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2015-5-9 12:11| 编辑:电工学习网| 查看: 27179| 评论: 0

摘要: 开关电源是相对线性电源说的。他输入端直接将交流电整流变成直流电,再在高频震荡电路的作用下,用开关管控制电流的通断,形成高频脉冲电流。在电感(高频变压器)的帮助下,输出稳定的低压直流电。由于变压器的磁芯大小与他的工作频 ...
    开关电源是相对线性电源说的。他输入端直接将交流电整流变成直流电,再在高频震荡电路的作用下,用开关管控制电流的通断,形成高频脉冲电流。在电感(高频变压器)的帮助下,输出稳定的低压直流电。由于变压器的磁芯大小与他的工作频率的平方成反比,频率越高铁心越小。这样就可以大大减小变压器,使电源减轻重量和体积。而且由于它直接控制直流,使这种电源的效率比线性电源高很多。这样就节省了能源,因此它受到人们的青睐。但它也有缺点,就是电路复杂,维修困难,对电路的污染严重。电源噪声大,不适合用于某些低噪声电路。
线性电源(Liner power supply)是先将交流电经过变压器降低电压幅值,再经过整流电路整流后,得到脉冲直流电,后经滤波得到带有微小波纹电压的直流电压。要达到高精度的直流电压,必须经过稳压电路进行稳压。
一、线性电源的原理
线性电源主要包括工频变压器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路等。如图1。


图1
线性电源是先将交流电经过变压器变压,再经过整流电路整流滤波得到未稳定的直流电压,要达到高精度的直流电压,必须经过电压反馈调整输出电压,这种电源技术很成熟,可以达到很高的稳定度,波纹也很小,而且没有开关电源具有的干扰与噪音。但是它的缺点是需要庞大而笨重的变压器,所需的滤波电容的体积和重量也相当大,而且电压反馈电路是工作在线性状态,调整管上有一定的电压降,在输出较大工作电流时,致使调整管的功耗太大,转换效率低,还要安装很大的散热片。这种电源不适合计算机等设备的需要,将逐步被开关电源所取代。
二、开关电源的原理:
开关电源主要包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、逆变器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路。如图2 。


