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开关模式电源

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用于微型计算机(PC)的离线式(隔离型)开关电源。
用于微型计算机(PC)的离线式(隔离型)开关电源。
一个开关电源的硬件。
一个开关电源的硬件。

开关模式电源Switch Mode Power Supply,简称SMPS),又称交换式电源开关变换器,是一种高频化电能转换装置,是电源供应器的一种。其功能是将一个位准的电压,透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。开关电源的输入多半是交流电源(例如市电)或是直流电源,而输出多半是需要直流电源的设备,例如个人电脑,而开关电源就进行两者之间电压电流的转换。

开关电源不同于线性电源,开关电源利用的切换晶体管多半是在全开模式(饱和区)及全闭模式(截止区)之间切换,这两个模式都有低耗散的特点,切换之间的转换会有较高的耗散,但时间很短,因此比较节省能源,产生废热较少。理想上,开关电源本身是不会消耗电能的。电压稳压是透过调整晶体管导通及断路的时间来达到。相反的,线性电源在产生输出电压的过程中,晶体管工作在放大区,本身也会消耗电能。开关电源的高转换效率是其一大优点,而且因为开关电源工作频率高,可以使用小尺寸、轻重量的变压器,因此开关电源也会比线性电源的尺寸要小,重量也会比较轻。

若电源的高效率、体积及重量是考虑重点时,开关电源比线性电源要好。不过开关电源比较复杂,内部晶体管会频繁切换,若切换电流未加以处理,可能会产生噪声电磁干扰影响其他设备,而且若开关电源没有特别设计,其电源功率因数可能不高。

稳压电源的基本原理

可以把稳压电源想象成为如下的一种情形:当试图从一个直径较大的自来水管中取出连续不断的且较小的水流时,可以采用两种策略:一种是使用一个转接阀门,并将阀门开启在较小位置,这就是线性电源的工作原理(可以将阀门看作晶体管)。线性电源的电压调整晶体管上承受着很大的“压力”(具体的表现是转换为热能的形式散耗);或者,可以改进一下,让大水管的水流到一个比较大的“水桶”里,小水管连接到这个水桶上取水,接着,需要做的就是断续的打开/关闭大水管上的阀门,保证水桶内的水既不会完全没有,也不会因为太多而溢出——开关电源的基本原理就是如此。

线性电源的比较

与传统的线性电源相比,开关电源的优势在于效率高(此处的效率可以简单的看作输入功率与输出功率之比),加之开关晶体管工作于开关状态,损耗较小,发热较低,不需要体积/重量非常大的散热器,因此体积较小、重量较轻。但开关电源工作时,由于频率较高,会对电网及周围设备造成干扰,因此,必须妥善的处理此问题。

线性电源的优势在于结构相对简单,可靠性相对较高,电流纹波率可以很容易的做到比较低,维修也较为方便。

实际上,现代的电路中,开关电源电路和线性电源电路在大多数情况下,是组合使用的——使用开关电源进行初步的变换,给纹波、精度要求不高的电路使用;同时,使用低压差稳压器LDO)获取精密的、低纹波(噪声)的电压供诸如运算放大器(OP-AMP),模数转换器(A/D Converter)使用。

类型及拓扑

开关电源的拓扑指开关电源电路的构成形式。一般是根据输出地线与输入地线有无电气隔离,分为隔离非隔离变换器。非隔离即输入端与输出端相通,没有隔离措施,常见的DC/DC变换器大多是这种类型。所谓隔离是指输入端与输出端在电路上不是直接联通的,使用隔离变压器通过电磁变换方式进行能量传递,输入端和输出端之间是完全电气隔离的。通常来说,为了保护使用者的人身安全,使用主要供电 (市电)或输入电压高于安全电压(目前公认是36伏特)的开关电源必须是隔离式。

非隔离型拓扑

非隔离式变换器是最为简单的交换式电源结构,它们的电源变换方式为“直流-直流”变换。根据电压变换类型,分为三种基本类型:升压斩波器(Boost Chopper,又称Boost变换器,Boost Converter)、降压斩波器(Buck Chopper,又称Buck变换器,Buck Converter)以及降压-升压斩波器(Buck-Boost Chopper,又称Buck-Boost变换器,Buck-Boost Converter),它们的结构都非常相似,输入、输出和地都会在一点上交汇,都使用电感器作能量存储之用,它们之间的主要区别在于电感器的连接方式,若电感器放置于电路的输出端,则为降压斩波拓扑;电感器放置于电路的输入端,则是升压斩波拓扑。当电感器连接到地时,就是降压-升压斩波拓扑。由于结构的相似性,因此往往简单改变这些电路拓扑中一些元器件的连接或是改变输入极性,可成为另一种变换器拓扑,比如一个12V输入、5V输出的降压斩波器可以将原输出接地并从接地端引出新的输出端获得一个7V输入、-5V输出的降压-升压斩波器。

