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[经验] 【设计技巧】开关电源与线性电源的区别

2019-8-17 08:00:00  718 电源 开关电源 线性电源
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一、线性电源的原理
线性电源主要包括工频变压器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路等。
线性电源是先将交流电经过变压器变压,再经过整流电路整流滤波得到未稳定的直流电压,要达到高精度的直流电压,必须经过电压反馈调整输出电压,这种电源技术很成熟,可以达到很高的稳定度,波纹也很小,而且没有开关电源具有的干扰与噪音。但是它的缺点是需要庞大而笨重的变压器,所需的滤波电容的体积和重量也相当大,而且电压反馈电路是工作在线性状态,调整管上有一定的电压降,在输出较大工作电流时,致使调整管的功耗太大,转换效率低,还要安装很大的散热片。这种电源不适合计算机等设备的需要,将逐步被开关电源所取代。

二、开关电源的原理:

开关电源主要包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、逆变器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路。
它们的功能是:

1.输入电网滤波器:消除来自电网,如电动机的启动、电器的开关、雷击等产生的干扰,同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散。

2.输入整流滤波器:将电网输入电压进行整流滤波,为变换器提供直流电压。

3.逆变器:是开关电源的关键部分。它把直流电压变换成高频交流电压,并且起到将输出部分与输入电网隔离的作用。

4.输出整流滤波器:将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压,同时还防止高频噪声对负载的干扰。

5.控制电路:检测输出直流电压,并将其与基准电压比较,进行放大。调制振荡器的脉冲宽度,从而控制变换器以保持输出电压的稳定。

6.保护电路:当开关电源发生过电压、过电流短路时,保护电路使开关电源停止工作以保护负载和电源本身。

开关电源是将交流电先整流成直流电,在将直流逆变成交流电,在整流输出成所需要的直流电压。这样开关电源省去下线性电源中的变压器,以及电压反馈电路。而开关电源中的逆变电路完全是数字调整,同样能达到非常高的调整精度。

开关电源的主要优点:体积小、重量轻(体积和重量只有线性电源的20~30%)、效率高(一般为60~70%,而线性电源只有30~40%)、自身抗干扰性强、输出电压范围宽、模块化

开关电源的主要缺点:由于逆变电路中会产生高频电压,对周围设备有一定的干扰。需要良好的屏蔽及接地。




交流电经过整流,可以得到直流电。但是,由于交流电压及负载电流的变化,整流后得到的直流电压通常会造成20%到40%的电压变化。为了得到稳定的直流电压,必须采用稳压电路来实现稳压。按照实现方法的不同,稳压电源可分为三种:线性稳压电源、相控稳压电源、开关稳压电源。其中开关电源代表低碳环保和先进电源的发展趋势。

