開(kāi)關(guān)電源知識(shí)大全

開(kāi)關(guān)電源就是用通過(guò)電路控制開(kāi)關(guān)管進(jìn)行高速的道通與截止.將直流電轉(zhuǎn)化為高頻率的交流電提供給變壓器進(jìn)行變壓,從而產(chǎn)生所需要的一組或多組電壓!轉(zhuǎn)華為高頻交流電的原因是高頻交流在變壓器變壓電路中的效率要比50Hz高很多.所以開(kāi)關(guān)變壓器可以做的很小,而且工作時(shí)不是很熱!成本很低.如果不將50Hz變?yōu)楦哳l那開(kāi)關(guān)電源就沒(méi)有意義。

  開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù),控制開(kāi)關(guān)晶體管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率,維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源,開(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成。開(kāi)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(zhǎng),但二者增長(zhǎng)速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上,反而高于開(kāi)關(guān)電源,這一點(diǎn)稱為成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新,使得開(kāi)關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新,這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動(dòng),這為開(kāi)關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間。

  開(kāi)關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向,高頻化使開(kāi)關(guān)電源小型化,并使開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域,特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用,推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。
  
  開(kāi)關(guān)電源大體可以分為隔離和非隔離兩種,隔離型的必定有開(kāi)關(guān)變壓器,而非隔離的未必一定有.

  開(kāi)關(guān)電源的工作原理是:
  
  1.交流電源輸入經(jīng)整流濾波成直流;
  2.通過(guò)高頻PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管,將那個(gè)直流加到開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)上;
  3.開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)感應(yīng)出高頻電壓,經(jīng)整流濾波供給負(fù)載;
  4.輸出部分通過(guò)一定的電路反饋給控制電路,控制PWM占空比,以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的.
  
  交流電源輸入時(shí)一般要經(jīng)過(guò)厄流圈一類的東西,過(guò)濾掉電網(wǎng)上的干擾,同時(shí)也過(guò)濾掉電源對(duì)電網(wǎng)的干擾;

  在功率相同時(shí),開(kāi)關(guān)頻率越高,開(kāi)關(guān)變壓器的體積就越小,但對(duì)開(kāi)關(guān)管的要求就越高;
  開(kāi)關(guān)變壓器的次級(jí)可以有多個(gè)繞組或一個(gè)繞組有多個(gè)抽頭,以得到需要的輸出;
  一般還應(yīng)該增加一些保護(hù)電路,比如空載、短路等保護(hù),否則可能會(huì)燒毀開(kāi)關(guān)電源
     
  ATX電源的主要組成部分:

  EMI濾波電路:EMI濾波電路主要作用是濾除外界電網(wǎng)的高頻脈沖對(duì)電源的干擾,同時(shí)也起到減少開(kāi)關(guān)電源本身對(duì)外界的電磁干擾,在優(yōu)質(zhì)電源中一般都有兩極EMI濾波電路。
  
  一級(jí)EMI電路:交流電源插座上焊接的是一級(jí)EMI電源濾波器電路,這是一塊獨(dú)立的電路板,是交流電輸入后所經(jīng)過(guò)的第一組電路,這個(gè)由扼流圈和電容組成的低通網(wǎng)絡(luò)能濾除電源線上的高頻雜波和同相干擾信號(hào),同時(shí)也將電源內(nèi)部的干擾信號(hào)屏蔽起來(lái),構(gòu)成了電源抗電磁干擾的第一道防線。
  
  二級(jí)EMI電路:市電進(jìn)入電源板后先通過(guò)電源保險(xiǎn)絲,然后再次經(jīng)過(guò)由電感和電容組成的第二道EMI電路以充分濾除高頻雜波,然后再經(jīng)過(guò)限流電阻進(jìn)入高壓整流濾波電路。保險(xiǎn)絲能在電源功率太大或元件出現(xiàn)短路時(shí)熔斷以保護(hù)電源內(nèi)部的元件,而限流電阻含有金屬氧化物成分,能限制瞬間的大電流,減少電源對(duì)內(nèi)部元件的電流沖擊。
  
  橋式整流器和高壓濾波:經(jīng)過(guò)EMI濾波后的市電,再經(jīng)過(guò)全橋整流和電容濾波后就變成了高壓的直流電。將輸入端的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖直流電,目前有兩種形式,一種是全橋就是把四個(gè)二極管封裝在一起,一種是用4個(gè)分立的二極管組成橋式整流電路,作用相同,效果也一樣。
  
