开关电源详解

news2024/11/28 19:00:50

电源分类

线性稳压电源（LDO）

适用场景

特点

基本组成

开关电源

适用场景

发展方向

特点

分类

基本组成：

开关电源和线性电源对比：

两款开关电源的性能参数对比：

某款电源适配器：

电源分类

线性稳压电源（LDO）、开关电源（AC-AC、AC-DC、DC-AC、DC-DC）

线性稳压电源（LDO）

适用场景

降压转换、输入输出之间压差较低的情况

特点

1）能量转换效率低（特别是输入输出压差较大时）--50%左右，功率器件工作在线性状态

2）输出电压精度高

功耗计算：

$\large P_{Loss}=I_{LDO}*(V_{In}-V_{Out})$

图片引用自TI

基本组成

上述的电压Ui经过转换为直流高电压后，通过调整管和负载之间的串联分压关系，可获得直流输出电压U0，当负载电压发生扰动时，通过反馈采样电路监测输出电压变化量，再经过比较放大器和基准电压比较，判断输出电压是否发生了偏差，依据电压偏差的高低去调节调整管，从而实现当输出电压偏低时，调节调整管的分压调低，使得输出电压增大，从而实现稳压输出U0，反之亦然。

开关电源

某款电源适配器

某款开关电源

适用场景

20世纪80年代后，计算机电源全面实现开关电源化

20世纪90年代，开关电源逐渐应用于电器设备、程控交换机、电子设备等

发展方向

1）小型、薄型、轻（提高开关频率）

（20世纪90年代开关频率达300-400kHz），工作频率高使得所需的滤波电容电感小

2）高转换效率

软开关技术发展（可使得效率达到90%）

3）高可靠性

减少平均无故障时间

4）低噪声

若单纯追求电源高频化则噪声随之增大，可采用谐振变换技术实现高频化同时减少噪声

特点

1）能量转换效率高--90%以上

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，功率器件工作在开关状态

2）输出电压波动（输出纹波Ripple-大），需要设计复杂的电路

目前开关电源输出纹波可做到100mv以下

3）噪声大

由于开关管的开关频率较高，噪声随之增加，当开关管的开关频率大于20KHz时，超出人耳的听觉范围

分类

按照电压变换类型划分

1）降压型(buck)

2) 升压型（boost）

3）升/降压型（buck-boost）

开发电源：利用电子开关器件（晶体管、场效应管、可控硅闸流管），通过控制电路，使得电子开关器件不停的接通和关断，通过对输入电压的PWM调制，从而实现DC/AC、DC/DC的电压变换。

基本组成：

一般的描述：

电源→输入滤波器→整流（全桥整流）→直流滤波→开关管(振荡逆变)→开关变压器→输出整流与滤波

其中的电源、输入滤波器、整流、直流滤波部分实现交流电压到直流高压的转换

直流高压通过后续的开关管、开关变压器实现不同电压的转换（直流电压A到直流电压B）

输出整流与滤波模块实现稳定的输出电压

其中的输入滤波器：消除来自电网的干扰，例如电动机启动/电器开关/雷击等，防止开关电源产生的高频噪声干扰电网

整流：实现输入电压的整流滤波，也即是实现交流到直流转换

开关管（逆变器）和开关变压器：直流电压转变为高频电压（脉冲电压），实现输出和输入电网隔离作用（变压器）

保护电路：开关电路发生过压、过流时保护开关电源及负载

如下阐述开关电源的电路原理：

将线性直流稳压电源的调整管更改为开关器件，作为开关管，在导通期间由于开关管的特性:压降小几乎不消耗能量，关断时漏电流小，几乎不消耗能量。

下面实现了电压的转换和电压的稳定调节：

波动的直流高压Ui经过高频变换器（开关管VT和二极管VD组成），变换为大于20KHz的脉冲方波电压，脉冲方波电压通过输出滤波器（电容C和电感L）对输出电压进行平滑处理得到U0。从而实现了能量的转换。

当开关电压的负载电流增大或输入电压Ui下降时，输出电压U0下降，此时控制回路（取样电压/基准电压/比较放大器）使得高频变换器的输出脉冲方波的占空比变大（方波宽度变宽），给电容C充电时间加长，放电时间缩短，使得电容C上的电压回升也即是给负载的输出电压U0回升，使得电压得以稳定输出，反之亦然。

开关电源和线性电源对比：

两款开关电源的性能参数对比：

参数	A电源	B电源
输入电压范围	80-264Vac	85-264Vac
额定输出功率	200W	--
效率	91%	92%
负载调整率	<正负3%	<正负3%
线性调整率	<正负1%	--
功率因数	大于等于0.9	--
输出纹波	240mv	210mv
最大输入电流	3A	--
输出电压范围	23.28-24.72Vdc---24v	24v
输出电流范围	0-8.34A	10.41A