开关电源技术优点及应用（纪客老白分享）

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图1: 开关电源图像

直流-直流转换器和直流-交流转换器属于开关电源(开关电源)的范畴。线性电源(LPS)所使用的各种电压调节器属于耗散型调节器，因为它们有一个电压控制元件，通常是晶体管或稳压二极管，耗散的功率等于未经调节的输入电压与固定电源电压之间的电压差乘以流经它的电流。开关稳压器作为一个连续可变功率转换器，其效率受电压差的影响很小。因此，开关稳压器也称为“无耗散稳压器”。在开关电源中，提供调节的有源装置总是在截止或饱和模式下工作。
输入直流电源是在一个更高的频率，大约15至50千赫，使用有源器件，如 BJT，功率 MOSFET 或可控硅和转换器变压器。这里铁氧体磁芯的尺寸随频率成反比减小。下限为5千赫左右，用于无声操作，上限为50千赫，以限制扼流圈和有源开关元件的损耗。对变换后的波形进行校正和滤波。采用输出电压的样品作为驱动电路的反馈信号，用于开关晶体管实现调节。

图二: 开关电源的简单框图

上图中的振荡器允许控制元件开关和关闭。控制元件通常由晶体管开关、电感器和二极管组成。对于每个 ON 开关，能量被泵入与实际上是变压器绕组的电感相关的磁场中。这个能量然后释放到所需电压水平的负载。
通过改变开关的占空比或频率，我们可以改变每个周期中存储的能量，从而控制输出电压。由于只需泵浦所需的能量即可维持负载电流，因此无功耗，因此效率较高。

图3: 开关电源简单电路图

开关电源的主要特点是消除了物理巨大的电力变压器和其他电力线的磁性。最终的结果是更小，更轻的封装和制造成本降低，主要是由于消除了50赫兹的组件。简单形式的开关稳压器的基本概念如下图所示。
开关电源的种类:

D.C. to D.C. 转换器
正激转换器
返驰式转换器
自振荡反激式转换器

D.C. to D.C.
本文给出了直流-直流转换器(SMPS)的框图。

图4: DC-DC 变换器开关电源框图

在这里，从交流主电源接收到的初级电源被整流和滤波为高压直流电。然后以大约15千赫到50千赫的速度切换到降压变压器的主侧。降压变压器只是一个可比的50赫兹单位的大小的一小部分，从而重新解决大小和重量的问题。变压器二次侧的输出经过整流和滤波。然后把它送到电源的输出端。这个输出的一个样本被发回到开关控制输出电压。
开关电源依靠 PWM 来控制输出电压的平均值。重复脉冲波形的平均值取决于波形下的面积。随着负载的增加，输出电压趋于下降。大多数开关电源用脉冲宽度调制(PWM)的方法来调节其输出。采用 PWM 振荡器驱动电源开关供给降压变压器的主变压器。当占空比为50% 时，最大能量将通过降压变压器。随着占空比的减小，输出功率减小，功耗降低。
给开关的脉冲宽度信号与输出电压成反比。该振荡器的宽度或 ON 时间由整流器输出的次级电压反馈控制，并形成一个闭环调节器。由于开关稳压器是复杂的，现代集成电路封装，如摩托罗拉 MC 3420/3520或硅通用 SG 1524可以代替分立元件。
正激变换器
在正激变换器中，当晶体管导电时，扼流圈同时携带两个电流。二极管在晶体管的关断周期内携带电流。因此，在这两个周期内，能量流入负载。在这种电路中，输出电压 Vo 只能小于 Vs。扼流圈在 ON 周期内储存能量，并将部分能量传递给输出负载。这个二极管有两个功能。
1.它为扼流圈提供了一条放电路径，因此，当晶体管开关打开时，由于感应高电压而不会产生电弧。
2. 它为线圈中的电流衰减提供了路径。

图5: 开关电源正激变换器电路图

图6: 正激变换器的电流和电压波形图

3:返驰式转换器
在返驰式转换器中，在开关开启期间，能量完全储存在电感器的磁场中。当开关处于断开状态时，能量被清空到输出电压电路中。输出电压取决于占空比。

图7: 开关电源反激式变换器电路图

图8: 反激式变换器的电流和电压波形图

自振荡反激式转换器
自激振荡返驰式转换器是基于反激原理的最简单、最基本的转换器。一个开关晶体管，一个换流变压器，一个快速恢复整流器和一个输出滤波电容组成一个完整的直流变换器。它是一个恒定的输出功率转换器，所有其他直流到直流转换器基于反激原理。
在开关晶体管的导通时间内，通过变压器的初级电流开始线性上升，斜率等于 Vin/Lp。二次绕组和反馈绕组中的感应电压使快恢复整流器反向偏置并保持导电晶体 ON。
当初级电流达到峰值 Ip 时，核心开始饱和，电流趋于急剧上升。这种电流的急剧上升不能由反馈绕组提供的固定基极驱动来支持。因此，开关开始走出饱和。

图9: 自振荡返驰式转换器的示意图

这是一个再生过程，晶体管被关闭。由于电流在初级绕组中流动而产生的磁场崩溃，从而扭转了感应电压的极性。快恢复整流器正向偏置，储能通过二次绕组传递给电容器和负载。因此，能量在开机时间内储存，在关机时间内传输。
输出电容器在晶体管的 ON 时间内提供负载电流，当初级侧没有能量转移时。它是恒功率输出变换器。输出电压随着负载的增加而降低，反之亦然。应当极其小心，以确保负载不会意外地从转换器上卸下。在这种情况下，输出电压将无限制地上升，直到任何转换器元件损坏。由于其固有的运行特性，它适合于低功率输出应用，并且可以优势地使用，最高输出功率为150 w。输出电压纹波大。

优点及比较
开关电源的优点:
·散热低，效率高
· 变压器体积小，因此单元结构紧凑
· 通过快速保护电路防止输出电压过高
· 减少谐波反馈进入供电总线
· 不需要大型电源变压器而与主电源隔离
· 生产中低压电源很容易
· 开关电源可以将不受管制的24伏输入变为受管制的1000伏直流输出。
· 虽然射频干扰可能是一个问题，在开关电源，除非适当屏蔽
· 开关电源用于个人电脑、视频投影仪和测量仪器。
应用及未来
开关电源的应用:
· 机床工业
· 像闭路电视这样的安全系统
· 影音产品
· 可编程逻辑控制器(plc)的支持供应商
未来趋势:
未来的开关电源旨在使其更有效率，继续进行更好的转换器做最有效的转换过程。设计师在提高开关电源效率方面的主要重点包括:
· 输出功率更高
·实现更高的电流输出和低电压
·增加功率密度
· 利用肖特基二极管等开关器件
碳化硅肖特基二极管可用作高开关频率晶体管的有源器件。这些碳化硅肖特基二极管是基准在300-600v 范围的运作。文中给出了 SiC 肖特基二极管的开关特性。

图11: 表示 SiC 肖特基二极管特性的图形

高开关频率的优点:
· 连续电流模式运行可能与超快二极管。
· 具有相同效率的高开关频率: 更小和更便宜的无源元件。
· 缺乏反向恢复: 较小的 MOSFET 和/或更高的可靠性