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开关电源组成及工作原理

导读: 电源是各种电子设备必不可缺的组成部分,其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。由于开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态,功耗小,转化率高,且体积和重量只有线性电源的20%~30%,故目前它已成为稳压电源的主流产品。

  电源是各种电子设备必不可缺的组成部分,其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。由于开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态,功耗小,转化率高,且体积和重量只有线性电源的20%~30%,故目前它已成为稳压电源的主流产品。

  一、开关电源的组成

  开关电源大至由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成(见图)

  1、主电路

  冲击电流限幅:限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。

  输入滤波器:其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。

  整流与滤波:将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。

  逆变:将整流后的直流电变为高频交流电,这是高频开关电源的核心部分。

  输出整流与滤波:根据负载需要,提供稳定可靠的直流电源。

  2、控制电路

  一方面从输出端取样,与设定值进行比较,然后去控制逆变器,改变其脉宽或脉频,使输出稳定,另一方面,根据测试电路提供的数据,经保护电路鉴别,提供控制电路对电源进行各种保护措施。

  3、检测电路

  提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。

  4、辅助电源

  实现电源的软件(远程)启动,为保护电路和控制电路(PWM等芯片)工作供电。

  二.开关电源的工作原理

  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。开关元件以一定的时间间隔重复地接通和断开,在开关无件接通时输入电源Vi通过开关S和滤波电路向负载RL提供能量,当开关S断开时,电路中的储能装置(L1、C2、二极管D组成的电路)向负载RL释放在开关接通时所储存的能量,使负载得到连续而稳定的能量。

  VO=TON/T*Vi

  VO为负载两端的电压平均值

  TON为开关每次接通的时间

  T为开关通断的工作周期

  由式可知,改变开关接通时间和工作周期的比例,VO间电压平均值也随之改变,因此,随着负载及输入电源电压的变化自动调整TON和T的比例便使输出电压VO维持不变。改变接通时间TON和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比,这种方法称为“时间比率控制”(Time Ration Control,缩写为TRC)。

  按TRC控制原理,有三种方式:

  1、脉冲宽度调制(Pulse With Modulation,缩写为PWM):开关周期恒定,通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。

  2、脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation,缩写为PFM):导通脉冲宽度恒定,通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。

  3、混合调制:导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定,彼此都能改变的方式,它是以上二种方式的混合。

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