導讀:記得上大學那會,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)器件對輸入電壓進行脈沖調(diào)制,從而實現(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上,反而高于開關(guān)電源,這一點稱為成本反轉(zhuǎn)點。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)保護電路鑒別,提供控制電路對電源進行各種保護措施。
3、檢測電路
提供保護電路中正在運行中各種參數(shù)和各種儀表數(shù)據(jù)。
4、輔助電源
實現(xiàn)電源的軟件(遠程)啟動,為保護電路和控制電路(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)已實現(xiàn)模塊化,且設(shè)計技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)外均已成熟和標準化;AC/DC的模塊化,因其自身的特性使得在模塊化的進程中,遇到較為復雜的技術(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載的稱為“整流”,功率流由負載返回電源的稱為“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,同時因遇到安全標準(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準的元件,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變換器模塊化的進程,因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法才能使其工作效率達到一定的滿意程度。
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現(xiàn)的。
解釋上圖:市電(交流電)入口進去的第一部分稱為一級EMI,主要負責內(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主要起到電路保護作用,比如當外部電源有波動的時候,一二級EMI會減少內(nèi)部沖突,從而保護電源內(nèi)部的硬件不容易受到損壞,另外當電源內(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,主要負責進來的交流電進行濾波,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)電源時應注意事項 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%輸出功率額定的機種。 3) 考慮負載特性。如果負載是馬達、燈泡或電容性負載,當開機瞬間時電流較大,應選用合適電源以免過載。如果負載是馬達時應考慮停機時電壓倒灌。 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)應用所需選擇各項功能: 保護功能:過電壓保護(OVP)、過溫度保護(OTP)、過負載保護(OLP)等。 應用功能: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)認證。 2、使用開關(guān)電源之注意事項 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。為保證輸出負載調(diào)整率和輸出動態(tài)等指標,一般要求每路至少帶10%的負載。若用輔路不用主路,主路一定加適當?shù)募儇撦d。具體參見相應型號的規(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)電源拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點 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 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