開關(guān)電源基本工作原理(一)

開關(guān)電源基本工作原理
開關(guān)K 以一定的頻率重復(fù)的接通或斷開。在開關(guān)K 接通時(shí)，輸入電源通過(guò)開關(guān)K 和濾波電路向負(fù)載提供能量；當(dāng)開關(guān)K斷開時(shí)，輸入電源便中斷了能量的供給。開關(guān)電源的示意圖如圖2-1所示。
為了使負(fù)載能夠得到連續(xù)的能量，開關(guān)電源就必須有一套儲(chǔ)能裝置，以便在開關(guān)K 接通時(shí)將一部分能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，當(dāng)開關(guān)K 斷開后再將儲(chǔ)存的能量提供給負(fù)載。圖2-1中的電感L、電容C和二級(jí)管D 組成的電路就具有這樣的功能。當(dāng)開關(guān)K 接通時(shí)，電感L 用以儲(chǔ)存能量，開關(guān)K 斷開時(shí)，儲(chǔ)存在電感L中的能量通過(guò)二級(jí)管D 釋放給負(fù)載，從而使負(fù)載得到連續(xù)而又穩(wěn)定的能量。
當(dāng)電子開關(guān)K按一定的頻率開關(guān)時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，輸出電壓越高；導(dǎo)通時(shí)間越短，輸出電壓越低。通常，開關(guān)電源就是這樣在開關(guān)頻率一定的情況下，通過(guò)調(diào)整開關(guān)時(shí)間的長(zhǎng)短�？刂戚敵鲭妷旱母叩�。目前，也有的開關(guān)電源采用開關(guān)時(shí)間長(zhǎng)短恒定，通過(guò)改變開關(guān)頻率來(lái)改變輸出電壓的高低。

圖2-1 開關(guān)電源示意圖
開關(guān)電源的形式有很多種，其中尤其以脈沖寬度調(diào)制型（PWM）最為盛行，現(xiàn)在就以此種形式的開關(guān)電源介紹以下開關(guān)電源的工作原理。
采用PWM技術(shù)的開關(guān)電源原理機(jī)構(gòu)如圖2-2所示，從電網(wǎng)將能量傳遞給負(fù)載的回路稱為主回路，其余稱為控制回路。
工頻電網(wǎng)交流電壓經(jīng)過(guò)輸入整流濾波電路，得到高波紋未調(diào)直流電壓，在經(jīng)功率轉(zhuǎn)換電路，變換成符合要求的矩形波脈動(dòng)電壓，最后經(jīng)過(guò)整流濾波電路將其平滑成連續(xù)的低波紋直流電壓。

