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開關電源知識詳解

鉅大LARGE  |  點擊量:155次  |  2020年04月03日  

摘要
看圖說話:圖解開關電源-若電源的高效率、體積及重量是考慮重點時,開關電源比線性電源要好。不過開關電源比較復雜,內部晶體管會頻繁切換,若切換電流尚加以處理,可能會產生噪聲及電磁干擾影響其他設備,而且若開關電源沒有特別設計,其電源功率因數可能不高。

開關模式電源(SwitchModepowerSupply,簡稱SMpS),又稱交換式電源、開關變換器,是一種高頻化電能轉換裝置,是電源供應器的一種。其功能是將一個位準的電壓,透過不同形式的架構轉換為用戶端所需求的電壓或電流。開關電源的輸入多半是交流電源(例如市電)或是直流電源,而輸出多半是要直流電源的設備,例如個人電腦,而開關電源就進行兩者之間電壓及電流的轉換。


開關電源不同于線性電源,開關電源利用的切換晶體管多半是在全開模式(飽和區)及全閉模式(截止區)之間切換,這兩個模式都有低耗散的特點,切換之間的轉換會有較高的耗散,但時間很短,因此比較節省能源,產生廢熱較少。理想上,開關電源本身是不會消耗電能的。電壓穩壓是透過調整晶體管導通及斷路的時間來達到。相反的,線性電源在產生輸出電壓的過程中,晶體管工作在放大區,本身也會消耗電能。開關電源的高轉換效率是其一大優點,而且因為開關電源工作頻率高,可以使用小尺寸、輕重量的變壓器,因此開關電源也會比線性電源的尺寸要小,重量也會比較輕。


若電源的高效率、體積及重量是考慮重點時,開關電源比線性電源要好。不過開關電源比較復雜,內部晶體管會頻繁切換,若切換電流尚加以處理,可能會產生噪聲及電磁干擾影響其他設備,而且若開關電源沒有特別設計,其電源功率因數可能不高。


看圖說話:圖解開關電源

下圖3和4描述的是開關電源的pWM反饋機制。圖3描述的是沒有pFC(powerFactorCorrection,功率因素校正)電路的廉價電源,圖4描述的是采用主動式pFC設計的中高端電源。


通過圖3和圖4的比較我們可以看出兩者的不同之處:一個具備主動式pFC電路而另一個不具備,前者沒有110/220V轉換器,而且也沒有電壓倍壓電路。下文我們的重點將會是主動式pFC電源的講解。


為了讓讀者能夠更好的理解電源的工作原理,以上我們供應的是非?;镜膱D解,圖中并未包含其他額外的電路,比如說短路保護、待機電路以及pG信號發生器等等。當然了,假如您還想了解一下更加詳盡的圖解,請看圖5。假如看不懂也沒關系,因為這張圖本來就是為那些專業電源設計人員看的。


圖5:典型的低端ATX電源設計圖


你可能會問,圖5設計圖中為何沒有電壓整流電路?事實上,pWM電路已經肩負起了電壓整流的工作。輸入電壓在經過開關管之前將會再次校正,而且進入變壓器的電壓已經成為方形波。所以,變壓器輸出的波形也是方形波,而不是正弦波。由于此時波形已經是方形波,所以電壓可以輕而易舉的被變壓器轉換為DC直流電壓。也就是說,當電壓被變壓器重新校正之后,輸出電壓已經變成了DC直流電壓。這就是為何很多時候開關電源經常會被稱之為DC-DC轉換器。


饋送pWM控制電路的回路負責所有要的調節功能。假如輸出電壓錯誤時,pWM控制電路就會改變工作周期的控制信號以適應變壓器,最終將輸出電壓校正過來。這種情況經常會發生在pC功耗升高的時,此時輸出電壓趨于下降,或者pC功耗下降的時,此時輸出電壓趨于上升。


在看下一頁是,我們有必要了解一下以下信息:


★在變壓器之前的所有電路及模塊稱為“primary”(一次側),在變壓器之后的所有電路及模塊稱為“secondary”(二次側);


★采用主動式pFC設計的電源不具備110V/220V轉換器,同時也沒有電壓倍壓器;


★關于沒有pFC電路的電源而言,假如110V/220V被設定為110V時,電流在進入整流橋之前,電源本身將會利用電壓倍壓器將110V提升至220V左右;


★pC電源上的開關管由一對功率MOSFET管構成,當然也有其他的組合方式,之后我們將會詳解;


★變壓器所需波形為方形波,所以通過變壓器后的電壓波形都是方形波,而非正弦波;


★pWM控制電流往往都是集成電路,通常是通過一個小的變壓器與一次側隔離,而有時候也可能是通過耦合芯片(一種很小的帶有LED和光電晶體管的IC芯片)和一次側隔離;


★pWM控制電路是根據電源的輸出負載情況來控制電源的開關管的閉合的。假如輸出電壓過高或者過低時,pWM控制電路將會改變電壓的波形以適應開關管,從而達到?!镎敵鲭妷旱哪康?


下一頁我們將通過圖片來研究電源的每一個模塊和電路,通過實物圖形象的告訴你在電源中何處能找到它們。


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