開關電源的原理以及開關電源的優缺點

開關電源的原理以及開關電源的優缺點

開關電源主要包含輸入電網濾波器，輸入整流濾波器，逆變器，輸出整流濾波器，操縱電路，愛護電路。

它們的功能是：

1。輸入電網濾波器：去除電網干擾，例如電動機啟動，電氣開關，雷擊等。它還可以預防由開關電源產生的高頻噪聲擴散到電網。

2。輸入整流器濾波器：對電網的輸入電壓進行整流和濾波，為轉換器提供直流電壓。

3。逆變器：它是開關電源的關鍵部分。它將直流電壓轉換為高頻交流電壓，并起到將輸出部分和輸入電網隔離的作用。

4。輸出整流濾波器：對變頻器輸出的高頻交流電壓進行整流和濾波，獲得所需的直流電壓，同時預防高頻噪聲對負載的干擾。

5， 操縱電路：檢測輸出直流電壓，將其和參考電壓進行比較，然后放大。振蕩器的脈沖寬度被調制以操縱轉換器以保持輸出電壓穩定。

6。愛護電路：當開關電源中發生過電壓或過電流短路時，愛護電路將停止開關電源，以愛護負載和電源本身。

開關電源首先將交流電整流為直流電，然后將直流電轉換為交流電，并在整流后輸出所需的直流電。這樣，開關電源省略了電壓反饋電路中的線性電源和變壓器。開關電源中的逆變器電路完全經過數字調整，這也可以實現很高的調整精度。

開關電源的主要優點：體積小，重量輕（體積和重量僅為線性電源的20-30％），效率高（通常為60-70％，線性電源僅為30-40％）以及 具有強大的抗干擾能力，寬輸出電壓范圍，模塊化。

開關電源的主要缺點：由于逆變電路中產生的高頻電壓，會對四周設備造成肯定的干擾。需要良好的屏蔽和接地。

經過交流整流后，可獲得直流電。但是，由于交流電壓和負載電流的變化，整流后獲得的直流電壓通常會引起20％至40％的電壓變化。為了獲得穩定的直流電壓，必須使用穩壓器電路來實現電壓調節。根據不同的實現方法，穩壓電源可以分為三種：線性穩壓電源，相控穩壓電源，開關穩壓電源。其中，開關電源代表了低碳環保和先進電源的進展趨勢。

常用的低壓直流開關電源是通過EMI濾波器將220V交流電源直接整流為大約300V的直流電源，然后使用電路操縱開關管來切換和切斷高速通道。，然后將其轉換為高頻交流電源，以提供用于電壓轉換的變壓器。生成一組或多組所需的電壓，然后對其進行整流，以使所需電壓流經直流電。轉換為高頻交流電的原因是，變壓器互感器電路中的高頻交流電的效率遠遠高于50Hz，因此可以將主變壓器做得特別小，并使用磁芯。 并非如此。 操作期間特別熱。 其它，在高頻下，濾波器的存儲能量以及濾波器的電容和電感比50 Hz時小得多，并且成本特別低。如果不將50Hz更改為高頻，則開關電源毫無意義！開關變壓器并不是神奇的，它是一般的磁芯變壓器！這是一個開關電源。

開關電源是通過電子技術實現的，其主要環節是：整流成直流電源，將所需電壓（主要是穩壓）轉換成交流電源，再整流成直流電壓輸出。

開關電源的結構特別小，因為中間沒有笨重的變壓器和散熱器。同時，開關電源的內部全部是電子元件，效率高，發熱量少。完管它具有較大的電磁干擾的缺點，但現在已在歐洲，美國，日本和中國銷售，但尚未在開關電源方面走捷徑，抗電磁干擾濾波器和屏蔽技術已經存在。