图2
它们的功能是:
1.输入电网滤波器:消除来自电网,如电动机的启动、电器的开关、雷击等产生的干扰,同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散。
2.输入整流滤波器:将电网输入电压进行整流滤波,为变换器提供直流电压。
3.逆变器:是开关电源的关键部分。它把直流电压变换成高频交流电压,并且起到将输出部分与输入电网隔离的作用。
4.输出整流滤波器:将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压,同时还防止高频噪声对负载的干扰。
5.控制电路:检测输出直流电压,并将其与基准电压比较,进行放大。调制振荡器的脉冲宽度,从而控制变换器以保持输出电压的稳定。
6.保护电路:当开关电源发生过电压、过电流短路时,保护电路使开关电源停止工作以保护负载和电源本身。
开关电源是将交流电先整流成直流电,在将直流逆变成交流电,在整流输出成所需要的直流电压。这样开关电源省去下线性电源中的变压器,以及电压反馈电路。而开关电源中的逆变电路完全是数字调整,同样能达到非常高的调整精度。
开关电源的主要优点:体积小、重量轻(体积和重量只有线性电源的20~30%)、效率高(一般为60~70%,而线性电源只有30~40%)、自身抗干扰性强、输出电压范围宽、模块化。
开关电源的主要缺点:由于逆变电路中会产生高频电压,对周围设备有一定的干扰。需要良好的屏蔽及接地。
交流电经过整流,可以得到直流电。但是,由于交流电压及负载电流的变化,整流后得到的直流电压通常会造成20%到40%的电压变化。为了得到稳定的直流电压,必须采用稳压电路来实现稳压。按照实现方法的不同,稳压电源可分为三种:线性稳压电源、相控稳压电源、开关稳压电源。其中开关电源代表低碳环保和先进电源的发展趋势。
  常用的低压直流开关电源就是将220V交流电经过EMI滤波器后直接整流成300V左右的直流电,通过电路控制开关管进行高速的道通与截止再转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压,从而产生所需要的一组或多组电压,而后再整流成所需要电压的直流电。转化为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比50Hz高很多,所以主变压器可以做的很小,且使用磁芯,它工作时也不是很热;另外,在高频下,贮存能量和滤波电容和电感要比50Hz 下小很多,成本很低。如果不将50Hz 变为高频那开关电源就没有意义!开关变压器也不神秘,就是一个普通的磁芯变压器!这就是开关电源。
  开关电源,是通过电子技术实现的,主要环节:整流成直流电——逆变成所需电压的交流电(主要来调整电压)——再经过整流成直流电压输出。
     开关电源的结构中由于中间没有笨重的变压器和散热片,因而体积非常小。同时,开关电源内部都是电子元件,效率高、发热小。虽然,具有电磁干扰大等缺点,但现在欧美日本土销售和中国制造但没有偷工减料的开关电源抗电磁干扰滤波器和屏蔽技术已经非常到位。
     开关电源大体可以分为隔离和非隔离两种,隔离型的必定有开关变压器,而非隔离的未必一定有。
简单地说,开关电源的工作原理是:
  1.交流电源输入经整流滤波成直流;
  2.通过高频PWM(脉冲宽度调制)或者脉冲频率调制(PFM)控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上;
  3.开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载;
  4.输出部分通过一定的电路反馈给控制电路,控制PWM占空比,以达到稳定输出的目的.
     交流电源输入时一般要经过电感电容滤波器一类的东西,过滤掉电网上的干扰,同时也过滤掉电源对电网的干扰;在功率相同时,开关频率越高,开关变压器的体积就越小,但对开关管的要求就越高;开关变压器的次级可以有多个绕组或一个绕组有多个抽头,以得到需要的输出;一般还应该增加一些保护电路,比如空载、短路等保护, 否则可能会烧毁开关电源。
     以上说的就是开关电源的大致工作原理。
     其实现在已经有了集成度非常高的专用芯片,可以使外围电路非常简单,甚至做到免调试。
例如TOP系列的开关电源芯片(或称模块),只要配合一些阻容元件,和一个开关变压器,就可以做成一个基本的开关电源。
  开关电源&线性电源
  普通半桥开关电源的主要工作原理就是上桥和下桥的开关管(频率高时开关管为VMOS)轮流导通,首先电流通过上桥开关管流入,利用电感线圈的存储功能,将电能集聚在线圈中,最后关闭上桥开关管,打开下桥的开关管,电感线圈和电容持续给外部供电。然后又关闭下桥开关管,再打开上桥让电流进入,就这样重复进行,因为要轮流开关两开关管,所以称为开关电源。
     而线性电源就不一样了,由于没有开关介入,使得上水管一直在放水,如果有多的,就会漏出来,这就是我们经常看到的某些线性电源的调整管发热量很大,用不完的电能,全部转换成了热能。从这个角度来看,线性电源的转换效率就非常低了,而且热量高的时候,元件的寿命势必要下降,影响最终的使用效果 。
     开关电源和线性电源的区别主要是他们的工作方式。
  线性电源的功率调整管总是工作在放大区,流过的电流是连续的。由于调整管上损耗较大的功率,所以需要较大功率调整管并装有体积很大的散热器,发热严重,效率很低。一般在40%~60%,还得说他是很好的线性电源。线性电源的工作方式,使他从高压变低压必须有将压装置,一般的都是变压器,也有别的像KX电源,再经过整流输出直流电压。这样一来他的体积也就很大,比较笨重,效率低、发热量也大。他也有他的优点:纹波小,调整率好,对外干扰小。适合用与模拟电路,各类放大器等。
  开关电源。它的功率器件工作在开关状态,在电压调整时能量是通过电感线圈来临时贮存,这样他的损耗就小,效率也就高,对散热的要求低,但它对变压器和贮能电感也有了更高的要求,要用低损耗高磁导率的材料来做。它的变压器就是一个字小。总效率在 80%~98%,开关电源的效率高但体积小,但是和线性电源比他的纹波,电压电流调整率就有一定的折扣了 。
  业余电台等无线电通信专用电源交流电源的特殊要求:
  1、电台使用比较规范的室外天馈系统,同轴电缆屏蔽层不参与无线电收发时主要考虑电源的ESD和电源稳压部分的抗干扰能力。原因是发射时电源负载阻抗瞬时变化很大,如果处理不当会造成稳压系统取样和执行紊乱,因此须在稳压系统取样与输出间加装低通滤波器。
  2、电台使用很随意的室外天馈系统,同轴电缆屏蔽层参与无线电收发。此时此刻还需要在220V输入端加装低通滤波器抑制干扰。
  3、使用昂贵的电台,因维修费用高,须加装并联型限压电路以确保在任何时候电台得到的电压不超过额定电压25%。

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