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開關(guān)電源
來源:作者:日期:2015-01-14 16:33:36點(diǎn)擊:7048次

開關(guān)電源1是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù),控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率,維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源,開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)電源和線性電源相比,二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長,但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上,反而高于開關(guān)電源,這一點(diǎn)稱為成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新,使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新,這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動(dòng),這為開關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間

目錄

  • 開關(guān)電源的工作原理
    • 開關(guān)電源的三個(gè)條件
      • 開關(guān)電源的分類
        • 開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向
          • 提高開關(guān)電源待機(jī)效率的方法

開關(guān)電源的工作原理

開關(guān)電源的工作過程相當(dāng)容易理解,在線性電源中,讓功率晶體管工作在線性模式,與線形電源不同的是,PWM開關(guān)電源是讓功率晶體管工作在導(dǎo)通和關(guān)斷的狀態(tài),在這兩種狀態(tài)中,加在功率晶體管上的伏-安乘積是很小的(在導(dǎo)通時(shí),電壓低,電流大;關(guān)斷時(shí),電壓高,電流?。?功率器件上的伏安乘積就是功率半導(dǎo)體器件上所產(chǎn)生的損耗。
與線性電源相比,PWM開關(guān)電源更為效的工作過程是通過“斬波”,即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實(shí)現(xiàn)的。脈沖的占空比由開關(guān)電源的控制器來調(diào)節(jié)。一旦輸入電壓被斬成交流方波,其幅值就可以通過變壓器來升高或降低。通過增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓組數(shù)。最后這些交流波形經(jīng)過整流濾波后就得到直流輸出電壓。
控制器的主要目的是保持輸出電壓穩(wěn)定,其工作過程與線性形式的控制器很類似。也就是說控制器的功能塊、電壓參考和誤差放大器,可以設(shè)計(jì)成與線性調(diào)節(jié)器相同。他們的不同之出在于,誤差放大器的輸出(誤差電壓)在驅(qū)動(dòng)功率管之前要經(jīng)過一個(gè)電壓/脈沖寬度轉(zhuǎn)換單元。
開關(guān)電源有兩種主要的工作方式:正激式變換和升壓式變換。盡管它們各部分的布置差別很小,但是工作過程相差很大,在特定的應(yīng)用場合下各有優(yōu)點(diǎn)。

開關(guān)電源的三個(gè)條件

開關(guān)

電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)而不是線性狀態(tài)

高頻

電力電子器件工作在高頻而不是接近工頻的低頻

直流

開關(guān)電源輸出的是直流而不是交流 也可以輸出高頻交流如電子變壓器

開關(guān)電源的分類

人們?cè)陂_關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域是邊開發(fā)相關(guān)電力電子器件,邊開發(fā)開關(guān)變頻技術(shù),兩者相互促進(jìn)推動(dòng)著開關(guān)電源每年以超過兩位數(shù)字的增長率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開關(guān)電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類,也有AC/AC DC/AC 如逆變器 DC/DC變換器現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)模塊化,且設(shè)計(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化,并已得到用戶的認(rèn)可,但AC/DC的模塊化,因其自身的特性使得在模塊化的進(jìn)程中,遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問題。以下分別對(duì)兩類開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)和特性作以闡述。

開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向

開關(guān)電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。由于開關(guān)電源輕、小、薄的關(guān)鍵技術(shù)是高頻化,因此國外各大開關(guān)電源制造商都致力于同步開發(fā)新型高智能化的元器件,特別是改善二次整流器件的損耗,并在功率鐵氧體(Mn?Zn)材料上加大科技創(chuàng)新,以提高在高頻率和較大磁通密度 (Bs)下獲得高的磁性能,而電容器的小型化也是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。SMT技術(shù)的應(yīng)用使得開關(guān)電源取得了長足的進(jìn)展,在電路板兩面布置元器件,以確保開關(guān)電源的輕、小、薄。開關(guān)電源的高頻化就必然對(duì)傳統(tǒng)的PWM開關(guān)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)ZVS、ZCS的軟開關(guān)技術(shù)已成為開關(guān)電源的主流技術(shù),并大幅提高了開關(guān)電源的工作效率。對(duì)于高可靠性指標(biāo),美國的開關(guān)電源生產(chǎn)商通過降低運(yùn)行電流,降低結(jié)溫等措施以減少器件的應(yīng)力,使得產(chǎn)品的可靠性大大提高。
模塊化是開關(guān)電源發(fā)展的總體趨勢,可以采用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng),可以設(shè)計(jì)成N+1冗余電源系統(tǒng),并實(shí)現(xiàn)并聯(lián)方式的容量擴(kuò)展。針對(duì)開關(guān)電源運(yùn)行噪聲大這一缺點(diǎn),若單獨(dú)追求高頻化其噪聲也必將隨著增大,而采用部分諧振轉(zhuǎn)換電路技術(shù),在理論上即可實(shí)現(xiàn)高頻化又可降低噪聲,但部分諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用仍存在著技術(shù)問題,故仍需在這一領(lǐng)域開展大量的工作,以使得該項(xiàng)技術(shù)得以實(shí)用化。
電力電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新,使開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。要加快我國開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度,就必須走技術(shù)創(chuàng)新之路,走出有中國特色的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合發(fā)展之路,為我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