  一般說(shuō)來(lái),在全橋附近應(yīng)該有兩個(gè)或更多的高大桶狀元件,即高壓電解電容,其作用是將脈動(dòng)的直流電濾除交流成分而輸出比較平穩(wěn)的直流電。高壓電解電容的使用與開(kāi)關(guān)電路的設(shè)計(jì)有密切關(guān)系,其容量往往是以往電源評(píng)測(cè)時(shí)的焦點(diǎn),但實(shí)際上它的容量和電源的功率毫無(wú)關(guān)系,不過(guò)增大它的容量會(huì)減小電源的紋波干擾,提高電源的電流輸出質(zhì)量。
  
  PFC電路:PFC電路稱為功率因素校正或補(bǔ)償電路,功率因素越高,電能利用率就越大。
  
  目前PFC電路有兩種方式,一種是無(wú)源式PFC,又稱被動(dòng)式PFC,一種是有源式PFC,又稱主動(dòng)式PFC。無(wú)源式PFC是通過(guò)一個(gè)工頻電感來(lái)補(bǔ)償交流輸入的基波電流與電壓的相位差,迫使電流與電壓相位一致,無(wú)源PFC效率較低,一般只有65%-70%,且所用的工頻電感又大又笨重,但由于成本低,仍有許多ATX電源采用這種方式。有源PFC是由電子元器件組成的,體積小,重量輕,通過(guò)專用的IC去調(diào)整電流波形的相位,效率大大提高,達(dá)95%以上,但由于成本較高,通常只能在高級(jí)應(yīng)用場(chǎng)合才能看到。
  
  開(kāi)關(guān)三極管與開(kāi)關(guān)變壓器:開(kāi)關(guān)電源顧名思義其核心就是開(kāi)關(guān)二字。開(kāi)關(guān)三極管和開(kāi)關(guān)變壓器是開(kāi)關(guān)電源的核心部件,通過(guò)自激式或他激式使開(kāi)關(guān)管工作在飽和、截止(即開(kāi)、關(guān))狀態(tài),從而在開(kāi)關(guān)變壓器的副繞組上感應(yīng)出高頻電壓,再經(jīng)過(guò)整流、濾波和穩(wěn)壓后輸出各種直流電壓。開(kāi)關(guān)三極管和開(kāi)關(guān)變壓器是ATX電源的核心部件,其質(zhì)量直接影響電源的好壞和使用壽命,尤其是開(kāi)關(guān)三極管,工作在高反壓狀態(tài)下,沒(méi)有足夠的保護(hù)電路,很容易擊穿燒毀。開(kāi)關(guān)管的品質(zhì)直接決定了電源的穩(wěn)定性,它也是電源中主要的發(fā)熱元件,拆開(kāi)電源后看到的主散熱片上的兩個(gè)晶體管就是開(kāi)關(guān)管。
  
  影響高頻開(kāi)關(guān)變壓器性能的因素包括鐵氧體的效率、磁芯截面積的大小和磁隙的寬度,截面積過(guò)小的變壓器容易產(chǎn)生磁飽和而無(wú)法輸出較大的功率,各個(gè)繞組的匝數(shù)直接影響輸出的電壓,通常我們無(wú)法具體的掌握這些參數(shù),所以無(wú)法準(zhǔn)確的判斷變壓器到底能輸出多大的功率,只有通過(guò)電子負(fù)載機(jī)測(cè)量才能知道,另外,開(kāi)關(guān)變壓器的輸出端雖然很多,但其中的某些輸出端使用的卻是相同的繞組,比如+3.3VDC和+5VDC就是這樣,所以當(dāng)+3.3VDC輸出最大電流時(shí)+5VDC就無(wú)法輸出很大的電流了,所以我們不能將電源各個(gè)輸出端的功率進(jìn)行簡(jiǎn)單的累加。
  
  除主變壓器外,一般電源內(nèi)還應(yīng)有兩個(gè)小變壓器,其中一個(gè)將開(kāi)關(guān)電路控制信號(hào)進(jìn)行放大以驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行工作,同時(shí)還可以將開(kāi)關(guān)管工作的高壓區(qū)和集成電路工作的低壓區(qū)進(jìn)行物理隔離。另外一個(gè)完全是一套獨(dú)立的小型開(kāi)關(guān)電源,這就是我們所說(shuō)的待機(jī)電路,其輸出的電壓為電源的主電路供電,同時(shí)通過(guò)+5VStandBy端輸出到主板來(lái)實(shí)現(xiàn)喚醒功能。
  
