鉅大LARGE | 點擊量:892次 | 2020年04月03日
開關(guān)電源知識詳解
開關(guān)模式電源(SwitchModepowerSupply,簡稱SMpS),又稱交換式電源、開關(guān)變換器,是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置,是電源供應(yīng)器的一種。其功能是將一個位準的電壓,透過不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為用戶端所需求的電壓或電流。開關(guān)電源的輸入多半是交流電源(例如市電)或是直流電源,而輸出多半是要直流電源的設(shè)備,例如個人電腦,而開關(guān)電源就進行兩者之間電壓及電流的轉(zhuǎn)換。
開關(guān)電源不同于線性電源,開關(guān)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(zhuǎn)換會有較高的耗散,但時間很短,因此比較節(jié)省能源,產(chǎn)生廢熱較少。理想上,開關(guān)電源本身是不會消耗電能的。電壓穩(wěn)壓是透過調(diào)整晶體管導(dǎo)通及斷路的時間來達到。相反的,線性電源在產(chǎn)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(guān)電源的高轉(zhuǎn)換效率是其一大優(yōu)點,而且因為開關(guān)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(guān)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(guān)電源比線性電源要好。不過開關(guān)電源比較復(fù)雜,內(nèi)部晶體管會頻繁切換,若切換電流尚加以處理,可能會產(chǎn)生噪聲及電磁干擾影響其他設(shè)備,而且若開關(guān)電源沒有特別設(shè)計,其電源功率因數(shù)可能不高。
看圖說話:圖解開關(guān)電源
下圖3和4描述的是開關(guān)電源的pWM反饋機制。圖3描述的是沒有pFC(powerFactorCorrection,功率因素校正)電路的廉價電源,圖4描述的是采用主動式pFC設(shè)計的中高端電源。
通過圖3和圖4的比較我們可以看出兩者的不同之處:一個具備主動式pFC電路而另一個不具備,前者沒有110/220V轉(zhuǎn)換器,而且也沒有電壓倍壓電路。下文我們的重點將會是主動式pFC電源的講解。
為了讓讀者能夠更好的理解電源的工作原理,以上我們供應(yīng)的是非常基本的圖解,圖中并未包含其他額外的電路,比如說短路保護、待機電路以及pG信號發(fā)生器等等。當然了,假如您還想了解一下更加詳盡的圖解,請看圖5。假如看不懂也沒關(guān)系,因為這張圖本來就是為那些專業(yè)電源設(shè)計人員看的。
圖5:典型的低端ATX電源設(shè)計圖
你可能會問,圖5設(shè)計圖中為何沒有電壓整流電路?事實上,pWM電路已經(jīng)肩負起了電壓整流的工作。輸入電壓在經(jīng)過開關(guān)管之前將會再次校正,而且進入變壓器的電壓已經(jīng)成為方形波。所以,變壓器輸出的波形也是方形波,而不是正弦波。由于此時波形已經(jīng)是方形波,所以電壓可以輕而易舉的被變壓器轉(zhuǎn)換為DC直流電壓。也就是說,當電壓被變壓器重新校正之后,輸出電壓已經(jīng)變成了DC直流電壓。這就是為何很多時候開關(guān)電源經(jīng)常會被稱之為DC-DC轉(zhuǎn)換器。
饋送pWM控制電路的回路負責(zé)所有要的調(diào)節(jié)功能。假如輸出電壓錯誤時,pWM控制電路就會改變工作周期的控制信號以適應(yīng)變壓器,最終將輸出電壓校正過來。這種情況經(jīng)常會發(fā)生在pC功耗升高的時,此時輸出電壓趨于下降,或者pC功耗下降的時,此時輸出電壓趨于上升。
在看下一頁是,我們有必要了解一下以下信息:
★在變壓器之前的所有電路及模塊稱為“primary”(一次側(cè)),在變壓器之后的所有電路及模塊稱為“secondary”(二次側(cè));
★采用主動式pFC設(shè)計的電源不具備110V/220V轉(zhuǎn)換器,同時也沒有電壓倍壓器;
★關(guān)于沒有pFC電路的電源而言,假如110V/220V被設(shè)定為110V時,電流在進入整流橋之前,電源本身將會利用電壓倍壓器將110V提升至220V左右;
★pC電源上的開關(guān)管由一對功率MOSFET管構(gòu)成,當然也有其他的組合方式,之后我們將會詳解;
★變壓器所需波形為方形波,所以通過變壓器后的電壓波形都是方形波,而非正弦波;
★pWM控制電流往往都是集成電路,通常是通過一個小的變壓器與一次側(cè)隔離,而有時候也可能是通過耦合芯片(一種很小的帶有LED和光電晶體管的IC芯片)和一次側(cè)隔離;
★pWM控制電路是根據(jù)電源的輸出負載情況來控制電源的開關(guān)管的閉合的。假如輸出電壓過高或者過低時,pWM控制電路將會改變電壓的波形以適應(yīng)開關(guān)管,從而達到?!镎敵鲭妷旱哪康?
下一頁我們將通過圖片來研究電源的每一個模塊和電路,通過實物圖形象的告訴你在電源中何處能找到它們。
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