開關電源大致可分為兩種：隔離型和非隔離型。 隔離類型必須具有開關變壓器，非隔離類型不肯定必須具有。

簡而言之，開關電源的工作原理是：

1。交流電源輸入經過整流并濾波為直流；

2。通過高頻PWM（脈沖寬度調制）或脈沖頻率調制（PFM）操縱開關，并將此DC添加到開關變壓器的初級；

3。開關變壓器的次級頻率產生一個高頻電壓，該高頻電壓通過整流和濾波提供給負載。

4。輸出部分通過肯定的電路反饋給操縱電路，以操縱PWM的占空比，達到穩定輸出的目的。

輸入交流電源時，通常會通過電感和電容濾波器，以濾除對電網的干擾以及對電網的供電。 在相同功率下，開關頻率越高，開關變壓器的尺寸越小，但對開關管的要求越高； 開關變壓器的次級可以具有多個繞組或具有多個抽頭的繞組以獲得所需的輸出； 通常，應增加一些愛護電路，例如空載，短路和其他愛護功能，否則可能會燒毀開關電源。

開關電源次級不需要橋式整流的原因

開關電源次級不使用橋式整流的原因開關電源次級由于其自身的特性而不使用橋式整流。 開關電源大約有兩種類型，一種是正向型，另一種是反激型。次級二極管的作用主要用于整流截止波，以去除反向峰值電壓。這兩個都是不需要輸入電壓的波形，因為開關電源具有PWM芯片。

開關電源操縱芯片的組成

開關電源操縱芯片的組成開關電源操縱芯片是開關電源中的一種芯片。 在開關電源出現之前，它們都是線性電源。開關電源是一種高效節能的電源，也是開關電源進展的主流。 由于開關電源的關鍵組件在高頻狀態下工作，因此它們不斷地接通和關斷，因此開關電源來自此處，即電源。

開關電源電路圖反激電路拓撲

下圖是開關電源電路圖的一部分。 這是反激電路的拓撲。 對于次級電路，即開關電源的次級側電路，二極管D2特別重要。 二極管正在整流并且具有高頻率。整流，由于PN結的恢復時間長等。因此，不適合使用一般二極管。 R5，C5和D2構成汲取電路和電感L.

開關電源300v濾波電容器是用萬用表DC文件測量的

開關電源300v濾波電容器是用萬用表DC文件測量的。 AC文件沒有300v測量值。 我們通常測量的交流電流。 220V實際上是交流的有效值。 經過轉換和濾波后可獲得的直流電壓約為311V，但如果負載不能保持大值，則應直接測量直流濾波電解電容器。

開關電源啟動電路原理分析

開關電源啟動電路的原理分析在大多數情況下，開關電源啟動電路的設計是相似的，但是需要根據開關電源的不同類型來設計啟動電路。 介紹以下類別。 自激式開關電源。 結合特定的電路分析，當剛開始供電時，整流后的高壓直流電通過電阻器R2和R3添加到開關管T2的基極。

通信開關電源電磁兼容設計的基本要求

通信開關電源在高壓大電流開關的工作狀態下工作，電磁兼容性問題的原因特別復雜。通信系統的高頻信號對開關電源有電磁干擾。 同時，開關電源有其自身的電路設計，PCB布線，組件性能等原因。 它還可能會干擾通信或其他電子和電氣設備。其中，根據耦合路徑，可分為傳導干擾和輻射干擾。 根據電路干擾信號的形式，電力系統中的干擾可分為共模干擾和差模干擾。通常，線路電源線上的任何傳導干擾信號都可以表示為兩種模式，共模干擾和差模干擾。

在開關電源中，主電源開關管以高壓，大電流或高頻開關模式工作。 在阻性負載下，開關電壓和開關電流的波形近似為方波，并且該波信號包含豐富的高次諧波。高次諧波的頻譜可以達到方波頻率的1000倍以上。由于電壓差會產生電場，電流會產生磁場，諧波頻率和富含電流的高頻部分會在設備內部產生電磁場，從而導致內部工作不穩定。 設備并降低設備性能。同時，由于電源變壓器的漏感和分布電容，以及主電源開關設備的工作狀態不理想，當進行高頻開關時，高頻高壓峰值諧波常常產生振蕩。高次諧波通過開關管和散熱器之間的分布電容引入內部電路，或者通過散熱器和變壓器輻射到空間。