  低壓整流濾波電路:經(jīng)過(guò)高頻開(kāi)頭變壓器降壓后的脈動(dòng)電壓同樣要使用二極管和電容進(jìn)行整流和濾波,只是此時(shí)整流時(shí)的工作頻率很高,必須使用具有快速恢復(fù)功能的肖特基整流二極管,普通的整流二極管難當(dāng)此任,而整流部分使用的電容也不能有太大的交流阻抗,否則就無(wú)法濾除其中的高頻交流成分,因此選擇的電容不但容量要大,還要有較低的交流電阻才行,此外還能見(jiàn)到1、2個(gè)體積碩大的帶磁心的電感線圈,與濾波電容一起濾除高頻的交流成分,保證輸出純凈的直流電。
  
  由于低壓整流端需要輸出很大的電流,所以整流二極管同樣會(huì)產(chǎn)生大量的熱量,這些二極管與前面的開(kāi)關(guān)管都需要單獨(dú)的散熱片進(jìn)行散熱,電源中另一個(gè)散熱片上所固定的就是這些元件。從這些元件輸出的就是各種不同電壓的輸出電流了。
  
  穩(wěn)壓和保護(hù)電路:穩(wěn)壓電路通常是從電源輸出端的輸出電壓取樣出部分電壓與標(biāo)準(zhǔn)電壓作比較,比較出的差值經(jīng)過(guò)放大后去驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)三極管,調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的占空比,從而達(dá)到電壓的穩(wěn)定。保護(hù)電路的作用是通過(guò)檢測(cè)各端輸出電壓或電流的變化,當(dāng)輸出端發(fā)生短路、過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)載、欠壓等到現(xiàn)象時(shí),保護(hù)電路動(dòng)作,切斷開(kāi)關(guān)管的激勵(lì)信號(hào),使開(kāi)關(guān)管停振,輸出電壓和電流為零,起到保護(hù)作用。

  開(kāi)關(guān)電源的分類:

  人們?cè)?a href="http://m.20909g.com" target=_blank>開(kāi)關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域是邊開(kāi)發(fā)相關(guān)電力電子器件,邊開(kāi)發(fā)開(kāi)關(guān)變頻技術(shù),兩者相互促進(jìn)推動(dòng)著開(kāi)關(guān)電源每年以超過(guò)兩位數(shù)字的增長(zhǎng)率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開(kāi)關(guān)電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類,DC/DC變換器現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)模塊化,且設(shè)計(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國(guó)內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化,并已得到用戶的認(rèn)可,但AC/DC的模塊化,因其自身的特性使得在模塊化的進(jìn)程中,遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問(wèn)題。以下分別對(duì)兩類開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)和特性作以闡述。
  
  2.1DC/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(dāng)今軟開(kāi)關(guān)技術(shù)使得DC/DC發(fā)生了質(zhì)的飛躍,美國(guó)VICOR公司設(shè)計(jì)制造的多種ECI軟開(kāi)關(guān)DC/DC變換器,其最大輸出功率有300W、600W、800W等,相應(yīng)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(kāi)關(guān)技術(shù)的高頻開(kāi)關(guān)電源模塊RM系列,其開(kāi)關(guān)頻率為(200~300)kHz,功率密度已達(dá)到27W/cm3,采用同步整流器(MOSFET代替肖特基二極管),使整個(gè)電路效率提高到90%。
  
  2.2AC/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(fù)載的稱為“整流”,功率流由負(fù)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(duì)較大的濾波電容器是必不可少的,同時(shí)因遇到安全標(biāo)準(zhǔn)(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(biāo)準(zhǔn)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(kāi)關(guān)動(dòng)作,使得解決EMC電磁兼容問(wèn)題難度加大,也就對(duì)內(nèi)部高密度安裝電路設(shè)計(jì)提出了很高的要求,由于同樣的原因,高電壓、大電流開(kāi)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(jìn)程,因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法才能使其工作效率達(dá)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(kāi)關(guān)電源的選用:

