用合適的輸入電壓規(guī)格; 2) 選擇合適的功率,。為了使電源的壽命增長,可選用多30%輸出功率額定的機(jī)種,。 3) 考慮負(fù)載特性,。如果負(fù)載是馬達(dá)、燈泡或電容性負(fù)載,,當(dāng)開機(jī)瞬間時電流較大,,應(yīng)選用合適電源以免過載。如果負(fù)載是馬達(dá)時應(yīng)考慮停機(jī)時電壓倒灌,。 4) 此外尚需考慮電源的工作環(huán)境溫度,,及有無額外的輔助散熱設(shè)備,在過高的環(huán)溫電源需減額輸出,。環(huán)溫對輸出功率的減額曲線,。 5) 根據(jù)應(yīng)用所需選擇各項(xiàng)功能: 保護(hù)功能:過電壓保護(hù)(OVP)、過溫度保護(hù)(OTP),、過負(fù)載保護(hù)(OLP)等,。 應(yīng)用功能:信號功能(供電正常、供電失效),、遙控功能,、遙測功能、并聯(lián)功能等,。 特殊功能:功因矯正(PFC),、不斷電(UPS) 選擇所需符合的安規(guī)及電磁兼容(EMC)認(rèn)證。 2,、使用開關(guān)電源之注意事項(xiàng) 6) 使用電源前,,先確定輸入輸出電壓規(guī)格與所用電源的標(biāo)稱值是否相符; 7) 通電之前,,檢查輸入輸出的引線是否連接正確,以免損壞用戶設(shè)備; 8) 檢查安裝是否牢固,,安裝螺絲與電源板器件有無接觸,,測量外殼與輸入、輸出的絕緣電阻,,以免觸電; 9) 為保證使用的安全性和減少干擾,請確保接地端可靠接地; 10) 多路輸出的電源一般分主,、輔輸出,,主輸出特性優(yōu)于輔輸出,一般情況下輸出電流大的為主輸出,。為保證輸出負(fù)載調(diào)整率和輸出動態(tài)等指標(biāo),,一般要求每路至少帶10%的負(fù)載。若用輔路不用主路,,主路一定加適當(dāng)?shù)募儇?fù)載,。具體參見相應(yīng)型號的規(guī)格書; 11) 請注意:電源頻繁開關(guān)將會影響其壽命; 12) 工作環(huán)境及帶載程度也會影響其壽命。 拓展閱讀: 1,、 詳解開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn) 2,、 開關(guān)電源維修方法與技巧攻略 4、淺談開關(guān)電源設(shè)計(jì) 3,、 新型開關(guān)電源技術(shù)簡介 4,、 線性電源和開關(guān)電源的優(yōu)缺 5、 工程師必知:教你熟透開關(guān)電源設(shè)計(jì)的各種元器件四,、開關(guān)電源工作原理—原理
五、開關(guān)電源工作原理-注意事項(xiàng)