開關(guān)電源的分類及應(yīng)用
摘要:根據(jù)開關(guān)電源的發(fā)展及分類,對(duì)DC/DC、AC/AC變化器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和特性做以闡述,結(jié)合國(guó)內(nèi)外開關(guān)電源的兩大類變換器新技術(shù)的動(dòng)向做以探討,并敘述了開關(guān)電源的選擇。
關(guān)鍵詞:開關(guān)電源 技術(shù)動(dòng)向 應(yīng)用選型
Classification and Application of SMPS
Abstract: According to the development and classification of SMPS
the topologic construction and
characteristic of DC/DC and AC/DC converters is explained, the
developmental
tendency and application of above-mentioned converters is also
discussed.
Keywords: SMPS, Technical tendency, Applied selection
1 引言
隨著電力電子技術(shù)的告訴發(fā)展,電力電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切,而電子設(shè)備都離不開可靠的電源,進(jìn)入80年代計(jì)算機(jī)電源全面實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源化,率先完成計(jì)算機(jī)的電源換代,進(jìn)入90年代開關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域,程控交換機(jī)、通訊、電子檢測(cè)設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開關(guān)電源,更促進(jìn)了開關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展。開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù),控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率,維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源,開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(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,反而高于開關(guān)電源,這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新,使得開關(guān)電源技術(shù)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),這為開關(guān)電源提供了廣泛的發(fā)展空間。
開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向,高頻化使開關(guān)電源小型化,并使開關(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。
2 開關(guān)電源的分類
人們的開關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域是邊開發(fā)相關(guān)電力電子器件,邊開發(fā)開關(guān)變頻技術(shù),兩者相互促進(jìn)推動(dòng)著開關(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)兩類開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)和特性作以闡述。
2.1 DC/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Uo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Uo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Uo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Uo 大于或小于輸入電壓UI,
極性相反,電容傳輸。
當(dāng)今軟開關(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)%。***NemicLambda公司最新推出的一種采用軟開關(guān)技術(shù)的高頻開關(guān)電源模塊RM系列,其開關(guān)頻率為(200~300)kHz,功率密度已達(dá)到27
W/cm3,采用同步整流器(MOS-FET代替肖特基二極管),是整個(gè)電路效率提高到90%。
2.2 AC/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、大電流開關(guān)使得電源工作消耗增大,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,單項(xiàng)、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。
3 開關(guān)電源的選用
開關(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,形狀開關(guān)電源均采取EMC電磁兼容措施,因此開關(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)備或開關(guān)電源。
4 開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向
開關(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)外各大開關(guān)電源制造商都致力于同步開發(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(Mn-Zn)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,以確保開關(guān)電源的輕、小、薄。開關(guān)電源的高頻化就必然對(duì)傳統(tǒng)的PWM開關(guān)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)ZVS、ZCS的軟開關(guān)技術(shù)已成為開關(guān)電源的主流技術(shù),并大幅提高了開關(guān)電源工作效率。對(duì)于高可靠性指標(biāo),美國(guó)的開關(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)品的的可靠性大大提高。
模塊化是開關(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)。 為了彌補(bǔ)線性電源的很多不足,目前主流顯卡往往都匹配了開關(guān)電源模塊。開關(guān)電源模塊具有效率高(可達(dá)90%以上),發(fā)熱量小(或基本上不發(fā)熱)的特點(diǎn),但造價(jià)也相對(duì)于線性電源高了許多。
開關(guān)電源理論上可分為升壓工作方式(Step-up)和降壓工作方式(Step-down)兩大類,前者主要用于一些手持式設(shè)備,如隨身聽、MP3等,我們知道兩節(jié)普通電池的端電壓最高只有3.0V,若是兩節(jié)鎳氫(NiH)或鎳鎘(Ni-Cd)充電電池則端電壓最高只有2.4V,而手持設(shè)備的系統(tǒng)工作電壓通常是3.3V,于是就需要使用升壓工作方式的開關(guān)電源模塊。
近年來(lái)隨著可充電鋰離子電池價(jià)格的迅速下降,其以優(yōu)異的能量密度比逐步取代了普通電池及鎳氫等充電電池,鋰離子電池的工作電壓范圍是3.6V~4.2V,于是又需要使用降壓工作方式的開關(guān)電源模塊。
出于電腦主機(jī)實(shí)際供電情況考慮,顯卡的開關(guān)電源模塊通常均是降壓的工作方式。開關(guān)電源的核心是一個(gè)直流轉(zhuǎn)直流的芯片(英文名是DC/DC),也有的公司命名為PWM(Plus Width Modulator脈沖寬度調(diào)制器),再外接兩只場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET),及一只肖特基二極管、一只電感、數(shù)只Low ESR電容等組成的濾波回路構(gòu)成。
開關(guān)電源的基本工作原理是:PWM芯片產(chǎn)生一個(gè)寬度可調(diào)的脈沖波形,使得Q1、Q2兩只MOS管輪流導(dǎo)通。當(dāng)負(fù)載兩端的電壓Vout需要降低時(shí),MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管Q2導(dǎo)通,MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管Q1截止,外部電源供電斷開,電感釋放出能量,這時(shí)的電感就變成了電源繼續(xù)對(duì)負(fù)載供電。
隨著電感上存儲(chǔ)能量的消耗,負(fù)載兩端的電壓開始逐漸降低;當(dāng)負(fù)載兩端的電壓Vout需要升高時(shí),MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管Q1導(dǎo)通,MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管Q2截止,外部電源通過(guò)MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管Q1對(duì)電感進(jìn)行充電并達(dá)到所需的電壓值。
以此類推,在不斷地充電和放電的過(guò)程中就行成了一種穩(wěn)定的電壓,使負(fù)載兩端的電壓Vout穩(wěn)定在預(yù)先設(shè)定的值,這個(gè)理想的電壓值是由2只外接電阻的阻值之比來(lái)確定的,并可由一個(gè)理論的公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算。
此外,由于MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管工作在開關(guān)狀態(tài),導(dǎo)通時(shí)的內(nèi)阻和截止時(shí)的漏電流都較小,所以自身耗電量很小,避免了線性電源串接在電路中的電阻部分消耗大量能量的問(wèn)題。
由于此類電源模塊總是有2只MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管工作在開關(guān)狀態(tài)下輪流導(dǎo)通,開關(guān)電源的名字也由此而來(lái)。
無(wú)論是集成穩(wěn)壓器,PWM,還是MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管,它們的實(shí)物外觀上看去都差不多,看起來(lái)都是集成電路,那么如何區(qū)分線性電源模塊與開關(guān)電源模塊呢?這里告訴大家一個(gè)簡(jiǎn)單的方法,即看板子上是否有那只大大的功率電感(有的板子還不止一只),若有,則毫無(wú)疑問(wèn),肯定是開關(guān)電源,若無(wú)則是線性電源。
【上一個(gè)】 飽和電感及其在開關(guān)電源中的應(yīng)用 | 【下一個(gè)】 開關(guān)電源中電磁干擾的產(chǎn)生及其抑制 |
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