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开关电源有多少种?

作者:海飞乐技术 时间:2016-12-23 16:55

 一、开关电源的基本概念
  电源是将各种能源转换成为用电设备所需电能的装置,是所有靠电能工作的装置的动力源泉。直流开关电源是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装置,用于交流一直流或直流一直流电能变换,通常称其为开关电源(Switched Mode Power Supply——SMPS)。其功率从零点几瓦到数十千瓦,广泛用于生活、生产、科研、军事等各个领域。彩色电视机、VCD播放机等家用电器,医用X光机、CT机,计算机设备,工业用的电解、电镀、充电、焊接、激光等装置,以及飞机、卫星、导弹、舰船中,都大量采用了开关电源。开关电源的能量转换形式如图1所示。

图1 开关电源的能量转换形式 
图1 开关电源的能量转换形式
  顾名思义,开关电源的核心为电力电子开关电路,根据负载对电源提出的输出稳压或稳流特性的要求,利用反馈控制电路,采用占空比控制方法,对开关电路进行控制。开关电源的这一技术特点使其同其他形式的电源,如采用调整管的线性电源和采用晶闸管的相控电源相比具有两个明显的优点:
  1.效率高
  采用占空比控制的开关电路,在理想情况下,只进行能量的变换而没有损耗。实际上,电路中开关器件存在通态压降、断态漏电流、开关损耗等非理想因素,电感和电容元件也有等效串联电阻和漏电流等非理想因索,所以存在损耗。但电路的总效率仍能达到85%~98%,远远高于靠动态电阻调节的线性电源,通常比相控电源的效率也要高些。
  2.体积小、重量轻
  开关电源采用较高的开关频率,一般高于20kHz这一人耳的听觉极限。因此电路中的电感、电容等滤波元件和变压器都大大减小。而线性电源和相控电源通常都需要采用很大的滤波元件和笨重庞大的工频变压器。所以在同等功率的条件下,开关电源的体积和重量仅为线性电源和相控电源时的1/10。另外,开关电源的效率较高,需要的散热器也较小,这在很大程度上减小了体积和重量。同时,还节省了很多硅钢片、铜、铝等原材料。
  因为具有这些优点,开关电源的应用越来越广泛,大有取代线性电源和相控电源的趋势。值得注意的是,开关电源的输出噪声和纹波一般比线性电源大,所以在需要非常低的噪声与纹波(如纹波峰峰值要小于5~10mV)的情况下,仍需要线性电源,由于大功率全控型开关器件以及高频磁性元件技术的局限,在需要的功率非常大(1MW以上)时,仍需采用相控电源。但随着控制技术和元器件技术的不断发展,开关电源的各方面的性能都在不断提高,容量也在不断扩大。
 
  二、开关电源的分类
  开关电源的分类原则较多,较常见的有按其是否具备电能回馈能力分类、能否隔离分类和按照其采取的开关电路形式来分类。
  通常并不需要开关电源具备使电能从负载侧回馈到电源侧的能力,因此大多数电源是不能回馈的,然而有些特定的应用,如蓄电池充放电电源,却需要电能能够在电源与负载间双向流动,这时就需要能回馈电能的电源。
  按照开关电源的输入与输出间是否电气隔离,可以将其分为非隔离型和隔离型两大类,输入与输出间不具备电气隔离能力的为非隔离型,具备电气隔离能力的为隔离型。值得说明的是,与同等电压,电流、功率的非隔离型开关电源相比,隔离型开关电源的电路较为复杂、效率略低、成本也有所增加。但在实际应用中,仍广泛采用隔离型开关电源,这有以下几方面的原因:
  1)负载要求电源的输出端与输入端电气隔离。
  2)需要相互隔离的多路输出。
  3)输出电压与输入电压的比例远小于1或远大于1。
  根据开关电源所采用的开关电路的形式,可以将开关电源分成很多种,这在以后的文章中还要详细介绍。
  根据以上的原则,可以将开关电源按图2分类。
图2 开关电源的分类 
图2 开关电源的分类
 
  三、开关电源的技术要点
  开关电源技术包含以下重要的组成部分:
  1.元器件技术
  包括涉及开关器件的电力电子器件技术和涉及变压器、电感等主要磁性元件的磁技术,以及涉及电容等其他无源元件的技术。
  2.电路技术
  主要研究各种基本开关电路和相应的软开关电路,以及各种吸收电路等。
  3.控制技术
  主要研究适用于开关电源的各种开关控制方法,如电压模式控制和各种电流模式控制等。
  4.电磁兼容技术
  研究开关电源中电磁干扰的产生、传播和抑制等问题。
  5.散热技术
  利用传热学理论,分析和解决开关电源主要发热元件的散热问题。




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