  常用的低压直流开关电源就是将220V交流电经过EMI滤波器后直接整流成300V左右的直流电,通过电路控制开关管进行高速的道通与截止再转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压,从而产生所需要的一组或多组电压,而后再整流成所需要电压的直流电。转化为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比50Hz高很多,所以主变压器可以做的很小,且使用磁芯,它工作时也不是很热;另外,在高频下,贮存能量和滤波电容和电感要比50Hz 下小很多,成本很低。如果不将50Hz 变为高频那开关电源就没有意义!开关变压器也不神秘,就是一个普通的磁芯变压器!这就是开关电源。
  开关电源,是通过电子技术实现的,主要环节:整流成直流电——逆变成所需电压的交流电(主要来调整电压)——再经过整流成直流电压输出。
 开关电源的结构中由于中间没有笨重的变压器和散热片,因而体积非常小。同时,开关电源内部都是电子元件,效率高、发热小。虽然,具有电磁干扰大等缺点,但现在欧美日本土销售和中国制造但没有偷工减料的开关电源抗电磁干扰滤波器和屏蔽技术已经非常到位。
 开关电源大体可以分为隔离和非隔离两种,隔离型的必定有开关变压器,而非隔离的未必一定有。
简单地说,开关电源的工作原理是:
  1.交流电源输入经整流滤波成直流;
  2.通过高频PWM(脉冲宽度调制)或者脉冲频率调制(PFM)控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上;
  3.开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载;
  4.输出部分通过一定的电路反馈给控制电路,控制PWM占空比,以达到稳定输出的目的.
 交流电源输入时一般要经过电感电容滤波器一类的东西,过滤掉电网上的干扰,同时也过滤掉电源对电网的干扰;在功率相同时,开关频率越高,开关变压器的体积就越小,但对开关管的要求就越高;开关变压器的次级可以有多个绕组或一个绕组有多个抽头,以得到需要的输出;一般还应该增加一些保护电路,比如空载、短路等保护, 否则可能会烧毁开关电源。
 以上说的就是开关电源的大致工作原理。
 其实现在已经有了集成度非常高的专用芯片,可以使外围电路非常简单,甚至做到免调试。
例如TOP系列的开关电源芯片(或称模块),只要配合一些阻容元件,和一个开关变压器,就可以做成一个基本的开关电源。
  开关电源&线性电源
  普通半桥开关电源的主要工作原理就是上桥和下桥的开关管(频率高时开关管为VMOS)轮流导通,首先电流通过上桥开关管流入,利用电感线圈的存储功能,将电能集聚在线圈中,最后关闭上桥开关管,打开下桥的开关管,电感线圈和电容持续给外部供电。然后又关闭下桥开关管,再打开上桥让电流进入,就这样重复进行,因为要轮流开关两开关管,所以称为开关电源。
 而线性电源就不一样了,由于没有开关介入,使得上水管一直在放水,如果有多的,就会漏出来,这就是我们经常看到的某些线性电源的调整管发热量很大,用不完的电能,全部转换成了热能。从这个角度来看,线性电源的转换效率就非常低了,而且热量高的时候,元件的寿命势必要下降,影响最终的使用效果 。

 开关电源和线性电源的区别主要是他们的工作方式。
  线性电源的功率调整管总是工作在放大区,流过的电流是连续的。由于调整管上损耗较大的功率,所以需要较大功率调整管并装有体积很大的散热器,发热严重,效率很低。一般在40%~60%,还得说他是很好的线性电源。线性电源的工作方式,使他从高压变低压必须有将压装置,一般的都是变压器,也有别的像KX电源,再经过整流输出直流电压。这样一来他的体积也就很大,比较笨重,效率低、发热量也大。他也有他的优点:纹波小,调整率好,对外干扰小。适合用与模拟电路,各类放大器等。
  开关电源。它的功率器件工作在开关状态,在电压调整时能量是通过电感线圈来临时贮存,这样他的损耗就小,效率也就高,对散热的要求低,但它对变压器和贮能电感也有了更高的要求,要用低损耗高磁导率的材料来做。它的变压器就是一个字小。总效率在 80%~98%,开关电源的效率高但体积小,但是和线性电源比他的纹波,电压电流调整率就有一定的折扣了 。

  业余电台等无线电通信专用电源交流电源的特殊要求:

  1、电台使用比较规范的室外天馈系统,同轴电缆屏蔽层不参与无线电收发时主要考虑电源的ESD和电源稳压部分的抗干扰能力。原因是发射时电源负载阻抗瞬时变化很大,如果处理不当会造成稳压系统取样和执行紊乱,因此须在稳压系统取样与输出间加装低通滤波器。

  2、电台使用很随意的室外天馈系统,同轴电缆屏蔽层参与无线电收发。此时此刻还需要在220V输入端加装低通滤波器抑制干扰。

  3、使用昂贵的电台,因维修费用高,须加装并联型限压电路以确保在任何时候电台得到的电压不超过额定电压25%。


开关电源设计的各项指标概念和定义

一. 描述输入电压影响输出电压的几个指标形式

1. 绝对稳压系数

A.绝对稳压系数:表示负载不变时,稳压电源输出直流变化量△U0 与输入电网变化量△Ui 之比。即:K= U0/ Ui 。

B.相对稳压系数:表示负载不变时,稳压器输出直流电压 Uo 的相对变化量△Uo 与输出电网 Ui 的相对变化量△Ui之比。即:S= Uo/Uo / Ui/Ui

2. 电网调整率

它表示输入电网电压由额定值变化±10%时,稳压电源输出电压的相对变化量,有时也以绝对值表示。

3. 电压稳定度

负载电流保持为额定范围内的任何值,输入电压在规定的范围内变化所引起的输出电压相对变化△Uo/Uo(百分值),称为稳压器的电压稳定度。

二. 负载对输出电压影响的几种指标形式

1. 负载调整率(也称电流调整率)

