開關模式電源(Switch Mode Power Supply,簡稱SMPS),又稱交換式電源、開關變換器,是一種高頻化電能轉換裝置,是電源供應器的一種。其功能是將一個位準的電壓,透過不同形式的架構轉換為用戶端所需求的電壓或電流。開關電源的輸入多半是交流電源(例如市電)或是直流電源,而輸出多半是需要直流電源的設備,例如個人電腦,而開關電源就進行兩者之間電壓及電流的轉換。
開關電源不同于線性電源,開關電源利用的切換晶體管多半是在全開模式(飽和區)及全閉模式(截止區)之間切換,這兩個模式都有低耗散的特點,切換之間的轉換會有較高的耗散,但時間很短,因此比較節省能源,產生廢熱較少。理想上,開關電源本身是不會消耗電能的。電壓穩壓是透過調整晶體管導通及斷路的時間來達到。相反的,線性電源在產生輸出電壓的過程中,晶體管工作在放大區,本身也會消耗電能。開關電源的高轉換效率是其一大優點,而且因為開關電源工作頻率高,可以使用小尺寸、輕重量的變壓器,因此開關電源也會比線性電源的尺寸要小,重量也會比較輕。
若電源的高效率、體積及重量是考慮重點時,開關電源比線性電源要好。不過開關電源比較復雜,內部晶體管會頻繁切換,若切換電流尚未加以處理,可能會產生噪聲及電磁干擾影響其他設備,而且若開關電源沒有特別設計,其電源功率因數可能不高。
開關電源產品廣泛應用于工業自動化控制、軍工設備、科研設備、LED照明、工控設備、通訊設備、電力設備、儀器儀表、醫療設備、半導體制冷制熱、空氣凈化器,電子冰箱,液晶顯示器,LED燈具,通訊設備,視聽產品,安防監控,LED燈帶,電腦機箱,數碼產品和儀器類等領域。
開關電源的干擾一般分為兩大類:一是開關電源內部元器件形成的干擾;二是由于外界因素影響而使開關電源產生的干擾。兩者都涉及到人為因素和自然因素。
開關電源內部干擾:開關電源產生的EMI主要是由基本整流器產生的高次諧波電流干擾和功率變換電路產生的尖峰電壓干擾。
基本整流器:基本整流器的整流過程是產生EMI常見的原因。這是因為工頻交流正弦波通過整流后不再是單一頻率的電流,而變成直流分量和頻率不同的諧波分量,諧波會沿著輸電線路產生傳導干擾和輻射干擾,使前端電流發生畸變,一方面使接在其前端電源線上的電流波形發生畸變,另一方面通過電源線產生射頻干擾。
功率變換電路:功率變換電路是開關穩壓電源的核心,它諧波比較豐富,產生這種脈沖干擾的主要元器件為:
1)開關管,開關管及其散熱器與外殼和電源內部的引線間存在分布電容,當開關管流過大的脈沖電流時,該波形含有許多高頻成分;同時,開關電源使用的器件參數如開關功率管的存儲時間,輸出級的大電流,開關整流二極管的反向恢復時間,會造成回路瞬間短路,產生很大短路電流,另外,開關管的負載是高頻變壓器或儲能電感,在開關管導通的瞬間,變壓器初級出現很大的涌流,造成尖峰噪聲。
2)高頻變壓器,開關電源中的變壓器,用作隔離和變壓,會產生電磁感應噪聲;同時,在高頻狀況下變壓器層間的分布電容會將一次側高次諧波噪聲傳遞給次級,而變壓器對外殼的分布電容形成另一條高頻通路,使變壓器周圍產生的電磁場更容易在其他引線上耦合形成噪聲。
3)整流二極管,整流二極管用作高頻整流時,由于反向恢復時間的因素,往往正向電流蓄積的電荷在加上反向電壓時不能立即消除。一旦這個反向電流恢復時的斜率過大,流過線圈的電感就產生了尖峰電壓,在變壓器漏感和其他分布參數的影響下將產生較強的高頻干擾,其頻率可達幾十MHz。
4)電容、電感器和導線開關電源由于工作在較高頻率,會使低頻元件特性發生變化,由此產生噪聲。
開關電源外部干擾:開關電源外部干擾可以以“共?!被颉安钅!狈绞酱嬖?。干擾類型可以從持續期很短的尖峰干擾到完全失電之間進行變化。其中也包括電壓變化、頻率變化、波形失真、持續噪聲或雜波以及瞬變等。
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