文档介绍：开关电源设计
1 绪论
开关电源(Switching Mode Power Supply,英文缩写为SMPS)又称为开关稳压电源,问世后在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。随着全球对能源问题的越来越重视,电子产品的耗能问题将愈来愈突出,如何降低其待机功耗,提高供电效率成为一个急待解决的问题。传统的线性稳压电源虽然电力结构简单、工作可靠,但它存在着效率低(只有40%~50%)、体积大、铜铁消耗量大,工作温度高及调整范围小等缺点。为了提高效率,人们研究出了开关式稳压电源,它的效率可达85%以上,稳压范围宽;除此之外,还具有稳压精度高的特点,是一种较理想的稳压电源。开关电源具有效率高、体积小、重量轻、应用广泛等优点,现已成为稳压电源的主流产品。正因为如此,开关电源被誉为高效、节能型电源,代表着稳压电源的发展方向,并已广泛应用于各种电子设备中[1]。
开关电源的特点
开关电源的优点
(1) 功耗小,效率高。晶体管V在激励信号的激励下,它交替地工作在导通—截止和截止—导通的开关状态,转换速度很快,频率一般为50kHz左右,在一些技术先进的国家,可以做到几百或者近1000kHz。这使得开关晶体管V的功耗很小,电源的效率可以大幅度地提高,其效率可达到80%。
(2) 体积小,重量轻。采用高频技术,省掉了体积笨重的工频变压器。由于调整管V上的耗散功率大幅度降低后,又省去了较大的散热片。由于这两方面原因,所以开关稳压电源的体积小,重量轻。
(3) 稳压范围宽。从开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的,输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿。这样,在工频电网电压变化较大时,它仍能够保证有较稳定的输出电压。所以开关电源的稳压范围很宽,稳压效果很好。此外,改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。开关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点,而且实现稳压的方法也较多,设计人员可以根据实际应用的要求,灵活地选用各种类型的开关稳压电源。
(4) 滤波的效率大为提高,使滤波电容的容量和体积大为减少。开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz,是线性稳压电源的1000倍,这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍;即使采用半波整流后加电容滤波,效率也提高了500倍。在相同的纹波输出电压下,采用开关稳压电源时,滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容的1/500~1/1000。电路形式灵活多样,有自激式和他激式,有调宽型和调频型,有单端式和双端式等等,设计者可以发挥各种类型电路的特长,设计出能满足不同应用场合的开关稳压电源。
开关电源的缺点
电压调整率和负载调整率指标较差,对负载变化的瞬态响应时间较长,输出纹波电压和噪声电压较高,不适合制作精密稳压电源。一种改进方案是把它当做前级稳压器来使用,而把开关式稳压器或低压差稳压器作为后级稳压器,构成两级稳压的高效、精密稳压电源。
开关电源的基本工作原理
开关电源的组成部分
开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件,通过周期性通断开关,控制开关元件的占空比来调整输出电压。其电路比较复杂,。
开关电源的基本构成
主要由以下5部分构成:①输入整流滤波器:包括从交流电到输入整流滤波器的电路。②功率功率管(VT)及高频变压器(T)。③控制电路(PWM调制器),含振荡器、基准电压源(U
REF)、误差放大器和PWM比较器,控制电驴能产生脉宽调制信号,其占空比受反馈电路的控制。④输出整流滤波器。⑤反馈电路。除此之外,还需增加偏置电路、保护电路等。其中,PWM调制器为开关电源的核心。
开关电源的工作过程
交流电网电压进入输入电路后,经输入电路中的线路滤波器、浪涌电流控制电路以及整流电路,变换成直流电压。其中线路滤波器及浪涌电流控制电路的主要作用是削弱由电网电源线进入的外来噪声以及抑制浪涌电流,整流电路则完成交流到直流的变换,可分为电容输入型和扼流圈输入型两大类,开关电源中通常采用电容输入型。功率变换电路是整个开关电源的核心器件,它将直流电压变换成高频矩形脉冲电压,其电路主要由开关电路和变压器组成。开关电路的驱动方式分为自激式和他激式两大类;开关变压器因是高频工作,其铁芯通常采用铁氧体磁芯或非晶合金磁芯;开关晶体管通常采用开关速度高,导通和关断时间短的晶体管,最典型的有功率晶体管(GTR)、功率场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅型双极晶体管(IGBT)等三种。输出电路是将高频变压器次级方波电压经过高频整流滤波电路整流成单向脉动直流,并将其平滑成设计要求的低纹波直流电压,供给负载使用。
开关电源的工作方式
开关电源按控制原理来分类,有以下4种工作方式: