開關電源原理的基本特征

開關電源與線形電源相比，其優點是小型輕量、效率高。開關電源的這種優點適應電子設備的輕、薄、短、小與節能等的要求，其應用范圍迅速擴大。

表1示出了開關電源與線性電源性能的比較。開關電源的優點不僅是小型輕量，而且容易對應較寬的輸入電壓范圍，通過改變變壓器的抽頭與電路元器件常數來設計的開關電源，也可以在輸入電壓不同的國家中使用。

表1開關電源與線性電源性能的比較

項目 線性電源 開關電源

另外，電信機房中很多通信設備的電源經常采用直流電源，移動或可搬運型設備的電源采用干電池與蓄電池等直流電源，對于這些電源中的直流一直流（DC－DC）變換器，開關電源是其不可缺少的部分。

開關電源的缺點是開關晶體管、整流二極管、變壓器與扼流圈等產生噪聲，這些噪聲影響了其他電子設備的正常工作。然而，通過電路方式的改進、濾波與屏蔽措施的采用，開關電源的這種缺點有可能被克服。

理論上，開關電源的穩定性有可能與線性電源相同，但紋波與噪聲影響了開關電源的穩定性，為了提高其穩定性，有必要采取措施消除這些影響。然而，對于一般的使用方法其穩定性不會有問題。

開關電源的元器件較多，因此，可靠性也比線性電源低。然而，對于通常設計的開關電源，電解電容器的壽命極大地影響了它的可靠性，溫度越高，電解電容器的壽命越短。因此，對于同樣尺寸的開關電源，效率高的開關電源其溫升較低，可以提高可靠性。但由于開關電源的元器件更小而使其過于小型化，為了平衡內部損耗其溫升會較高，有可能制作一個可靠性低的開關穩壓電源，因此，要注意這一點。尤其是最近，不僅是開關元器件等性能得到改善，而且開關頻率也在高頻化，這樣，較容易實現開關電源的小型化。然而，降低損耗比小型化的困難要多，因此，在進行最佳散熱設計的同時，選擇在高溫下可靠性也不會降低的元器件非常重要。

開關電源的固定元器件中壽命非常短的電解電容器，最近其壽命也有所延長；由于高頻化的原因，濾波電容器的容量也有可能減小，于是可以選用疊層陶瓷電容器。這樣，有可能制作出不用電解電容器的高可靠性的開關穩壓電源。另外，對于交流輸入的開關電源，因電壓與容量關系，難以除掉電解電容器的輸入濾波部分，通過采用以全渡整流的脈動電流工作的升壓型開關電源，可以除掉電解電容器的同時，還可以改善輸人功率因數。

線性電源有串聯與并聯方式，但多數采用串聯方式，因此，本文所介紹的線性電源指的是串聯線性穩壓電源。圖1示出了串聯線性電源與開關電源的原理圖。圖1（a）是串聯線性穩壓電源的原理圖，由于串聯晶體管（Tr）將無用功率以熱量的形式散發掉，因此，效率低，還需要較大的散熱器，而且產生的損耗還隨輸入電壓與輸出電壓值的不同發生較大變化。另外還需要接入如圖1所示的工頻變壓器，這樣，就提高電源的質量并增大了其尺寸，同時，也降低了電源的效率。

圖1（b）是開關電源的原理圖，開關晶體管（Tr）為開關工作方式。因此，功率損耗??；變壓器也采用高頻變壓器，可實現小型化；同時繞組匝數也可大幅度地減少，相應降低了銅損，這樣，可以設計出制作損耗較低的穩壓電源。另外，開關電源是通過開關元件的通一斷比來控制輸出電壓，因此，損耗受輸入、輸出電壓的影響較小，且電源的效率也不會降低。

在圖1（b）所示的開關電源的典型構成中，電路中開關晶體管Tr由脈寬調制電路的電壓進行驅動，將直流電壓變為交流，脈沖電壓加到高頻變壓器上。該脈沖電壓經變壓器變壓，再經過二次電路的整流器與平滑電路變換為直流電壓，作為開關穩壓電源的輸出電壓。這時，平滑電路將變壓器正向期間時的二次電壓平均化，通過這種作用得到輸出電壓，該電壓與1個周期內電壓積分的平均值成比例，因此，可以得到與脈沖寬度成比例的輸出電壓。

反饋放大器A將輸出電壓與基準電壓進行比較，其輸出加到光耦合器中的光電二極管上。反饋放大器A的輸出通過光耦合器（PC）的隔離被脈寬調制電路所接收，輸出電壓高時，脈寬調制電路的脈寬變窄；反之，脈寬變寬。這樣，由被控制的脈寬驅動開關晶體管（Tr），再將與該脈寬成比例的脈沖加到高頻變壓器上，控制輸出電壓使其保持穩定。