在额定电网电压下,负载电流从零变化到最大时,输出电压的最大相对变化量,常用百分数表示,有时也用绝对变化量表示。

2. 输出电阻(也称等效内阻或内阻)

在额定电网电压下,由于负载电流变化△IL 引起输出电压变化△Uo,则输出电阻为Ro=| Uo/ IL| 欧。

三. 纹波电压的几个指标形式

1. 最大纹波电压

在额定输出电压和负载电流下,输出电压的纹波(包括噪声)的绝对值的大小,通常以峰峰值或有效值表示。

2. 纹波系数 Y(%)

在额定负载电流下,输出纹波电压的有效值Urms与输出直流电压Uo之比,即:y=Umrs/Uo x100%

3. 纹波电压抑制比

在规定的纹波频率(例如 50HZ)下,输出电压中的纹波电压 Ui~与输出电压中的纹波电压 Uo~之比,即:纹波电压抑制比=Ui~/Uo~ 。

这里声明一下:噪声不同于纹波。纹波是出现在输出端子间的一种与输入频率和开关频率同步的成分,用峰-峰(peak to peak)值表示,一般在输出电压的 0.5%以下;噪声是出现在输出端子间的纹波以外的一种高频成分,也用峰-峰(peak to peak)值表示,一般在输出电压的 1%左右。纹波噪声是二者的合成,用峰-峰(peak to peak)值表示,一般在输出电压的 2%以下。

四. 冲击电流

冲击电流是指输入电压按规定时间间隔接通或断开时,输入电流达到稳定状态前所通过的最大瞬间电流。一般是 20A~30A。

五. 过流保护

是一种电源负载保护功能,以避免发生包括输出端子上的短路在内的过负载输出电流对电源和负载的损坏。过流的给定值一般是额定电流的 110%~130%。

六. 过压保护

是一种对端子间过大电压进行负载保护的功能。一般规定为输出电压的 130%~150%。

七. 输出欠压保护

当输出电压在标准值以下时,检测输出电压下降或为保护负载及防止误操作而停止电源并发出报警信号,多为输出电压的 80%~30%左右。

八. 过热保护

在电源内部发生异常或因使用不当而使电源温升超标时停止电源的工作并发出报警信号。

九. 温度漂移和温度系数

温度漂移:环境温度的变化影响元器件的参数的变化,从而引起稳压器输出电压变化。常用温度系数表示温度漂移的大小。绝对温度系数:温度变化1℃引起输出电压值的变化△UoT,单位是 V/℃或毫伏每摄氏度。相对温度系数:温度变化1℃引起输出电压相对变化△UoT/Uo,单位是 V/℃。

十. 漂移

稳压器在输入电压、负载电流和环境温度保持一定的情况下,元件参数的稳定性也会造成输出电压的变化,慢变化叫漂移,快变化叫噪声,介于两者之间叫起伏。

表示漂移的方法有两种:

1. 在指定的时间内输出电压值的变化△Uot。

2. 在指定时间内输出电压的相对变化△Uot/Uo。

考察漂移的时间可以定为 1 分钟、10 分钟、1 小时、8 小时或更长。只在精度较高的稳压器中,才有温度系数和温漂两项指标。

十一. 响应时间

是指负载电流突然变化时,稳压器的输出电压从开始变化到达新的稳定值的一段调整时间。在直流稳压器中,则是用在矩形波负载电流时的输出电压波形来表示这个特性,称为过度特性。

十二. 失真

这是交流稳压器特有的。是指输出波形不是正 波形,产生波形畸变,称为畸变。

十三. 噪声

按 30HZ~18kHZ 的可听频率规定,这对开关电源的转换频率不成问题,但对带风扇的电源要根据需要加以规定。

十四.输入噪声

为使开关电源工作保持正常状态,要根据额定输入条件,按由允许输入外并叠加于工业用频率的脉冲状电压(0~peak)制定输入噪声指标。一般外加脉冲宽度为 100~800us,外加电压 1000V。