圖2-2 PWM方式開關(guān)電源框圖
控制回路在提供高壓開關(guān)T管基極驅(qū)動(dòng)脈沖的同時(shí)，需要完成輸出電壓穩(wěn)壓的控制，而且還必須能對(duì)電源或負(fù)載提供保護(hù)。它通常由檢測(cè)比較放大電路、電壓-脈沖寬度轉(zhuǎn)換電路（V/W電路）、時(shí)鐘震蕩電路，以及自用電壓源等基本電路構(gòu)成。
對(duì)于PWM方式而言，將頻率固定的震蕩源稱為時(shí)鐘震蕩器，這種電源利用檢測(cè)電路反映輸出電壓值，通過(guò)和給定參考電壓比較并產(chǎn)生誤差信號(hào)，在經(jīng)過(guò)V/W電路調(diào)制脈沖寬度——調(diào)節(jié)輸出電壓。例如，由于某種原因（負(fù)載電流減小或電網(wǎng)電壓上升）使高頻變壓器副邊輸出電壓的平均值增大，電源輸出電壓也將隨之提高，反饋檢測(cè)電路將提高了輸出電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，并產(chǎn)生負(fù)積極性的誤差電壓，V/W電路根據(jù)該誤差電壓及時(shí)減小輸出脈寬，這樣使輸出電壓平均值減小，接近原來(lái)的數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的作用。
開關(guān)電源的分類
在電子技術(shù)和應(yīng)用飛速發(fā)展的今天, 對(duì)電子儀器和設(shè)備的要求是, 在性能上更加安全可靠, 在功能上不斷增加, 在使用上自動(dòng)化程度要越來(lái)越高, 在體積上日趨小型化。這使采用具有眾多優(yōu)點(diǎn)的開關(guān)電源就顯得更加重要。所以, 開關(guān)電源在計(jì)算機(jī)、通信、航天、彩電等方面都得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用, 發(fā)揮了巨大的作用, 這大大促進(jìn)了開關(guān)電源的發(fā)展, 從事這方面研究和生產(chǎn)的人員也在不斷地增加, 開關(guān)電源的品種和類型也越來(lái)越多。常見的開關(guān)電源的分類方法有下列幾種:
1.按激勵(lì)方式劃分 分為他激式和自激式。他激式開關(guān)電源電路中專設(shè)激勵(lì)信號(hào)振蕩器；自激式開關(guān)功率管兼作振蕩管。該形式的開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 元器件少, 可以做成低成本的開關(guān)電源。
2.按調(diào)制方式劃分 分為脈寬調(diào)制型、頻率調(diào)整型和混合調(diào)整型。脈寬調(diào)制型保持振蕩頻率保持不變, 通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖寬度來(lái)改變輸出電壓的大�。活l率調(diào)整型保持占空比保持不變(脈沖寬度保持不變) , 通過(guò)改變振蕩頻率來(lái)改變輸出電壓大��；混合調(diào)整型是脈沖寬度和振蕩頻率均可進(jìn)行調(diào)節(jié)的開關(guān)電源。
3．按開關(guān)管電流的工作方式劃分 分開關(guān)型和諧振型。開關(guān)型用開關(guān)晶體管把直流變成高頻標(biāo)準(zhǔn)方波, 其電路形式類似于他激式；諧振型用開關(guān)晶體管與LC諧振回路將直流變成標(biāo)準(zhǔn)正弦波, 其電路形式類似于自激式開關(guān)電源。
4．按開關(guān)晶體管的類型劃分 分為晶體管型和可控硅型。晶體管型采用晶體管(包括場(chǎng)效應(yīng)管)作為開關(guān)功率管；可控硅型采用可控硅作為開關(guān)功率管。這種電路的特點(diǎn)是直接輸入交流電壓, 不需要一次整流部分。
5．按儲(chǔ)能電感與負(fù)載的連接方式劃分 分串聯(lián)型和并聯(lián)型。串聯(lián)型儲(chǔ)能電感串聯(lián)在輸入與輸出電壓之間；并聯(lián)型儲(chǔ)能電感并聯(lián)在輸入與輸出電壓之間。
6．按晶體管的連接方法劃分 分為單端式、推挽式、半橋式和全橋式。單端式僅使用一個(gè)晶體管作為電路中的開關(guān)管。這種電路的特點(diǎn)是價(jià)格低、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 但輸出功率不能提高；推挽式使用兩個(gè)功率開關(guān)管, 將其連接成推挽功率放大器的形式。這種電路的特點(diǎn)是可以工作在電源電壓較低的場(chǎng)合, 一般逆變器多采用這種形式的電路, 但它的缺點(diǎn)是開關(guān)變壓器的初級(jí)必須具有中心抽頭；半橋式使用兩個(gè)功率開關(guān)管, 將其連接成半橋形式。它的特點(diǎn)是適應(yīng)于輸入電壓較高的場(chǎng)合；全橋式使用四個(gè)功率開關(guān)管,將其連接成全橋的形式。它的特點(diǎn)是輸出功率較大。
7．按電路結(jié)構(gòu)劃分 分為散件式和集成電路式。散件式整個(gè)開關(guān)電源電路都是采用分立式元器件組成的。這種電路的缺點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜；集成電路式整個(gè)開關(guān)電源電路或電路的一部分是由集成電路組成的。這種集成電路通常被稱為厚膜電路,有的厚膜集成電路中包括功率開關(guān)管, 有的.則不包括。這種形式的電源的特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、可靠性高。這種電路被廣泛地應(yīng)用于彩色電視中。
以上五花八門的開關(guān)電源品種都是站在不同的角度, 以開關(guān)電源不同的特點(diǎn)命名和劃分的。不論是激勵(lì)方法、輸出直流電壓的調(diào)節(jié)手段、儲(chǔ)能電感的連接方法、功率開關(guān)管的器件種類以及串并聯(lián)結(jié)構(gòu), 還是其他的電路形式,它們最后總可以歸結(jié)為串聯(lián)型和并聯(lián)型開關(guān)電源這兩大類[4]。
開關(guān)電源優(yōu)缺點(diǎn)
開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)
1．功耗小、效率高 開關(guān)電源結(jié)構(gòu)原理方框圖中的晶體管在激勵(lì)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下,其工作狀態(tài)處于導(dǎo)通—截止和截止—導(dǎo)通的開關(guān)狀態(tài),轉(zhuǎn)換速度很快, 頻率一般為50kHz左右。在一些技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家, 可以做到幾百或者上千kHz。晶體管V飽和導(dǎo)通時(shí),雖然電流較大,但管壓降很小;截止斷開時(shí), 雖然管壓降很大,但通過(guò)的電流幾乎為零。這就使得開關(guān)晶體管V 在其整個(gè)工作過(guò)程中的功耗很小,電源的效率可以大幅度地提高。
2．體積小、重量輕 沒(méi)有了笨重的工頻降壓變壓器。由于調(diào)整管上的耗散功率大幅度地降低, 因而省去了體積和重量都較大的散熱片。由于這兩方面的原因, 故開關(guān)電源的體積小、重量輕。
3．穩(wěn)壓范圍寬 開關(guān)電源的輸出電壓是通過(guò)激勵(lì)信號(hào)的占空比來(lái)調(diào)節(jié)的, 輸入電壓的波動(dòng)變化, 可以通過(guò)改變占空比的方式來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償, 這樣在輸入電壓變化或波動(dòng)較大時(shí), 它仍能保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。所以, 開關(guān)電源的穩(wěn)壓范圍很寬, 穩(wěn)壓效果較好。此外,改變占空比的方法有脈寬調(diào)制型、頻率調(diào)制型和混合調(diào)制型三種。這樣開關(guān)電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點(diǎn), 而且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的方法也較多較靈活,設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要和要求, 靈活選用各種形式的穩(wěn)壓方法。
4．濾波效率高,不需要較大容量的濾波電容 開關(guān)電源的工作頻率目前基本上是工作在50kHz 左右, 是線性電源的1000倍, 這使整流后的濾波效率幾乎也提高了1000倍。就是采