通常我們都知道，在電源電路設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中離不開(kāi)開(kāi)關(guān)電源和線性電源，那二者的區(qū)別是什么吶?開(kāi)關(guān)電源是將交流電先整流成直流電，在將直流逆變成交流電，在整流輸出成所需要的直流電壓。這樣開(kāi)關(guān)電源省去下線性電源中的變壓器，以及電壓反饋電路。而開(kāi)關(guān)電源中的逆變電路完全是數(shù)字調(diào)整，同樣能達(dá)到非常高的調(diào)整精度。線性電源是先將交流電經(jīng)過(guò)變壓器變壓，再經(jīng)過(guò)整流電路整流濾波得到未穩(wěn)定的直流電壓，要達(dá)到高精度的直流電壓，必須經(jīng)過(guò)電壓反饋調(diào)整輸出電壓，這種電源技術(shù)很成熟，可以達(dá)到很高的穩(wěn)定度，波紋也很小，而且沒(méi)有開(kāi)關(guān)電源具有的干擾與噪音。

一、線性電源的原理

線性電源主要包括工頻變壓器、輸出整流濾波器、控制電路、保護(hù)電路等。

圖1

線性電源是先將交流電經(jīng)過(guò)變壓器變壓，再經(jīng)過(guò)整流電路整流濾波得到未穩(wěn)定的直流電壓，要達(dá)到高精度的直流電壓，必須經(jīng)過(guò)電壓反饋調(diào)整輸出電壓，這種電源技術(shù)很成熟，可以達(dá)到很高的穩(wěn)定度，波紋也很小，而且沒(méi)有開(kāi)關(guān)電源具有的干擾與噪音。但是它的缺點(diǎn)是需要龐大而笨重的變壓器，所需的濾波電容的體積和重量也相當(dāng)大，而且電壓反饋電路是工作在線性狀態(tài)，調(diào)整管上有一定的電壓降，在輸出較大工作電流時(shí)，致使調(diào)整管的功耗太大，轉(zhuǎn)換效率低，還要安裝很大的散熱片。這種電源不適合計(jì)算機(jī)等設(shè)備的需要，將逐步被開(kāi)關(guān)電源所取代。

二、開(kāi)關(guān)電源的原理：

開(kāi)關(guān)電源主要包括輸入電網(wǎng)濾波器、輸入整流濾波器、逆變器、輸出整流濾波器、控制電路、保護(hù)電路。

圖2

它們的功能是：

1.輸入電網(wǎng)濾波器：消除來(lái)自電網(wǎng)，如電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、電器的開(kāi)關(guān)、雷擊等產(chǎn)生的干擾，同時(shí)也防止開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的高頻噪聲向電網(wǎng)擴(kuò)散。

2.輸入整流濾波器：將電網(wǎng)輸入電壓進(jìn)行整流濾波，為變換器提供直流電壓。

3.逆變器：是開(kāi)關(guān)電源的關(guān)鍵部分。它把直流電壓變換成高頻交流電壓，并且起到將輸出部分與輸入電網(wǎng)隔離的作用。

4.輸出整流濾波器：將變換器輸出的高頻交流電壓整流濾波得到需要的直流電壓，同時(shí)還防止高頻噪聲對(duì)負(fù)載的干擾。

5.控制電路：檢測(cè)輸出直流電壓，并將其與基準(zhǔn)電壓比較，進(jìn)行放大。調(diào)制振蕩器的脈沖寬度，從而控制變換器以保持輸出電壓的穩(wěn)定。

6.保護(hù)電路：當(dāng)開(kāi)關(guān)電源發(fā)生過(guò)電壓、過(guò)電流短路時(shí)，保護(hù)電路使開(kāi)關(guān)電源停止工作以保護(hù)負(fù)載和電源本身。

開(kāi)關(guān)電源的主要優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕(體積和重量只有線性電源的20～30%)、效率高(一般為60～70%，而線性電源只有30～40%)、自身抗干擾性強(qiáng)、輸出電壓范圍寬、模塊化。

開(kāi)關(guān)電源的主要缺點(diǎn)：由于逆變電路中會(huì)產(chǎn)生高頻電壓，對(duì)周圍設(shè)備有一定的干擾。需要良好的屏蔽及接地。

交流電經(jīng)過(guò)整流，可以得到直流電。但是，由于交流電壓及負(fù)載電流的變化，整流后得到的直流電壓通常會(huì)造成20%到40%的電壓變化。為了得到穩(wěn)定的直流電壓，必須采用穩(wěn)壓電路來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。按照實(shí)現(xiàn)方法的不同，穩(wěn)壓電源可分為三種：線性穩(wěn)壓電源、相控穩(wěn)壓電源、開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。其中開(kāi)關(guān)電源代表低碳環(huán)保和先進(jìn)電源的發(fā)展趨勢(shì)。