十五. 浪涌

这是在输入电压,以 1 分钟以上的间隔按规定次数加一种浪涌电压,以避免发生绝缘破坏、闪络、电弧等异常现象。通信设备等规定的数值为数千伏,一般为 1200V。

十六. 静电噪声

指在额定输入条件下,外加到电源框体的任意部分时,全输出电路能保持正常工作状态的一种重复脉冲状的静电。一般保证 5~10KV 以内。

十七. 稳定度

允许使用条件下,输出电压最大相对变化△Uo/Uo 。

十八. 电气安全要求(GB 4943-90)

1. 电源结构的安全要求

1) 空间要求。UL、CSA、VDE 安全规范强调了在带电部分之间和带电部分与非带电金属部分之间的表面、空间的距离要求。UL、CSA 要求:极间电压大于等于 250VAC 的高压导体之间,以及高压导体与非带电金属部分之间(这里不包括导线间),无论在表面间还是在空间,均应有 0.1 英寸的距离;VDE 要求交流线之间有 3mm 的徐变或2mm 的净空隙;IEC 要求:交流线间有 3mm 的净空间隙及在交流线与接地导体间的 4mm 的净空间隙。另外,VDE、IEC 要求在电源的输出和输入之间,至少有 8mm 的空间间距。

2) 电介质实验测试方法(打高压:输入与输出、输入和地、输入 AC 两级之间)。

3) 漏电流测量。漏电流是流经输入侧地线的电流,在开关电源中主要是通过静噪滤波器的旁路电容器泄露电流。UL、CSA 均要求暴露的不带电的金属部分均应与大地相接,漏电流测量是通过将这些部分与大地之间接一个 1.5K欧的电阻,其漏电流应该不大于 5 毫安。VDE 允许:用 1.5K 欧的电阻与 150nP 电容并接。并施加 1.06 倍额定使用电压,对数据处理设备,漏电流应不大于 3.5 毫安。一般是 1 毫安左右。

4) 绝缘电阻测试。

VDE 要求:输入和低电压输出电路之间应有 7M 欧的电阻,在可接触到的金属部分和输入之间,应有 2M 欧的电阻或加 500V 直流电压持续 1 分钟。

5) 印制电路板要求。要求是 UL 认证的 94V-2 材料或比此更好的材料。

2. 对电源变压器结构的安全要求

1) 变压器的绝缘。变压器的绕组使用的铜线应为漆包线,其他金属部分应涂有瓷、漆等绝缘物质。

2) 变压器的介电强度。在实验中不应出现绝缘层破裂和飞弧现象。

3) 变压器的绝缘电阻。变压器绕组间的绝缘电阻至少为 10M 欧,在绕组与磁心、骨架、屏蔽层间施加 500 伏直流电压,持续 1 分钟,不应出现击穿、飞弧现象。

4) 变压器湿度电阻。变压器必须在放置于潮湿的环境之后,立即进行绝缘电阻和介电强度实验,并满足要求。潮湿环境一般是:相对湿度为 92%(公差为 2%),温度稳定在 20 到 30 摄氏度之间,误差允许 1%,需在内放置至少48 小时之后,立即进行上述实验。此时变压器的本身温度不应该较进入潮湿环境之前测试高出 4 摄氏度。

5) VDE 关于变压器温度特性的要求。

6) UL、CSA 关于变压器温度特性的要求。

  3. 功率因数校正要求

  为减少开关电源对电网的污染,国际电工委员会和一些国家与地区推出了IEC1000-3-2和EN61000-3-2等标准,对电流谐波作出了限量规定。为满足输入电流谐波限制要求,最有效的技术手段就有源功率因数校正(有源PFC)。


npwjm 2019-8-17 10:49:51
谢谢楼主的分享
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kyf763372625 2019-8-17 17:14:17
学到就是赚到,感谢楼主的知识
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王栋春 2019-8-17 22:06:12
归纳总结的非常到位
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迅得电子 2019-8-23 14:28:19
很好的电源资料分享,收藏了
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Nancyfans 2019-8-30 14:43:32
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