开关电源的基本组成及其工作原理

来源:网络整理 作者:2017年05月18日 17:25
[导读] 开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源,开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术也在不断地创新。
关键词:开关电源电源

  开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源,开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术也在不断地创新。目前,开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备,是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

  开关电源的基本组成及其工作原理

  开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器,电子冰箱,液晶显示器,LED灯具,通讯设备,视听产品,安防监控,LED灯袋,电脑机箱,数码产品和仪器类等领域。

  开关电源的基本组成:

  开关电源大至由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成,见图1。

  开关电源的基本组成及其工作原理

  1. 主电路

  冲击电流限幅:限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。

  输入滤波器:其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。

  整流与滤波:将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。

  逆变:将整流后的直流电变为高频交流电,这是高频开关电源的核心部分。

  输出整流与滤波:根据负载需要,提供稳定可靠的直流电源。

  2. 控制电路

  一方面从输出端取样,与设定值进行比较,然后去控制逆变器,改变其脉宽或脉频,使输出稳定,另一方面,根据测试电路提供的数据,经保护电路鉴别,提供控制电路对电源进行各种保护措施。

  3. 检测电路

  提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。

  4. 辅助电源

  实现电源的软件(远程)启动,为保护电路和控制电路(PWM等芯片)工作供电。

  开关电源的工作原理:

  开关电源的工作过程相当容易理解,在线性电源中,让功率晶体管工作在线性模式,与线性电源不同的是,PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态,在这两种状态中,加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的(在导通时,电压低,电流大;关断时,电压高,电流小)/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。

  与线性电源相比,PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”,即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波,其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。

  控制器的主要目的是保持输出电压稳定,其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器,可以设计成与线性调节器相同。他们的不同之处在于,误差放大器的输出(误差电压)在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。开关电源有两种主要的工作方式:正激式变换和升压式变换。尽管它们各部分的布置差别很小,但是工作过程相差很大,在特定的应用场合下各有优点。

  开关电源的基本组成及其工作原理

  开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件,通过周期性通断开关,控制开关元件的占空比来调整输出电压。开关元件以一定的时间间隔重复地接通和断开,在开关无件接通时输入电源Vi通过开关S和滤波电路向负载RL提供能量,当开关S断开时,电路中的储能装置(L1、C2、二极管D组成的电路)向负载RL释放在开关接通时所储存的能量,使负载得到连续而稳定的能量。

  VO=TON/T*Vi

  VO 为负载两端的电压平均值

  TON 为开关每次接通的时间

  T 为开关通断的工作周期

  开关电源的基本组成及其工作原理

  由式可知,改变开关接通时间和工作周期的比例,VO间电压平均值也随之改变,因此,随着负载及输入电源电压的变化自动调整TON和T的比例便使输出电压VO维持不变。改变接通时间TON和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比,这种方法称为“时间比率控制”(TImeRaTIonControl,缩写为TRC)。

  按TRC控制原理,有三种方式:

  1. 脉冲宽度调制(PulseWithModulaTIon,缩写为PWM)

  开关周期恒定,通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。

  2. 脉冲频率调制(PulseFrequencyModulaTIon,缩写为PFM)

  导通脉冲宽度恒定,通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。

  3. 混合调制

  导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定,彼此都能改变的方式,它是以上二种方式的混合。

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