開關電源原理的基本特征
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。
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