提高開關(guān)電源待機(jī)效率的方法

切斷啟動(dòng)電阻

對(duì)于反激式電源,啟動(dòng)后控制芯片由輔助繞組供電,啟動(dòng)電阻上壓降為300V左右。設(shè)啟動(dòng)電阻取值為47kΩ,消耗功率將近2W。要改善待機(jī)效率,必須在啟動(dòng)后將該電阻通道切斷。TOPSWITCH,ICE2DS02G內(nèi)部設(shè)有專門的啟動(dòng)電路,可在啟動(dòng)后關(guān)閉該電阻。若控制器沒有專門啟動(dòng)電路,也可在啟動(dòng)電阻串接電容,其啟動(dòng)后的損耗可逐漸下降至零。缺點(diǎn)是電源不能自重啟,只有斷開輸入電壓,使電容放電后才能再次啟動(dòng)電路。

降低時(shí)鐘頻率

時(shí)鐘頻率可平滑下降或突降。平滑下降就是當(dāng)反饋量超過某一閾值,通過特定模塊,實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘頻率的線性下降。

切換工作模式

1.QR→PWM對(duì)于工作在高頻工作模式的開關(guān)電源,在待機(jī)時(shí)切換至低頻工作模式可減小待機(jī)損耗。例如,對(duì)于準(zhǔn)諧振式開關(guān)電源(工作頻率為幾百kHz到幾MHz),可在待機(jī)時(shí)切換至低頻的脈寬調(diào)制控制模式PWM(幾十kHz)。
IRIS40xx芯片就是通過QR與PWM切換來提高待機(jī)效率的。當(dāng)電源處于輕載和待機(jī)時(shí)候,輔助繞組電壓較小,Q1關(guān)斷,諧振信號(hào)不能傳輸至FB端,F(xiàn)B電壓小于芯片內(nèi)部的一個(gè)門限電壓,不能觸發(fā)準(zhǔn)諧振模式,電路則工作在更低頻的脈寬調(diào)制控制模式。
2.PWM→PFM
對(duì)于額定功率時(shí)工作在PWM模式的開關(guān)電源,也可以通過切換至PFM模式提高待機(jī)效率,即固定開通時(shí)間,調(diào)節(jié)關(guān)斷時(shí)間,負(fù)載越低,關(guān)斷時(shí)間越長,工作頻率也越低。將待機(jī)信號(hào)加在其PW/引腳上,在額定負(fù)載條件下,該引腳為高電平,電路工作在PWM模式,當(dāng)負(fù)載低于某個(gè)閾值時(shí),該引腳被拉為低電平,電路工作在PFM模式。實(shí)現(xiàn)PWM和PFM的切換,也就提高了輕載和待機(jī)狀態(tài)時(shí)的電源效率。
通過降低時(shí)鐘頻率和切換工作模式實(shí)現(xiàn)降低待機(jī)工作頻率,提高待機(jī)效率,可保持控制器一直在運(yùn)作,在整個(gè)負(fù)載范圍中,輸出都能被妥善的調(diào)節(jié)。即使負(fù)載從零激增至滿負(fù)載的情況下,能夠快速反應(yīng),反之亦然。輸出電壓降和過沖值都保持在允許范圍內(nèi)。

可控脈沖模式

(BurstMode)
可控脈沖模式,也可稱為跳周期控制模式(SkipCycleMode)是指當(dāng)處于輕載或待機(jī)條件時(shí),由周期比PWM控制器時(shí)鐘周期大的信號(hào)控制電路某一環(huán)節(jié),使得PWM的輸出脈沖周期性的有效或失效,這樣即可實(shí)現(xiàn)恒定頻率下通過減小開關(guān)次數(shù),增大占空比來提高輕載和待機(jī)的效率。該信號(hào)可以加在反饋通道,PWM信號(hào)輸出通道,PWM芯片的使能引腳(如LM2618,L6565)或者是芯片內(nèi)部模塊(如NCP1200,F(xiàn)SD200,L6565和TinySwitch系列芯片)。