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[導讀]開關電源是利用現(xiàn)代電力電子技術,控制開關管開通和關斷的時間比率,維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源,開關電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成。隨著電力電子技術

開關電源是利用現(xiàn)代電力電子技術,控制開關管開通和關斷的時間比率,維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源,開關電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成。隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新,使得開關電源技術也在不斷地創(chuàng)新。目前,開關電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用幾乎所有的電子設備,是當今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。

開關電源產(chǎn)品廣泛應用于工業(yè)自動化控制、軍工設備、科研設備、LED照明、工控設備、通訊設備、電力設備、儀器儀表、醫(yī)療設備、半導體制冷制熱、空氣凈化器,電子冰箱,液晶顯示器,LED燈具,通訊設備,視聽產(chǎn)品,安防監(jiān)控,LED燈袋,電腦機箱,數(shù)碼產(chǎn)品和儀器類等領域。

開關電源的基本組成:

開關電源大至由主電路、控制電路、檢測電路、輔助電源四大部份組成,見圖1。

1. 主電路

沖擊電流限幅:限制接通電源瞬間輸入側(cè)的沖擊電流。

輸入濾波器:其作用是過濾電網(wǎng)存在的雜波及阻礙本機產(chǎn)生的雜波反饋回電網(wǎng)。

整流與濾波:將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電。

逆變:將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電,這是高頻開關電源的核心部分。

輸出整流與濾波:根據(jù)負載需要,提供穩(wěn)定可靠的直流電源。

2. 控制電路

一方面從輸出端取樣,與設定值進行比較,然后去控制逆變器,改變其脈寬或脈頻,使輸出穩(wěn)定,另一方面,根據(jù)測試電路提供的數(shù)據(jù),經(jīng)保護電路鑒別,提供控制電路對電源進行各種保護措施。

3. 檢測電路

提供保護電路中正在運行中各種參數(shù)和各種儀表數(shù)據(jù)。

4. 輔助電源

實現(xiàn)電源的軟件(遠程)啟動,為保護電路和控制電路(PWM等芯片)工作供電。

開關電源的工作原理:

開關電源的工作過程相當容易理解,在線性電源中,讓功率晶體管工作在線性模式,與線性電源不同的是,PWM開關電源是讓功率晶體管工作在導通和關斷的狀態(tài),在這兩種狀態(tài)中,加在功率晶體管上的伏-安乘積是很小的(在導通時,電壓低,電流大;關斷時,電壓高,電流小)/功率器件上的伏安乘積就是功率半導體器件上所產(chǎn)生的損耗。

與線性電源相比,PWM開關電源更為有效的工作過程是通過“斬波”,即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實現(xiàn)的。脈沖的占空比由開關電源的控制器來調(diào)節(jié)。一旦輸入電壓被斬成交流方波,其幅值就可以通過變壓器來升高或降低。通過增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓值。最后這些交流波形經(jīng)過整流濾波后就得到直流輸出電壓。

控制器的主要目的是保持輸出電壓穩(wěn)定,其工作過程與線性形式的控制器很類似。也就是說控制器的功能塊、電壓參考和誤差放大器,可以設計成與線性調(diào)節(jié)器相同。他們的不同之處在于,誤差放大器的輸出(誤差電壓)在驅(qū)動功率管之前要經(jīng)過一個電壓/脈沖寬度轉(zhuǎn)換單元。開關電源有兩種主要的工作方式:正激式變換和升壓式變換。盡管它們各部分的布置差別很小,但是工作過程相差很大,在特定的應用場合下各有優(yōu)點。

開關電源就是采用功率半導體器件作為開關元件,通過周期性通斷開關,控制開關元件的占空比來調(diào)整輸出電壓。開關元件以一定的時間間隔重復地接通和斷開,在開關無件接通時輸入電源Vi通過開關S和濾波電路向負載RL提供能量,當開關S斷開時,電路中的儲能裝置(L1、C2、二極管D組成的電路)向負載RL釋放在開關接通時所儲存的能量,使負載得到連續(xù)而穩(wěn)定的能量。

VO=TON/T*Vi

VO 為負載兩端的電壓平均值

TON 為開關每次接通的時間

T 為開關通斷的工作周期

由式可知,改變開關接通時間和工作周期的比例,VO間電壓平均值也隨之改變,因此,隨著負載及輸入電源電壓的變化自動調(diào)整TON和T的比例便使輸出電壓VO維持不變。改變接通時間TON和工作周期比例亦即改變脈沖的占空比,這種方法稱為“時間比率控制”(TImeRaTIonControl,縮寫為TRC)。

按TRC控制原理,有三種方式:

1. 脈沖寬度調(diào)制(PulseWithModulaTIon,縮寫為PWM)

開關周期恒定,通過改變脈沖寬度來改變占空比的方式。

2. 脈沖頻率調(diào)制(PulseFrequencyModulaTIon,縮寫為PFM)

導通脈沖寬度恒定,通過改變開關工作頻率來改變占空比的方式。

3. 混合調(diào)制

導通脈沖寬度和開關工作頻率均不固定,彼此都能改變的方式,它是以上二種方式的混合。

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