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詳細了解開關(guān)電源,從這里開始!

TIME:2012-12-04   click:
什么是開關(guān)電源

開關(guān)電源是利用現(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。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。目前,開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應(yīng)用幾乎所有的電子設(shè)備,是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。

根據(jù)開關(guān)電源的輸入和輸出類型可以分為:AC-DC、DC-DC、 DC-AC等。

開關(guān)電源產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化控制、軍工設(shè)備、科研設(shè)備、LED照明、工控設(shè)備、通訊設(shè)備、電力設(shè)備、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體制冷制熱、空氣凈化器,電子冰箱,液晶顯示器,LED燈具,通訊設(shè)備,視聽產(chǎn)品,安防監(jiān)控, 電腦機箱,數(shù)碼產(chǎn)品和儀器類等領(lǐng)域。

開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)
圖2 開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)

典型的AD-DC開關(guān)電源結(jié)構(gòu)如上圖2所示。

輸入的交流電進入電源后,首先經(jīng)過前級整流電路進行整流,經(jīng)過全橋式整流二級管整流后,電壓全部變成正相電壓。不過此時得到的電壓仍然存在較大的起伏,這就必須使用高壓濾波電容進行初步穩(wěn)壓,將波形修正為起伏較小的波形。

把直流電轉(zhuǎn)化為高頻率的脈動直流電,這一步由控制電路來完成。輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路,控制電路用來調(diào)整高頻開關(guān)元件的開關(guān)時間比例,以達到穩(wěn)定輸出電壓的目的??刂齐娐纺壳耙鸭苫?,制成了各種開關(guān)電源用集成電路。

把得到的脈動直流電,送到高頻開關(guān)變壓器進行降壓。再由二極管和濾波電容組成的低壓濾波電路進行整流和濾波就得到了設(shè)備上使用的純靜的低壓直流電。

理想的開關(guān)電源,電源的工作方式應(yīng)與設(shè)計和建模的性能一模一樣:提供穩(wěn)定,平滑的輸出電壓,無論輸入,負載或者環(huán)境溫度如何變化,并且有100%的能量轉(zhuǎn)換效率。但事實上,各種元件都是不完美的:負載會變化,電源可能會失真,環(huán)境變化會影響性能。此外提高性能、改善效率、縮小尺寸和降低成本的需求,則進一步提高了電源設(shè)計的復(fù)雜性。

當(dāng)前開關(guān)電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠性、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化,其中關(guān)鍵技術(shù)是高頻化,改善二次整流器件的損耗。

開關(guān)電源的測試和指標(biāo)

對于工作中的開關(guān)電源,設(shè)備負載和需求在不同時間之間可能會大幅度變化。即使是商用開關(guān)電源也必須能夠承受突然出現(xiàn)的遠遠超過平均工作電流的峰值電流。設(shè)計電源的工程師或使用電源的系統(tǒng)需要了解電源在各種條件下的工作狀態(tài),并需要對開關(guān)電源進行詳盡的測試和驗證,例如電源輸入電能質(zhì)量的測試,輸入波動對輸出影響的測試,負載變動對輸出影響的測試,此外整體能效的測試和評估都是非常必要的。

開關(guān)電源的測試參數(shù)主要包括輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)和能效參數(shù)的測試。

輸入?yún)?shù)

諧波畸變:交流量中諧波含量的均方根值與基波分量之百分比。

圖3 開關(guān)電源輸入?yún)?shù)的測試示例
輸出參數(shù)

開關(guān)電源的輸出參數(shù)包括了以下的主要指標(biāo):

1.反映輸入電壓對輸出電壓影響的指標(biāo)

圖4 輸入電壓的波動對輸出電壓的影響

2.反映輸入電壓對輸出電流影響的指標(biāo)

圖5 輸入電壓的波動對輸出電流的影響

3.反映負載對輸出電壓影響的指標(biāo)

圖6 負載的波動對輸出電壓電流的影響

4.紋波電壓

在額定輸出電壓和負載電流下,輸出電壓的紋波(包括噪聲)的絕對值的大小,通常以峰峰值或有效值表示。

紋波系數(shù)Y(%);

在額定負載電流下,輸出紋波電壓的有效值Urms與輸出直流電壓Uo之比,即y=Urms/Uo×100%

噪聲不同于紋波。紋波是出現(xiàn)在輸出端子間的一種與輸入頻率和開關(guān)頻率同步的成分,用峰-峰(peak to peak)值表示,一般在輸出電壓的0.5%以下;噪聲是出現(xiàn)在輸出端子間的紋波以外的一種高頻成分,也用峰-峰(peak to peak)值表示,一般在輸出電壓的1%左右。紋波噪聲是二者的合成,用峰-峰(peak to peak)值表示,一般在輸出電壓的2%以下 。

5.響應(yīng)時間

響應(yīng)時間是指負載電流突然變化時,穩(wěn)壓器的輸出電壓從開始變化到達新的穩(wěn)定值的一段調(diào)整時間。

在直流穩(wěn)壓器中,則是用在矩形波負載電流時的輸出電壓波形來表示這個特性,稱為過度特性。

6.失真:

7.溫度漂移和溫度系數(shù)

8.漂移

穩(wěn)壓器在輸入電壓、負載電流和環(huán)境溫度保持一定的情況下,元件參數(shù)的穩(wěn)定性也會造成輸出電壓的變化,慢變化叫漂移,快變化叫噪聲,介于兩者之間叫起伏。

表示漂移的方法有兩種:

能效指標(biāo)

開關(guān)電源的能效指標(biāo)是其很重要的一類測試指標(biāo),是開關(guān)電源的市場準(zhǔn)入的必要條件。能效指標(biāo)包括以下的指標(biāo):

效率

功率因素:在交流電路中,電壓與電流之間的相位差(Φ)的余弦叫做功率因數(shù),用符號cosΦ表示,在數(shù)值上,功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值,即λ=P/S。

待機功耗:電源輸入端連接到電網(wǎng)上,輸出端不連接負載不消耗功率狀態(tài)下的輸入有功功率。

針對不同應(yīng)用的開關(guān)電源,需要符合一定的能效標(biāo)準(zhǔn)。能效標(biāo)準(zhǔn)即能源利用效率標(biāo)準(zhǔn),是對用能產(chǎn)品的能源利用效率水平或在一定時間內(nèi)能源消耗水平進行規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。能效標(biāo)準(zhǔn)具有較高的社會和經(jīng)濟效益。目前的能效標(biāo)準(zhǔn)主要包括:

歐盟市場

北美市場

澳洲市場

中國市場

圖7 不同的能效標(biāo)準(zhǔn)
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