常用的低壓直流開(kāi)關(guān)電源就是將220V交流電經(jīng)過(guò)EMI濾波器后直接整流成300V左右的直流電，通過(guò)電路控制開(kāi)關(guān)管進(jìn)行高速的道通與截止再轉(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，而后再整流成所需要電壓的直流電。轉(zhuǎn)化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，所以主變壓器可以做的很小，且使用磁芯,它工作時(shí)也不是很熱;另外，在高頻下，貯存能量和濾波電容和電感要比50Hz 下小很多，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)變壓器也不神秘，就是一個(gè)普通的磁芯變壓器!這就是開(kāi)關(guān)電源。

開(kāi)關(guān)電源，是通過(guò)電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，主要環(huán)節(jié)：整流成直流電——逆變成所需電壓的交流電(主要來(lái)調(diào)整電壓)——再經(jīng)過(guò)整流成直流電壓輸出。

開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)中由于中間沒(méi)有笨重的變壓器和散熱片，因而體積非常小。同時(shí)，開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部都是電子元件，效率高、發(fā)熱小。雖然，具有電磁干擾大等缺點(diǎn)，但現(xiàn)在歐美日本土銷售和中國(guó)制造但沒(méi)有偷工減料的開(kāi)關(guān)電源抗電磁干擾濾波器和屏蔽技術(shù)已經(jīng)非常到位。

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。

簡(jiǎn)單地說(shuō),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)或者脈沖頻率調(diào)制(PFM)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)電感電容濾波器一類的東西，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。

以上說(shuō)的就是開(kāi)關(guān)電源的大致工作原理。

其實(shí)現(xiàn)在已經(jīng)有了集成度非常高的專用芯片，可以使外圍電路非常簡(jiǎn)單，甚至做到免調(diào)試。

例如TOP系列的開(kāi)關(guān)電源芯片(或稱模塊)，只要配合一些阻容元件，和一個(gè)開(kāi)關(guān)變壓器，就可以做成一個(gè)基本的開(kāi)關(guān)電源。

開(kāi)關(guān)電源&線性電源

普通半橋開(kāi)關(guān)電源的主要工作原理就是上橋和下橋的開(kāi)關(guān)管(頻率高時(shí)開(kāi)關(guān)管為VMOS)輪流導(dǎo)通，首先電流通過(guò)上橋開(kāi)關(guān)管流入，利用電感線圈的存儲(chǔ)功能，將電能集聚在線圈中，最后關(guān)閉上橋開(kāi)關(guān)管，打開(kāi)下橋的開(kāi)關(guān)管，電感線圈和電容持續(xù)給外部供電。然后又關(guān)閉下橋開(kāi)關(guān)管，再打開(kāi)上橋讓電流進(jìn)入，就這樣重復(fù)進(jìn)行，因?yàn)橐喠鏖_(kāi)關(guān)兩開(kāi)關(guān)管，所以稱為開(kāi)關(guān)電源。

而線性電源就不一樣了，由于沒(méi)有開(kāi)關(guān)介入，使得上水管一直在放水，如果有多的，就會(huì)漏出來(lái)，這就是我們經(jīng)常看到的某些線性電源的調(diào)整管發(fā)熱量很大，用不完的電能，全部轉(zhuǎn)換成了熱能。從這個(gè)角度來(lái)看，線性電源的轉(zhuǎn)換效率就非常低了，而且熱量高的時(shí)候，元件的壽命勢(shì)必要下降，影響最終的使用效果 。

開(kāi)關(guān)電源和線性電源的區(qū)別主要是他們的工作方式。

線性電源的功率調(diào)整管總是工作在放大區(qū)，流過(guò)的電流是連續(xù)的。由于調(diào)整管上損耗較大的功率，所以需要較大功率調(diào)整管并裝有體積很大的散熱器，發(fā)熱嚴(yán)重，效率很低。一般在40%~60%，還得說(shuō)他是很好的線性電源。線性電源的工作方式，使他從高壓變低壓必須有將壓裝置，一般的都是變壓器，也有別的像KX電源，再經(jīng)過(guò)整流輸出直流電壓。這樣一來(lái)他的體積也就很大，比較笨重，效率低、發(fā)熱量也大。他也有他的優(yōu)點(diǎn)：紋波小，調(diào)整率好，對(duì)外干擾小。適合用與模擬電路，各類放大器等。

