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[经验] 深度剖析开关电源的工作原理

2020-8-25 11:03:47  922 开关电源 电源
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  PC电源知多少
  PC机所使用的电源是基于一种叫做 “开关模式 ”的技术,所以我们通常把PC电源称为——开关电源(SMPS),它还有一个别名——直流——直流转换器。在这篇文章中,我们将为大家介绍一下开关电源的工作模式和原理、开关电源的内部元件以及这些元件的功能。
  线性电源基础知识
  目前电源主要有两种类型:线性电源(linear)和开关电源(switching)。线性电源的工作原理是先将127V或220V的市电通过变压器转换成低压电,如12V等,经过转换后的低压仍为交流电;再通过一系列的二极管进行校正和整流,将低压交流转换成脉动电压(图1和图2“3”)。下一步需要对脉动电压进行滤波,通过电容完成,再经过滤波后的低压交流变成直流电(图1和2“4”);这时的低压直流还是不够纯净,会有一定的波动(这种电压波动就是我们常说的纹波),所以还需要调节电压二极管或电压整流电路进行校正。最后,我们得到一个纯低压直流输出(图1和图2中的 “5”)。
  
  图1:标准的线性电源设计
  
  图2:线性电源的波形
  虽然线性电源非常适合为无绳电话、PlayStation/Switch/Xbox游戏机等低功率设备供电,但对于高功率设备来说,线性电源会让人难以承受。
  对于线性电源来说,内部电容和变压器的大小与交流市电的频率成反比:即输入市电的频率越低,线性电源所需的电容和变压器越大,反之亦然。由于目前的交流市电是60Hz(有些国家是50Hz),频率相对较低,其变压器和电容往往相对较大。另外,交流市电的浪涌越大,线性电源的变压器尺寸也就越大。
  由此可见,做一个线性电源,对于PC界来说是一个疯狂的举动,因为它的体积会非常大,重量也会很重。这也是个人PC用户不适合使用线性电源的原因。
  开关电源基础知识
  高频开关电源可以很好地解决这个问题,采用高频开关电源的模式。对于高频开关电源来说,在进入变压器之前,交流输入电压可以先升压(一般在升压前50-60KHz)。随着输入电压的升高,变压器、电容等元件不需要像线性电源那样大而化之。这种高频开关电源正是我们的个人电脑和VCR等设备所需要的。需要注意的是,我们通常所说的 “开关电源 ”其实是 “高频开关电源 ”的简称,它与电源本身的开关和开机无关。
  实际上,终端用户的PC电源采用的是一种更优化的方案:闭环系统--控制开关电源的电路,从电源的输出端获取反馈信号,然后根据PC机的功耗,在一定的时间段内根据电源的变压器,增加或减少电压的频率,以适应电源的变压器(这种方法称为PWM,脉宽调制)。因此,开关电源可以根据与之相连的耗电设备的功耗大小进行自我调节,从而使变压器等元件带走较少的能量,减少发热。
  相比之下,线性电源的设计理念是以功率为重,即使负载电路不需要大量的电流,也是以功率为重。这样做的后果是,即使在不需要的时候,所有的元件都会满负荷工作,从而导致发热量大大增加。

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