由降压-升压斩波电路,还衍生出升降压斩波电路、Cuk、SEPIC以及ZETA等多种非隔离型直流-直流变换电路,SEPIC变换器和ZETA变换器都是Ćuk变换器的小幅重排版。实际使用中根据负载需要,基本升压斩波电路以及基本降压斩波电路的组合,可构成复合斩波器。对结构相同的基本斩波电路,可构成多相多重斩波器,以满足负载对电源更高的稳定性和效能。近年来还出现一种只利用电容器作储能元件的电荷泵变换器电路。另有中性点拓扑结构用于电源供应器以及有源滤波器上。[1]

在脉冲占空比极短时,开关器件的效率会下降。如果需要更高数值的电压变换,那样就需要用到带变压器的隔离型拓扑了。

下表是非隔离型拓扑类型总览。表中“D”是变换器触发脉冲的占空比,数值在0到1之间。输入电压(V1)假定远大于0;如果无输入电压,就没有输出电压(V2)。

类型[2] 典型输出功率(W); 相对成本 储能元件 输入/输出电压关系 特性
降压斩波电路
(Buck Chopper)
0–1,000 1.0 电感器 0 ≤输出≤输入, 电流输入需是连续的,输入电压高于输出电压,降压,输出电压极性不变
升压斩波电路
(Boost Chopper)
0–5,000 1.0 单电感器 输出≥输入, 电流输入需是连续的,输入电压低于输出电压,升压,输出电压极性不变
降压-升压斩波电路
(Buck-boost chopper)
0–150 1.0 单电感器 输出≤ 0, 输入和输出的电流都是不连续的
升压-降压斩波电路
(Split-pi或boost-buck)
0–4,500 >2.0 两个电感器和三个电容器 输出大于等于或小于等于输入,大于0 输入或输出功率控制
Ćuk变换器 一个电容器和两个电感器 任何,输出输入极性倒置, 输入和输出电流都是连续的,加州理工学院的Slobodan Ćuk博士发表的降压-升压斩波变换器电路的改进形式
SEPIC变换器 一个电容器和两个电感器 任何, 输入电流是连续的
Zeta变换器 一个电容器和两个电感器 任何, 输出电流是连续的
电荷泵
(Charge pump或Switched capacitor)
只有电容器 电路简单,不需要磁性储能元件电感器,使用电容来达成变换并输出,在一些离散的变换比率值上会拥有较高的转换效率。

隔离型拓扑

所有的隔离式拓扑都包含一个变压器,通过调整变压器的匝数比可获得更高或更低或是负电位的输出电压。[3][4]在一些拓扑结构里,可在变压器上绕上多重绕组以便输出多种电压值。[5]一些变换器还会利用变压器充当储能器件,而其它的变换器仍需要独立的电感器。它们的电源变换方式均为“直流-交流-直流”变换。

类型[2][6] 输出功率(W 相对成本 输入电压范围(V 储能元器件 特性
返驰式变换器
(Flyback converter)
0–250 1.0 5–600 互感器 降压斩波器的隔离式形态1
振铃扼流器(Ringing choke converter,RCC) 0–150 1.0 5–600 变压器 低成本、自振式的返驰式变换器的变体。[7]
半顺向式变换器
(Half-forward)
0–250 1.2 5–500 电感器
顺向式变换器
(Forward converter)2
100-200 60–200 电感器 降压斩波器的隔离式形态
谐振顺向式变换器
(Resonant forward)
0–60 1.0 60–400 电感器和电容器 单电源轨输入,无稳压输出,高效率,低电磁干扰(EMI)[8]
推挽式变换器
(Push-pull converter)
100–1,000 1.75 50–1,000 电感器
半桥式变换器
(Half-bridge)
0–2,000 1.9 50–1,000 电感器
全桥式变换器
(Full-bridge)
400–5,000 >2.0 50–1,000 电感器 对变压器的利用效率最高,在这几种变换器中输出功率最高。
谐振零电位式变换器
(Resonant, zero voltage switched)
>1,000 >2.0 电感器和电容器
隔离式Ćuk变换器(Isolated Ćuk) 两个电感器和两个电容器
零电位式交换式电源供应器(Zero voltage switched power supplies),因能量损失低,发热量很低,仅需要非常小的散热器就可满足需要,因此这类电源供应器可以将体积做得很小。图中所示的ZVS可以提供1千瓦的功率,变压器并没有展示。
零电位式交换式电源供应器(Zero voltage switched power supplies),因能量损失低,发热量很低,仅需要非常小的散热器就可满足需要,因此这类电源供应器可以将体积做得很小。图中所示的ZVS可以提供1千瓦的功率,变压器并没有展示。
  • ^1 返驰式变换器的对数控制回环的性能状态可能会比其它类型变换器的更难控制。[9]
  • ^2 顺向式变换器也可细分,主要区别在于变压器如何在每个电压变换周期内重设至零磁通点。