通信開關電源采納有功功率因數校正。 完管操縱很復雜，但效果和負載無關。 功率因數提高，性能更好。同時，開關電源采納軟開關技術以減少電路開關功耗，降低噪聲并提高電路效率和可靠性。然而，軟開關無損汲取電路主要使用L和C進行能量傳輸，并使用二極管的單向導電性來實現能量的單向轉換。 因此，諧振電路中的二極管成為電磁干擾的主要來源。

在通信開關電源中，通常使用儲能電感器和電容器來形成L和C濾波器電路，以過濾差分和共模干擾信號并將AC方波信號轉換為平滑的DC信號。由于感應線圈的分布電容減小了感應線圈的自諧振頻率，因此大量的高頻干擾信號通過感應線圈并沿交流電源線或直流輸出線向外傳播。隨著干擾信號頻率的升高，由于導線的電感，濾波電容器的電容和濾波效果延續降低，直到達到諧振頻率以上，從而完全失去了電容器的作用并變成了電感性的。濾波電容器和長引線使用不當也是電磁干擾的原因。

DCDC電源轉換電路設計注意事項

DC DC電源轉換電路設計中需要注意的一些問題，期望對您有所援助。

首先，了解DC / DC電源的狀態

DC / DC電源電路也稱為DC / DC轉換電路，其主要功能是執行輸入和輸出電壓轉換。通常，我們將輸入電源電壓在72V以內的電壓轉換過程稱為DC / DC轉換。一般電源主要分為車載和通訊系列以及一般工業和消費類系列。 前者使用的電壓通常為48V，36V，24V等。后者使用的電源電壓通常低于24V。不同的應用領域具有不同的規律，例如12V，5V，3。3V，模擬電路電源常用5V 15V，數字電路常用3。3V等，目前的FPGA和DSP也使用低于2V的電壓，例如1。8V，1。5V，1。2V等在通信系統中也稱為輔助電源。 它從主電源或直流電池組提供直流輸入電壓。 經過DC / DC轉換后，在輸出端獲得一個或幾個DC電壓。

第2條：需要了解的DC / DC轉換電路的分類

DC / DC轉換電路主要分為以下三類：

①穩壓器的穩壓電路。 ②線性（模擬）穩壓電路。 ③開關穩壓電路

三，穩壓管簡單的電路設計方案

調壓電路的電路結構簡單，但負載能力差，輸出功率小。 通常，它僅為芯片提供參考電壓，而不作為電源。

選擇穩壓器時，通?？梢愿鶕韵鹿焦浪悖海?）Uz = Vout； （2）Izmax =（1。5-3）ILmax（3）Vin =（2-3）Vout該電路結構簡單，可以抑制輸入電壓的干擾，但是由于穩壓器的大工作電流，所以輸出電壓不能該電路可任意調節，適用于無需調節輸出電壓，負載電流小，要求不高。 該電路通常用作不需要高電源電壓的芯片的電源。

第4條：基準電壓源芯片穩壓電路

電壓調節器電路的另一種形式，某些芯片對電源電壓有更高的要求，例如AD DA芯片的參考電壓。 這時，一些常用的電壓基準芯片如TL431，MC1403，REF02等。TL431是常用的參考源芯片。 它具有三端可調并聯參考電壓源，具有良好的熱穩定性。輸出電壓可以任意設置為Vref（2。5V）至36V范圍內的任何值。下圖顯示了常用的電路應用，其中Vo =（1 + R1 / R2）Vref。為R1和R2選擇不同的值以從2開始。任何5V至36V范圍內的電壓輸出，特別是當R1 = R2且Vo = 5V時。

