《開關電源VS普通(線性)電源》
《 開關電源VS普通(線性)電源 》
隨著電力電子技術的發展和創新,開關電源的技術水平正在不斷提高??梢灶A期,開關電源將以體積小、重量輕、轉換效率高、較寬的電壓輸入范圍、抗干擾能力強、穩定性好和可靠性高等被廣泛應用于各個領域的電子設備。
開關電源是相對線性電源而言的,其輸入端通過整流橋將交流電整流成高壓直流電,然后通過電源驅動芯片、開關管等組成的高頻振蕩電路,使直流電壓轉換為高頻脈沖電壓,通過高頻變壓器轉換輸出交流電壓,而后經過整流、濾波輸出高效、穩定的低壓直流電。
因為變壓器的磁芯大小與開關電源作業頻率的平方成反比,頻率越高鐵心越小,這樣,就能夠大大縮小變壓器的尺寸,使得開關電源體積變小、重量減輕至普通(線性)電源的十分之一。而且因為它直接操控電流,使這種電源的效率比普通(線性)電源高出許多。
依據開關器件在電路中連接的方式,開關電源可分為串聯式開關電源、并聯式開關電源和變壓器式開關電源等三大類。其中,變壓器式開關電源又可進一步分為推挽式、半橋式、全橋式等多種。依據變壓器的激勵和輸出電壓的相位關系,又可分為正激式、反激式、單激式和雙激式等多種。
普通電源的電壓反饋電路工作在線性區,其基本原理是先通過變壓器將高壓交流電降為較合適的低壓交流電,然后整流濾波成直流電壓,最后經過穩壓電路輸出穩定的直流電壓。
普通電源轉換效率偏低、調整管發熱量大、體積大、較笨重,特別是變壓器體積大,還有濾波電容的體積和重量也很大,且只能降壓,不能升壓。
普通電源的電壓輸入范圍一般都是在200V-240V之間。一旦低于200V,其所輸出的電壓就會不夠;若是高于240V,則有電源燒壞的可能。
以降壓型開關電源為例說明:
電路由開關管(實際電路中為三極管或場效應管)、續流二極管、儲能電感、濾波電容等構成。
當開關閉合時,電源通過開關、電感向負載供電,并將部分電能貯存在電感以及電容中。由于電感的自感,在開關接通后,電流增大得比較緩慢,即輸出不能立刻達到電壓要求值。
一定時間后,開關斷開,由于電感的自感作用(可以比較形象的認為電感中的電流有慣性),將保持電路中的電流不變,即從左往右繼續流。這電流流過負載,從地線返回,流到續流二極管的正極,經過二極管,回到電感的左端,從而形成了一個回路。
通過控開關閉合與斷開的時間(即PWM——脈沖寬度調制或PFM——脈沖頻率調制),就能夠操控輸出電壓。如果通過檢測輸出電壓來調控開關管的截止和開通時間,而得以保持輸出電壓不變,便實現了穩壓的目的。
普通電源和開關電源相同的是,兩者都有電壓調整管,并利用反饋原理來進行穩壓。不同的是,開關電源利用開關管進行調整,普通電源利用三極管的線性放大特性實施調整。比較而言,開關電源的能耗低,對輸入交流電壓的適應范圍要寬,輸出直流的紋波系數要好,缺陷是開關脈沖干擾。
半橋開關電源的主要工作原理就是上橋和下橋的開關管(頻率高時開關管為VMOS)輪流導通,首先電流通過上橋開關管流入,利用電感線圈的存儲功能,將電能集聚在線圈中并關閉上橋開關管。接著打開下橋開關管,電感線圈和電容繼續給負載供電。然后又關閉下橋開關管,再打開上橋開關管讓電流進入。就這樣重復進行。因為要輪流開關兩開關管,所以稱為開關電源。
而普通電源就不同了,因為沒有開關介入,使得“上水管”一直在放水,如果有多的,就會溢出來,這便是我們經??吹降默F象:一些普通電源的調整管發熱量很大,用不完的電能,悉數轉化成了熱能。從這個角度來看,普通電源的轉化效率就非常低了,而且,工作在如此高熱量的環境下,元件的壽命勢必要下降,影響最終的使用效果。
普通電源的功率調整管總是工作在放大區,流過的電流是連續的。由于調整管自耗功率較大,效率很低(一般在40%-60%之間),且發熱嚴重,故,需要較大功率調整管并裝有體積很大的散熱器。
普通電源通過變壓器將高壓交流電變成低壓交流電,再經過整流電路整流,然后通過濾波得到帶有微小紋波電壓的直流電壓,再通過三極管對輸出負載進行分壓,最后通過輸出電壓分壓后反饋,來控制三極管實現輸出的穩壓。
普通電源體積大、質量大、紋波系數小、調整率好、對外干擾小,比較適用于對噪聲和穩定性要求較高的低電壓低電流應用。
開關電源的功率器件工作在開關狀態,在電壓調整時,能量通過電感線圈來暫時貯存,這樣他的損耗就小,效率也就高,對散熱的要求也就比較低。但它對變壓器和貯能電感的要求則比較高,需用低損耗、高磁導率的材料來做。
開關電源相較于普通電源,它的體積小很多,質量輕很多,電源效率高很多(在80%~98%之間)。不過,由于頻繁開、關的原因,它在紋波系數、電壓線性調整率和噪聲方面的表理就要遜色于普通電源了。
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