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开关电源的的原理及发展方向

2018年12月04日 11:18:58来源:君威铭科技作者:君威铭科技关键词:开关电源
  直流开关电源是相对线性直流电源说的,它是利用现代化电力电子技术,控制开关晶体管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源。直流开关电源是输入端直接将交流电整流变成直流电,在高频震荡电路的作用下,用开关管控制电流的通断,形成高频脉冲电流。在电感(高频变压器)的帮助下,输出稳定的低压直流电。
 
  直流开关电源中的调整管工作在截止区和饱和区。由于变压器的磁芯大小与他的工作频率的平方成反比,频率越高铁心越小。这样就可以大大减小变压器,使电源减轻重量和体积。而且由于它直接控制直流,使这种电源的效率比线性直流电源高很多。这样就节省了能源,因此它很受到人们的青睐。
 
  但是直流开关电源也有它的缺点,就是电路复杂,维修困难,对电路的污染严重。电源噪声大,不适合用于某些低噪声电路。
 
  一、直流开关电源的工作原理
 
  直流开关电源是利用通过电路控制开关管进行高速的道通与截止。将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压,从而产生所需要的一组或多组电压。转化为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比50HZ高很多。所以开关变压器可以做的很小,而且工作时不是很热。成本很低。如果不将50HZ变为高频那直流开关电源就没有意义。开关变压器就是一个普通的变压器。
 
  简单地说,直流开关电源的工作原理是:
 
  1.交流电源输入经整流滤波成直流;
 
  2.通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上;
 
  3.开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载;
 
  4.输出部分通过一定的电路反馈给控制电路,控制PWM占空比,以达到稳定输出的目的。
 
  交流电源输入时一般要经过厄流圈一类的东西,过滤掉电网上的干扰,同时也过滤掉电源对电网的干扰; 在功率相同时,开关频率越高,开关变压器的体积就越小,但对开关管的要求就越高; 开关变压器的次级可以有多个绕组或一个绕组有多个抽头,以得到需要的输出; 一般还应该增加一些保护电路,比如空载、短路等保护,否则可能会烧毁直流开关电源。
 
  以上说的就是直流开关电源的大致工作原理。其实现在已经有了集成度非常高的专用芯片,可以使外围电路非常简单,甚至做到免调试。
 
  二、直流开关电源的分类
 
  人们经常关注的直流开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件,边开发开关变频技术,两者相互促进推动着直流开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。直流开关电源大体可以分为隔离和非隔离两种,隔离型的必定有开关变压器,而非隔离的未必一定有。它可分为ac/dc和dc/dc两大类,dc/dc变换器现已实现模块化,且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化,并已得到用户的认可,但ac/dc的模块化,因其自身的特性使得在模块化的进程中,遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。
 
  ac/dc变换是将交流变换为直流,其功率流向可以是双向的,功率流由电源流向负载的称为“整流”,功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。ac/dc变换器输入为50/60hz的交流电,因必须经整流、滤波,因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的,同时因遇到安全标准(如ul、ccee等)及emc指令的限制(如iec、fcc、csa),交流输入侧必须加emc滤波及使用符合安全标准的元件,这样就限制ac/dc电源体积的小型化,另外,由于内部的高频、高压、大电流开关动作,使得解决emc电磁兼容问题难度加大,也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求,由于同样的原因,高电压、大电流开关使得电源工作消耗增大,限制了ac/dc变换器模块化的进程,因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。
 
  ac/dc变换按电路的接线方式可分为:半波电路、全波电路。按电源相数可分为,单项、三相、多相。按电路工作象限又可分为:一象限、二象限、三象限、四象限。
 
  三、直流开关电源技术的发展方向
 
  直流开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于直流开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化,因此国外各大直流开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件,特别是改善二次整流器件的损耗,并在功率铁氧体(MnZn)材料上加大科技创新,以提高在高频率和较大磁通密度(Bs)下获得高的磁性能,而电容器的小型化也是一项关键技术。
 
  高频化使直流开关电源小型化,并使直流开关电源进入更广泛的应用领域,特别是在高新技术领域的应用,推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外直流开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。
 
  SMT技术的应用使得直流开关电源取得了长足的进展,在电路板两面布置元器件,以确保直流开关电源的轻、小、薄。直流开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新,实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为直流开关电源的主流技术,并大幅提高了直流开关电源的工作效率。
 
  模块化是直流开关电源发展的总体趋势,可以采用模块化电源组成分布式电源系统,可以设计成N+1冗余电源系统,并实现并联方式的容量扩展。针对直流开关电源运行噪声大这一缺点,若单独追求高频化其噪声也必将随着增大,而采用部分谐振转换电路技术,在理论上即可实现高频化又可降低噪声,但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题,故仍需在这一领域开展大量的工作,以使得该项技术得以实用化。
 
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