其他幾個參考電壓源芯片電路也類似。

五，了解串聯穩壓電源的電路

串聯穩壓器電路是直流穩定電源之一。 實際上，在三端穩壓器出現之前，它是直流電源的一種較常見的方法。 在三端穩壓器出現之前，級聯穩壓器通常具有一個OP放大器，而穩壓二極管構成一個誤差檢測電路，如下圖所示，在該電路中，OP放大器的反向輸入端連接到輸出電壓檢測信號，正輸入端子連接到參考電壓Vref，Vs = Vout * R2 /（R1 + R2）。由于放大信號δVs為負值，操縱晶體管的基極電壓下降，因此串聯輸出電壓必須為Vref = Vs = Vout * R2 / /（R1 + R2），調整R1，R2的比值即可 設置所需的輸出電壓值。

圖為這只是三端穩壓器的基本原理。 實際上，負載的大小可以用達林頓和其他晶體管代替。 由串聯穩壓器電路組成的直流穩壓電源處理不當。簡單振蕩?，F在沒有工程師具有肯定的仿真能力。 通常，現在不再使用這種方法，但是集成的三端穩壓器電路直接用于DC / DC轉換電路中。

第6條：線性（模擬）集成穩壓器電路的總體設計方案

線性穩壓器電路的設計主要基于三端集成穩壓器。三端穩壓器主要有兩種類型：

輸出電壓是固定的，稱為固定輸出三端穩壓器。 三端穩壓器的常規產品是78系列（正電源）和79系列（負電源）。 輸出電壓由特定模型中的后兩個參數確定。數字代表5V，6V，8V，9V，12V，15V，18V，24V和其他電平。輸出電流通過在78（或79）之后添加字母來區分。L代表0。1A，M表示0。5A，沒有字母表示1。5A，例如78L05表是5V 0。1A。

另一種輸出電壓是可調線性穩壓器電路，稱為可調輸出三端穩壓器。 LM317（正輸出）和LM337（負輸出）系列代表這種類型的芯片。大輸入和輸出極限差為40V，輸出電壓為1。2V-35V（-1。2V--35V）連續可調，輸出電流為0。5-1。在圖 在圖5A中，輸出端子和調節端子之間的電壓為1。在25V時，調節端子的靜態電流為50uA。

基本原理相同，均使用串聯穩壓電路。在線性集成穩壓器中，三端穩壓器只有三個端子，具有外部元件少，使用方便，性能穩定，價格低廉的優點，因此得到了廣泛的應用。

第七條DC-DC轉換開關穩壓器電路的設計方案

以上幾個DCDC轉換電路均為串聯反饋調節器電路。 在這種工作模式下，集成穩壓器中的穩壓器工作在線性放大狀態，因此，當負載電流大時，損耗相對較大，即轉換效率低。因此，使用集成穩壓器的電源電路的功率不會很大，一般僅為2-3W，這種設計方案僅適用于小型電源電路。

采納開關電源芯片設計的DCDC轉換電路轉換效率高，適用于較大的電源電路。目前，它已被廣泛使用。 常用的分為非隔離式開關電源和隔離式開關電源電路。

DCDC轉換開關式穩壓電路的設計方案。 開關電源芯片設計的DCDC轉換電路轉換效率高，適用于較大的電源電路。目前，它已被廣泛使用。 常用的分為非隔離式開關電源和隔離式開關電源電路。當然，開關電源的基本拓撲包含降壓，升壓，降壓-升壓和反激，正向和電橋變化。