開(kāi)關(guān)電源。它的功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，在電壓調(diào)整時(shí)能量是通過(guò)電感線圈來(lái)臨時(shí)貯存，這樣他的損耗就小，效率也就高，對(duì)散熱的要求低，但它對(duì)變壓器和貯能電感也有了更高的要求，要用低損耗高磁導(dǎo)率的材料來(lái)做。它的變壓器就是一個(gè)字小?？傂试? 80%～98%，開(kāi)關(guān)電源的效率高但體積小，但是和線性電源比他的紋波，電壓電流調(diào)整率就有一定的折扣了 。

業(yè)余電臺(tái)等無(wú)線電通信專用電源交流電源的特殊要求：

1、電臺(tái)使用比較規(guī)范的室外天饋系統(tǒng)，同軸電纜屏蔽層不參與無(wú)線電收發(fā)時(shí)主要考慮電源的ESD和電源穩(wěn)壓部分的抗干擾能力。原因是發(fā)射時(shí)電源負(fù)載阻抗瞬時(shí)變化很大，如果處理不當(dāng)會(huì)造成穩(wěn)壓系統(tǒng)取樣和執(zhí)行紊亂，因此須在穩(wěn)壓系統(tǒng)取樣與輸出間加裝低通濾波器。

2、電臺(tái)使用很隨意的室外天饋系統(tǒng)，同軸電纜屏蔽層參與無(wú)線電收發(fā)。此時(shí)此刻還需要在220V輸入端加裝低通濾波器抑制干擾。

3、使用昂貴的電臺(tái)，因維修費(fèi)用高，須加裝并聯(lián)型限壓電路以確保在任何時(shí)候電臺(tái)得到的電壓不超過(guò)額定電壓25%。

開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的各項(xiàng)指標(biāo)概念和定義

一. 描述輸入電壓影響輸出電壓的幾個(gè)指標(biāo)形式

1. 絕對(duì)穩(wěn)壓系數(shù)

A.絕對(duì)穩(wěn)壓系數(shù)：表示負(fù)載不變時(shí)，穩(wěn)壓電源輸出直流變化量△U0 與輸入電網(wǎng)變化量△Ui 之比。即：K= U0/ Ui 。

B.相對(duì)穩(wěn)壓系數(shù)：表示負(fù)載不變時(shí)，穩(wěn)壓器輸出直流電壓 Uo 的相對(duì)變化量△Uo 與輸出電網(wǎng) Ui 的相對(duì)變化量△Ui之比。即：S= Uo/Uo / Ui/Ui

2. 電網(wǎng)調(diào)整率

它表示輸入電網(wǎng)電壓由額定值變化±10%時(shí)，穩(wěn)壓電源輸出電壓的相對(duì)變化量，有時(shí)也以絕對(duì)值表示。

3. 電壓穩(wěn)定度

負(fù)載電流保持為額定范圍內(nèi)的任何值，輸入電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)變化所引起的輸出電壓相對(duì)變化△Uo/Uo(百分值)，稱為穩(wěn)壓器的電壓穩(wěn)定度。

二. 負(fù)載對(duì)輸出電壓影響的幾種指標(biāo)形式

1. 負(fù)載調(diào)整率(也稱電流調(diào)整率)

在額定電網(wǎng)電壓下，負(fù)載電流從零變化到最大時(shí)，輸出電壓的最大相對(duì)變化量，常用百分?jǐn)?shù)表示，有時(shí)也用絕對(duì)變化量表示。

2. 輸出電阻(也稱等效內(nèi)阻或內(nèi)阻)

在額定電網(wǎng)電壓下，由于負(fù)載電流變化△IL 引起輸出電壓變化△Uo，則輸出電阻為Ro=| Uo/ IL| 歐。

三. 紋波電壓的幾個(gè)指標(biāo)形式

1. 最大紋波電壓

在額定輸出電壓和負(fù)載電流下，輸出電壓的紋波(包括噪聲)的絕對(duì)值的大小，通常以峰峰值或有效值表示。

2. 紋波系數(shù) Y(%)

在額定負(fù)載電流下，輸出紋波電壓的有效值Urms與輸出直流電壓Uo之比，即：y=Umrs/Uo x100%

3. 紋波電壓抑制比

在規(guī)定的紋波頻率(例如 50HZ)下，輸出電壓中的紋波電壓 Ui~與輸出電壓中的紋波電壓 Uo~之比，即：紋波電壓抑制比=Ui~/Uo~ 。

這里聲明一下：噪聲不同于紋波。紋波是出現(xiàn)在輸出端子間的一種與輸入頻率和開(kāi)關(guān)頻率同步的成分，用峰-峰(peak to peak)值表示，一般在輸出電壓的 0.5%以下;噪聲是出現(xiàn)在輸出端子間的紋波以外的一種高頻成分，也用峰-峰(peak to peak)值表示，一般在輸出電壓的 1%左右。紋波噪聲是二者的合成，用峰-峰(peak to peak)值表示，一般在輸出電壓的 2%以下。