准谐振零电流/零电压开关

当电压值于最小值时出现低谷的准谐振零电流/零电压开关
当电压值于最小值时出现低谷的准谐振零电流/零电压开关

在准谐振零电流/零电压开关(quasi-resonant zero-current/zero-voltage switch,ZCS/ZVS)将电能拆分为一定大小的“封包”形式输出,开关的开通和关断发生在零电流点和零电压点,而形成一个无损耗开关。[10]准谐振开关,也称作“谷值开关”,可从以下两方面降低电磁干扰:

  • 当电压值降到最低值(于谷值时)使双极型开关器件开关动作以将硬开关效应产生的电磁干扰降到最低。
  • 当检测到谷值时,使开关动作,而非是通过固定的周期/频率触发开关器件,引入了将射频发射频谱分离的自然频率抖动来降低整体的电磁辐射。

效率、电磁干扰

更高的输入电压以及同步整流模式使得交换式电源的电能转换过程的效率更高,即使电源控制器的电能消耗也被计入。更高的开关频率使得一些电源组件的体积得以减小,如变压器,但是高频率的开关动作会产生大量的电磁干扰。谐振式顺向变换器产生的电磁干扰是所有类型的交换式电源中最小的,这是因为它使用了软开关技术,将电压、电流的突波降到最低,相对于传统的会产生很大的电压、电流突波的硬开关来说。

控制模式

控制模式是指稳定电压输出的方法。从采样量上可分为电流模式和电压模式。

  • 电压模式:采样输出电压而进行负反馈的控制模式。
  • 电流模式:采样输入电流和输出电压而进行负反馈的控制模式。
  • 双电压模式:采样输出电压和输入电压进行负反馈的控制模式。

从转移函数上,可分为PIDBang-Bang控制

  • PID控制:采用锯齿波产生器和补偿网络构建的一阶或二阶PID控制系统。
  • Bang-Bang控制:只采用比较器构建的迟滞控制系统。又称为迟滞模式。

参考资料

  1. ^ An active power filter implemented with multilevel single-phase NPC converters. 2011 [2013-03-15]. (原始内容存档于2014-11-26). 
  2. ^ 2.0 2.1 ON Semiconductor. SWITCHMODE Power Supplies—Reference Manual and Design Guide (PDF). July 11, 2002 [2011-11-17]. 
  3. ^ DC-DC Converter Basics. (原始内容存档于2005-12-17).  090112 powerdesigners.com
  4. ^ DC-DC CONVERTERS: A PRIMER (PDF). (原始内容 (PDF)存档于2009-04-18).  090112 jaycar.com.au Page 4
  5. ^ http://schmidt-walter.eit.h-da.de/snt/snt_eng/snte_pdf.html
  6. ^ 完全看懂交换式电源供应器:输入级、功率一次、二次级、回授级详解 - 第2页_ T客邦 - 我只推荐好东西
  7. ^ Irving, Brian T.; Jovanović, Milan M., Analysis and Design of Self-Oscillating Flyback Converter (PDF), Proc. IEEE Applied Power Electronics Conf.(APEC): 897–903, March 2002 [2009-09-30], (原始内容 (PDF)存档于2011-07-09) 
  8. ^ RDFC topology for linear replacement. (原始内容存档于2008-09-07).  090725 camsemi.com Further information on resonant forward topology for consumer applications
  9. ^ Gain Equalization Improves Flyback Performance Page of.  100517 powerelectronics.com
  10. ^ EDN: Comparing DC/DC converters' noise-related performance Portuguese Web Archive的存档,存档日期2016-05-23

外部链接

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开关模式电源
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