  開(kāi)關(guān)電源在輸入抗干擾性能上,由于其自身電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)(多級(jí)串聯(lián)),一般的輸入干擾如浪涌電壓很難通過(guò),在輸出電壓穩(wěn)定度這一技術(shù)指標(biāo)上與線性電源相比具有較大的優(yōu)勢(shì),其輸出電壓穩(wěn)定度可達(dá)(0.5~1)%。開(kāi)關(guān)電源模塊作為一種電力電子集成器件,在選用中應(yīng)注意以下幾點(diǎn): 
 
  3.1輸出電流的選擇

  因開(kāi)關(guān)電源工作效率高,一般可達(dá)到80%以上,故在其輸出電流的選擇上,應(yīng)準(zhǔn)確測(cè)量或計(jì)算用電設(shè)備的最大吸收電流,以使被選用的開(kāi)關(guān)電源具有高的性能價(jià)格比,通常輸出計(jì)算公式為:

  Is=KIf
  式中:Is—開(kāi)關(guān)電源的額定輸出電流;
  If—用電設(shè)備的最大吸收電流;
  K—裕量系數(shù),一般取1.5~1.8;
  
  3.2接地

  開(kāi)關(guān)電源比線性電源會(huì)產(chǎn)生更多的干擾,對(duì)共模干擾敏感的用電設(shè)備,應(yīng)采取接地和屏蔽措施,按ICE1000、EN61000、FCC等EMC限制,開(kāi)關(guān)電源均采取EMC電磁兼容措施,因此開(kāi)關(guān)電源一般應(yīng)帶有EMC電磁兼容濾波器。如利德華福技術(shù)的HA系列開(kāi)關(guān)電源,將其FG端子接大地或接用戶機(jī)殼,方能滿足上述電磁兼容的要求。
  
  3.3保護(hù)電路

  開(kāi)關(guān)電源在設(shè)計(jì)中必須具有過(guò)流、過(guò)熱、短路等保護(hù)功能,故在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首選保護(hù)功能齊備的開(kāi)關(guān)電源模塊,并且其保護(hù)電路的技術(shù)參數(shù)應(yīng)與用電設(shè)備的工作特性相匹配,以避免損壞用電設(shè)備或開(kāi)關(guān)電源
  
  開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向:
  
  開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。由于開(kāi)關(guān)電源輕、小、薄的關(guān)鍵技術(shù)是高頻化,因此國(guó)外各大開(kāi)關(guān)電源制造商都致力于同步開(kāi)發(fā)新型高智能化的元器件,特別是改善二次整流器件的損耗,并在功率鐵氧體(MnZn)材料上加大科技創(chuàng)新,以提高在高頻率和較大磁通密度(Bs)下獲得高的磁性能,而電容器的小型化也是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

  SMT技術(shù)的應(yīng)用使得開(kāi)關(guān)電源取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展,在電路板兩面布置元器件,以確保開(kāi)關(guān)電源的輕、小、薄。開(kāi)關(guān)電源的高頻化就必然對(duì)傳統(tǒng)的PWM開(kāi)關(guān)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)ZVS、ZCS的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)已成為開(kāi)關(guān)電源的主流技術(shù),并大幅提高了開(kāi)關(guān)電源的工作效率。對(duì)于高可靠性指標(biāo),美國(guó)的開(kāi)關(guān)電源生產(chǎn)商通過(guò)降低運(yùn)行電流,降低結(jié)溫等措施以減少器件的應(yīng)力,使得產(chǎn)品的可靠性大大提高。

  模塊化是開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的總體趨勢(shì),可以采用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng),可以設(shè)計(jì)成N+1冗余電源系統(tǒng),并實(shí)現(xiàn)并聯(lián)方式的容量擴(kuò)展。針對(duì)開(kāi)關(guān)電源運(yùn)行噪聲大這一缺點(diǎn),若單獨(dú)追求高頻化其噪聲也必將隨著增大,而采用部分諧振轉(zhuǎn)換電路技術(shù),在理論上即可實(shí)現(xiàn)高頻化又可降低噪聲,但部分諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用仍存在著技術(shù)問(wèn)題,故仍需在這一領(lǐng)域開(kāi)展大量的工作,以使得該項(xiàng)技術(shù)得以實(shí)用化。

  電力電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新,使開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。要加快我國(guó)開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度,就必須走技術(shù)創(chuàng)新之路,走出有中國(guó)特色的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合發(fā)展之路,為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展做出貢獻(xiàn)。


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