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你对轻量、高效率的开关电源知多少?    2022-04-24

开关电源不同于线性电源,开关电源利用的切换晶体管多半是在全开模式及全闭模式之间切换,这两个模式都有低耗散的特点,切换之间的转换会有较高的耗散,但时间很短,因此比较节省能源,产生废热较少。开关电源的高转换效率是其一大优点,而且因为开关电源工作频率高,可以使用小尺寸、轻重量的变压器,因此开关电源也会比线性电源的尺寸要小,重量也会比较轻。

若电源的高效率、体积及重量是考虑重点时,开关电源比线性电源要好。不过开关电源比较复杂,内部晶体管会频繁切换,若切换电流尚加以处理,可能会产生噪声及电磁干扰影响其他设备,而且若开关电源没有特别设计,其电源功率因数可能不高。

现代开关电源有两种:一种是直流开关电源;另一种是交流开关电源。

直流开关电源功能是将电能质量较差的原生态电源,如市电电源或蓄电池电源,转换成满足设备要求的质量较高的直流电压。直流开关电源的核心是 DC/DC 转换器。因此直流开关电源的分类是依赖 DC/DC 转换器分类的。也就是说,直流开关电源的分类与 DC/DC 转换器的分类是基本相同的,DC/DC 转换器的分类基本上就是直 流开关电源的分类。

直流 DC/DC 转换器按输入与输出之间是否有电气隔离可以分为两类:一类是有隔离的称为隔离式 DC/DC 转换器;另一类是没有隔离的称为非隔离 式 DC/DC 转换器。

隔离式 DC/DC 转换器在实现输出与输入电气隔离时,通常采用变压器来实现,由于变压器具有变压的功能,所以有利于扩大转换器的输出应用范围,也便于实现不同电压的多路输出,或相同电压的多种输出。

在功率开关管的电压和电流定额相同时,转换器的输出功率通常与所用开关管的数量成正比。所以开关管数越多,DC/DC 转换器的输出功率越大,四管式比两管式输出功率大一倍,单管式输出功率只有四管式的 1/4

非隔离式转换器与隔离式转换器的组合,可以得到单个转换器所不具备的一些特性。按能量的传输来分,DC/DC 转换器有单向传输和双向传输两种。具有双向传输功能的 DC/DC 转换器,既可以从电源侧向负载侧传输功率,也可以从负载侧向电源侧传输功率。

按照开关管的开关条件,DC/DC 转换器又可以分为硬开关和软开关两种。硬开关 DC/DC 转换器的开关器件是在承受电压或流过电流的情况下,开通或关断电路的,因此在开通或关断过程中将会产生较大的交叠损耗,即所谓的开关损耗。当转换器的工作状态一定时开关损耗也是一定的,而且开关频率越高,开关损耗越大,同时在开关过程中还会激起电路分布电感和寄生 电容的振荡,带来附加损耗,因此,硬开关 DC/DC 转换器的开关频率不能太高。

软开关 DC/DC 转换器的开关管,在开通或关断过程中,或是加于其上的电压为零,即零电压开关,或是通过开关管的电流为零,即零电流开关。这种软开关方式可以显着地减小开关损耗,以及开关过程中激起的振荡,使开关频率可以大幅度提高,为转换器的小型化和模块化创造了条件。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。

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。

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