开关电源概述详解.doc

第1章 概 论 开关电源打破了传统线性电源的稳压模式，调整管工作于开关状态，通过控制调整管（也称开关管）的开关时间来实现稳压。开关电源的优点是体积小、重量轻、功耗小、稳压范围宽，效率可高达80％～90％。由于开关管功率损耗小，散热器也随之减小。此外，开关工作频率在几十kHz甚至几百kHz，滤波电感、电容元件可用较小的容量，允许的环境温度也可以大大提高，所以被广泛地应用在各种电子产品中。本章主要介绍开关电源的基本构成、分类及工作原理，让读者对开关电源有一个初步的了解与认识。 1-1 稳压电源的比较 电子设备离不开电源，电源供给电子设备所需要的能量。电源的性能、质量直接影响着电子设备的安全可靠运行，故此，电子设备电源质量的要求也越来越高。 现有的电源主要有两大类：串联线性稳压电源（简称线性电源）和开关稳压电源（简称开关电源）。这两类电源各具特色而被广泛应用。 1.1.1 线性电源 图1-1 直流稳压电路原理框图及输出波形 线性电源通常都是由电网所提供的交流电，经过变压、整流、滤波和稳压等环节而得到，各部分电路的作用如下： 电源变压器——是将220V电网电压变换为整流电路所需要的交流电压值，少部分电路采用电容降压，比如遥控电风扇电路。 整流电路——是将交流电压变换为脉动直流电压。常用的整流电路有半波、全波和桥式整流电路。 滤波电路——是将脉动直流电压变换成较为平滑的直流电压。线性电源中常用的滤波电路有电感滤波、电容滤波和阻容滤波，最常用是电容滤波。 稳压电路——是将直流电源的输出电压稳定，基本不受电网电压或负载的影响。线性电源中常用的稳压电路有二极管稳压、串联稳压；其中，串联稳压有现成的集成电路，比如，固定电压输出的集成电路有LM78XX，LM79XX等，可调电压输出的集成电路有LM317和LM337等。 如图1-2所示为包含了市电降压、整流、滤波和电源 （b）简易实物图 图1-2 线性稳压电源1.1.2 开关电源的结构与特点 DC-DC开关电源也称DC-DC变换器，因其调整管工作在开（导通ON）与关（截止OFF）状态而得名。又因调整管主要功能是进行功率变换，故也称功率管。开关电源工作原理的实质是通过改变电路中调整管的导通时间来改变输出电压的大小，达到维持输出电压稳定的目的。 脉宽调制（PWM）变换器就是重复通/断开关，把直流电压（电流）变换成高频方波电压（电流），再经整流平滑变为直流电压输出。PWM变换器由半导体开关、整流二极管、平滑滤波电抗器和电容等基本元件组成。输入输出间需要进行电气隔离时，可以采用变压器，把高频方波电压（电流）通过变压器传送到输出侧。PWM变换器构成的基本元器件如图1-3所示。图中，为整流后不稳定的直流电压；为经过斩波的输出电压；S为开关。 图1-3 PWM变换器的基本元器件 图1-4 变换器的开关波形 由于开关频率的提高，平滑滤波电抗器，隔离变压器等磁性器件以及平滑滤波电容等都可以小型轻量化。对于PWM变换器，加在开关S两端与通过开关S的电流的波形近似为方波，如图1-4所示。占空比定义为 （1-1） 式中，为开关S通断周期，为开关S导通时间，为开关S截止时间。 对于如图1-4所示波形的变换器，控制占空比的方法有保持开关工作周期不变，控制开关导通时间的脉宽调制（PWM），以及保持导通时间不变，改变工作周期的频率调制（PFM）。但开关频率较低时，频率调制（PFM）方式需要较大的隔离变压器与输入输出滤波器，为此，开关频率要足够高。 开关电源与线性电源相比具有较多的优点，见表1-1。 表1-1 开关电源的主要优点 序号 优 点 描 述 1 功耗小，效率高 开关电源的开关管工作在开关状态，功率损耗小，效率可高达80～90％，质量好的可以达到95％甚至更高，而线性电源的效率只有50％甚至更低 2 体积小，重量轻 一、开关电源开关管工作在高频状态，只需要较小体积的变压器就能传输较大的能量； 二、开关管损耗小，散热器也随之减小或干脆不用 三、开关频率在几十kHz以上，是线性电源的1000倍，整流后的滤波效率也几乎提高1000倍，故滤波电感、电容的容量和体积都大为减小；同时，允许的环境温度也大大提高 3 适应电压范围宽 当输入电压或负载变化引起输出电压变动时，开关电源能通过调节脉冲宽度、脉冲频率或同时改变二者自适应调整，在电网电压变化较大情况下，仍能保证稳定的输出电压。故此，开关电源的稳压范围宽、稳压效果好、适用领域广 4 电路形式多样 开关电源有自激式和它激式，有调宽型和调频型，有隔离型和非隔离型等 开关电源虽然有很多优点，但也存在一些问题，影响着开关电源的生产或应用，见表1-2。