四. 沖擊電流

沖擊電流是指輸入電壓按規(guī)定時(shí)間間隔接通或斷開(kāi)時(shí)，輸入電流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)前所通過(guò)的最大瞬間電流。一般是 20A～30A。

五. 過(guò)流保護(hù)

是一種電源負(fù)載保護(hù)功能，以避免發(fā)生包括輸出端子上的短路在內(nèi)的過(guò)負(fù)載輸出電流對(duì)電源和負(fù)載的損壞。過(guò)流的給定值一般是額定電流的 110%～130%。

六. 過(guò)壓保護(hù)

是一種對(duì)端子間過(guò)大電壓進(jìn)行負(fù)載保護(hù)的功能。一般規(guī)定為輸出電壓的 130%～150%。

七. 輸出欠壓保護(hù)

當(dāng)輸出電壓在標(biāo)準(zhǔn)值以下時(shí)，檢測(cè)輸出電壓下降或?yàn)楸Ｗo(hù)負(fù)載及防止誤操作而停止電源并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，多為輸出電壓的 80%～30%左右。

八. 過(guò)熱保護(hù)

在電源內(nèi)部發(fā)生異常或因使用不當(dāng)而使電源溫升超標(biāo)時(shí)停止電源的工作并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

九. 溫度漂移和溫度系數(shù)

溫度漂移：環(huán)境溫度的變化影響元器件的參數(shù)的變化，從而引起穩(wěn)壓器輸出電壓變化。常用溫度系數(shù)表示溫度漂移的大小。絕對(duì)溫度系數(shù)：溫度變化1℃引起輸出電壓值的變化△UoT，單位是 V/℃或毫伏每攝氏度。相對(duì)溫度系數(shù)：溫度變化1℃引起輸出電壓相對(duì)變化△UoT/Uo，單位是 V/℃。

十. 漂移

穩(wěn)壓器在輸入電壓、負(fù)載電流和環(huán)境溫度保持一定的情況下，元件參數(shù)的穩(wěn)定性也會(huì)造成輸出電壓的變化，慢變化叫漂移，快變化叫噪聲，介于兩者之間叫起伏。

表示漂移的方法有兩種：

1. 在指定的時(shí)間內(nèi)輸出電壓值的變化△Uot。

2. 在指定時(shí)間內(nèi)輸出電壓的相對(duì)變化△Uot/Uo。

考察漂移的時(shí)間可以定為 1 分鐘、10 分鐘、1 小時(shí)、8 小時(shí)或更長(zhǎng)。只在精度較高的穩(wěn)壓器中，才有溫度系數(shù)和溫漂兩項(xiàng)指標(biāo)。

十一. 響應(yīng)時(shí)間

是指負(fù)載電流突然變化時(shí)，穩(wěn)壓器的輸出電壓從開(kāi)始變化到達(dá)新的穩(wěn)定值的一段調(diào)整時(shí)間。在直流穩(wěn)壓器中，則是用在矩形波負(fù)載電流時(shí)的輸出電壓波形來(lái)表示這個(gè)特性，稱為過(guò)度特性。

十二. 失真

這是交流穩(wěn)壓器特有的。是指輸出波形不是正 波形，產(chǎn)生波形畸變，稱為畸變。

十三. 噪聲

按 30HZ～18kHZ 的可聽(tīng)頻率規(guī)定，這對(duì)開(kāi)關(guān)電源的轉(zhuǎn)換頻率不成問(wèn)題，但對(duì)帶風(fēng)扇的電源要根據(jù)需要加以規(guī)定。

十四.輸入噪聲

為使開(kāi)關(guān)電源工作保持正常狀態(tài)，要根據(jù)額定輸入條件，按由允許輸入外并疊加于工業(yè)用頻率的脈沖狀電壓(0～peak)制定輸入噪聲指標(biāo)。一般外加脈沖寬度為 100～800us，外加電壓 1000V。

十五. 浪涌

這是在輸入電壓，以 1 分鐘以上的間隔按規(guī)定次數(shù)加一種浪涌電壓，以避免發(fā)生絕緣破壞、閃絡(luò)、電弧等異?，F(xiàn)象。通信設(shè)備等規(guī)定的數(shù)值為數(shù)千伏，一般為 1200V。