非隔離式DCDC開關轉換電路的設計方案。

隔離式DCDC開關轉換電路的設計方案。

第8條非隔離式dcdc開關轉換集成電路芯片的電路設計

DCDC開關轉換集成電路芯片，該類型芯片的使用方法和第6條中的LM317特別相似，此處用L4960進行描述，一般使用50Hz的電源變壓器進行AC-AC轉換，會嗎？220V替換開關電源集成轉換芯片的輸入電壓范圍為1。2？L4960可進行34V DC-DC轉換。 這時，輸出電壓可以在變化范圍內調節到5V，高40V，大輸出電流可以達到2。5A（它也可以連接到大功率開關以進行電流擴展），并具有全面的愛護功能，例如過流愛護和過熱愛護。完管使用L4960的方法和LM317的方法相似，但L4960的開關電源的效率和線性電源LM317的效率不同。 L4960的大輸出為100W（Pmax = 40V * 2。5A = 100W），但僅消耗高達7W的功率，因此散熱器特別小，易于制造。和L4960相似的是L296，基本參數和L4960相同，不同之處在于大輸出電流可以高達4A，并具有更多的愛護功能，并且包裝形式也有所不同。這類芯片有很多，例如LM2576系列，TPS54350，LTC3770等。 通常，使用這些芯片時，制造商將使用詳細的說明和典型電路作為參考。

第9條：隔離式DCDC開關電源模塊的電路設計

常用的隔離式DC / DC轉換主要分為三類：1。反激轉換。2。積極的轉變。3。橋梁重建

通常使用單端反激式DC / DC轉換器電路，并且這種隔離操縱芯片有很多類型。操縱芯片的典型代表是常用的UC3842系列。這是一種高性能的固定頻率電流操縱器，主要用于隔離AC / DC，DC / DC轉換電路。它的主要應用原理是：電路由四部分組成：主電路，操縱電路，啟動電路和反饋電路。主電路使用單端反激拓撲。 它由一個升降壓斬波電路和一個隔離變壓器組成。 該電路結構簡單，效率高，輸入電壓范圍寬。 操縱電路是整個開關電源的核心，操縱質量直接決策了電源的整體性能。該電路使用峰值電流類型的雙環操縱，即，峰值電流反饋操縱被添加到電壓閉環操縱系統中。 在這種方案中，選擇合適的變壓器和MOS管將使功率特別大。 和以前的設計方案相比，電路結構復雜，元件參數的確定更加困難，開發成本較高。 因此，好在市場上選擇更廉價的DC / DC隔離模塊。

第10條DCDC開關集成電源模塊解決方案

許多微處理器和數字信號處理器（DSP）需要核心電源和輸入/輸出（I / O）電源。 必須在啟動時訂購這些電源。設計人員必須在上電和掉電操作期間考慮內核和I / O電壓源的相對電壓和時序，以滿足制造商指定的性能規格。沒有正確的電源排序，可能會發生閂鎖或電流消耗過大，這可能導致微處理器I / O端口或內存，可編程邏輯設備（PLD），現場可編程門陣列（FPGA）或數據轉換操縱器等支撐裝置損壞。為了確保在驅動I / O負載之前不對內核電壓造成偏見，需要跟蹤內核功率和I / O功率?，F在有一些特別的電源模塊公司量身定制了一些特別的開關電源模塊，主要是那些尺寸小，功率密度高，轉換效率高，發熱量低，平均無故障工作時間長， 可靠，除了常規的電氣性能指標。具有良好性能，較低成本和較高性能的DC / DC電源模塊。這些模塊結合了實現即插即用解決方案所需的大部分或全部組件，并且可以替換多達40個不同的組件。這簡化了集成并加快了設計，同時減小了電源治理部分中的電路板空間。

傳統和常見的非隔離式DC / DC電源模塊仍舊是單列直插式（SiP）封裝。這些開放式解決方案的確在降低設計復雜度方面取得了進步。但是，簡單的方法是在印刷電路板上使用標準封裝的組件。

第11條關于選擇DCDC功率轉換方案的注釋

此黃金法則也是本文的總結，特別重要。本文主要介紹幾種用于DCDC功率轉換的穩壓器管式穩壓器，線性（模擬）穩壓器和DCDC開關穩壓器三種電路模式的常見設計方法方案。

①需要注意的是，穩壓管的穩壓電路不能用作電源，只能用于沒有電源要求的片狀電源； ②線性穩壓電路的電路結構簡單，但由于轉換效率低，只能用于低功率調節。在電源中； ③開關穩壓器電路轉換效率高，可用于大功率場合，但局限在于電路結構比較復雜（非常是大功率電路），不利于小型化。因此，在設計過程中，可以根據實際需要選擇合適的設計方案。

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