開關電源是什么?
目前主要包括兩種電源類型:線性電源(linear)和開關電源(switching)。線性電源的工作原理是首先將127 V或者220 V市電通過變壓器轉為低壓電,比如說12V,而且經(jīng)過轉換后的低壓依然是AC交流電;然后再通過一系列的二極管進行矯正和整流,并將低壓AC交流電轉化為脈動電壓;下一步需要對脈動電壓進行濾波,通過電容完成,然后將經(jīng)過濾波后的低壓交流電轉換成DC直流電;此時得到的低壓直流電依然不夠純凈,會有一定的波動(這種電壓波動就是我們常說的紋波),所以還需要穩(wěn)壓二極管或者電壓整流電路進行矯正。最后,我們就可以得到純凈的低壓DC直流電輸出了。盡管說線性電源非常適合為低功耗設備供電,比如說無繩電話、PlayStaTIon/Wii/Xbox等游戲主機等等,但是對于高功耗設備而言,線性電源將會力不從心。
對于線性電源而言,其內部電容以及變壓器的大小和AC市電的頻率成反比:也即說如果輸入市電的頻率越低時,線性電源就需要越大的電容和變壓器,反之亦然。由于當前一直采用的是60Hz(有些國家是50Hz)頻率的AC市電,這是一個相對較低的頻率,所以其變壓器以及電容的個頭往往都相對比較大。此外,AC市電的浪涌越大,線性電源的變壓器的個頭就越大。開關電源可以通過高頻開關模式很好的解決這一問題。對于高頻開關電源而言,AC輸入電壓可以在進入變壓器之前升壓(升壓前一般是50-60 KHz)。隨著輸入電壓的升高,變壓器以及電容等元器件的個頭就不用像線性電源那么的大。這種高頻開關電源正是我們的個人PC以及像VCR錄像機這樣的設備所需要的。需要說明的是,我們經(jīng)常所說的“開關電源”其實是“高頻開關電源”的縮寫形式,和電源本身的關閉和開啟式?jīng)]有任何關系的。
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(qū))及全閉模式(截止區(qū))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(jié)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(wěn)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(qū),本身也會消耗電能。開關電源的高轉換效率是其一大優(yōu)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,若切換電流尚未加以處理,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(shù)可能不高。
現(xiàn)代開關電源有兩種:一種是直流開關電源;另一種是交流開關電源。這里主要介紹的只是直流開關電源,其功能是將電能質量較差的原生態(tài)電源(粗電),如市電電源或蓄電池電源,轉換成滿足設備要求的質量較高的直流電壓(精電)。直流開關電源的核心是DC/DC轉換器。因此直流開關電源的分類是依賴DC/DC轉換器分類的。也就是說,直流開關電源的分類與DC/DC轉換器的分類是基本相同的,DC/DC轉換器的分類基本上就是直 流開關電源的分類。直流DC/DC轉換器按輸入與輸出之間是否有電氣隔離可以分為兩類:一類是有隔離的稱為隔離式DC/DC轉換器;另一類是沒有隔離的稱為非隔離 式DC/DC轉換器。
那么為什么要用開關電源呢?普通的變壓器變一變,整一整不就好了嗎?怎么還需要開關電源?這個問題可以有很多個角度去看,簡單的從可以降低成本來的角度來說一說吧,應該會比較有趣一些。
假設一個設備是5KW的功率,額定電壓是直流48V,用普通的市電50Hz變壓器去變換,變壓器要很大,整流后,要維持電源的輸出電壓穩(wěn)定,還需要配置個很大的直流電容,為什么變壓器和電容都要大呢?而如果是開關電源去供應,變壓器和電容可以非常小,為什么可以非常小呢?下面舉例說明。
我們知道市電是50Hz,變換電壓后給設備供電,可以想象為是有個人在干活,提著桶不斷的進行運輸,但是他活干的比較慢,一分鐘只能提50桶;那么他的桶是不是要大些才能滿足需求?
開關電源的功率器件也就是我們上們說的電子開關,它的開關頻率是幾KHz到二十KHz,可以想象是有個人干活手速非常非常快,一分鐘可以提幾千桶到二萬桶,也就是說假設是一分鐘二萬桶,那他的桶可以只是上面那個人的四百分一的大小。這樣來看如果上面那個人提的真的是桶的話,那么下面這個人拿個勺子就行了。