十六. 靜電噪聲

指在額定輸入條件下，外加到電源框體的任意部分時(shí)，全輸出電路能保持正常工作狀態(tài)的一種重復(fù)脈沖狀的靜電。一般保證 5～10KV 以內(nèi)。

十七. 穩(wěn)定度

允許使用條件下，輸出電壓最大相對(duì)變化△Uo/Uo 。

十八. 電氣安全要求(GB 4943-90)

1. 電源結(jié)構(gòu)的安全要求

1) 空間要求。UL、CSA、VDE 安全規(guī)范強(qiáng)調(diào)了在帶電部分之間和帶電部分與非帶電金屬部分之間的表面、空間的距離要求。UL、CSA 要求：極間電壓大于等于 250VAC 的高壓導(dǎo)體之間，以及高壓導(dǎo)體與非帶電金屬部分之間(這里不包括導(dǎo)線間)，無(wú)論在表面間還是在空間，均應(yīng)有 0.1 英寸的距離;VDE 要求交流線之間有 3mm 的徐變或2mm 的凈空隙;IEC 要求：交流線間有 3mm 的凈空間隙及在交流線與接地導(dǎo)體間的 4mm 的凈空間隙。另外，VDE、IEC 要求在電源的輸出和輸入之間，至少有 8mm 的空間間距。

2) 電介質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法(打高壓：輸入與輸出、輸入和地、輸入 AC 兩級(jí)之間)。

3) 漏電流測(cè)量。漏電流是流經(jīng)輸入側(cè)地線的電流，在開(kāi)關(guān)電源中主要是通過(guò)靜噪濾波器的旁路電容器泄露電流。UL、CSA 均要求暴露的不帶電的金屬部分均應(yīng)與大地相接，漏電流測(cè)量是通過(guò)將這些部分與大地之間接一個(gè) 1.5K歐的電阻，其漏電流應(yīng)該不大于 5 毫安。VDE 允許：用 1.5K 歐的電阻與 150nP 電容并接。并施加 1.06 倍額定使用電壓，對(duì)數(shù)據(jù)處理設(shè)備，漏電流應(yīng)不大于 3.5 毫安。一般是 1 毫安左右。

4) 絕緣電阻測(cè)試。

VDE 要求：輸入和低電壓輸出電路之間應(yīng)有 7M 歐的電阻，在可接觸到的金屬部分和輸入之間，應(yīng)有 2M 歐的電阻或加 500V 直流電壓持續(xù) 1 分鐘。

5) 印制電路板要求。要求是 UL 認(rèn)證的 94V-2 材料或比此更好的材料。

2. 對(duì)電源變壓器結(jié)構(gòu)的安全要求

1) 變壓器的絕緣。變壓器的繞組使用的銅線應(yīng)為漆包線，其他金屬部分應(yīng)涂有瓷、漆等絕緣物質(zhì)。

2) 變壓器的介電強(qiáng)度。在實(shí)驗(yàn)中不應(yīng)出現(xiàn)絕緣層破裂和飛弧現(xiàn)象。

3) 變壓器的絕緣電阻。變壓器繞組間的絕緣電阻至少為 10M 歐，在繞組與磁心、骨架、屏蔽層間施加 500 伏直流電壓，持續(xù) 1 分鐘，不應(yīng)出現(xiàn)擊穿、飛弧現(xiàn)象。

4) 變壓器濕度電阻。變壓器必須在放置于潮濕的環(huán)境之后，立即進(jìn)行絕緣電阻和介電強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，并滿足要求。潮濕環(huán)境一般是：相對(duì)濕度為 92%(公差為 2%)，溫度穩(wěn)定在 20 到 30 攝氏度之間，誤差允許 1%，需在內(nèi)放置至少48 小時(shí)之后，立即進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)。此時(shí)變壓器的本身溫度不應(yīng)該較進(jìn)入潮濕環(huán)境之前測(cè)試高出 4 攝氏度。

5) VDE 關(guān)于變壓器溫度特性的要求。

6) UL、CSA 關(guān)于變壓器溫度特性的要求。

3.　功率因數(shù)校正要求

為減少開(kāi)關(guān)電源對(duì)電網(wǎng)的污染，國(guó)際電工委員會(huì)和一些國(guó)家與地區(qū)推出了IEC1000-3-2和EN61000-3-2等標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電流諧波作出了限量規(guī)定。為滿足輸入電流諧波限制要求，最有效的技術(shù)手段就有源功率因數(shù)校正(有源PFC)。