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開關(guān)電源知識和工作原理

來源: 發(fā)布時(shí)間:2017-06-20 08:35:22 次瀏覽

 開關(guān)電源就是利用現(xiàn)代電子電力技術(shù),通過電路控制開關(guān)管,進(jìn)行高速的導(dǎo)通與截止,通過電流轉(zhuǎn)換提供給變壓器進(jìn)行變壓,維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源,從而產(chǎn)生所需要的一路或多路輸出電源! 

開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向,高頻化使開關(guān)電源小型化,并使開關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域,特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用,推動了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。

 

開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù),控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時(shí)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。開關(guān)電源和線性電源相比,二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長,但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上,反而高于開關(guān)電源,這一點(diǎn)稱為成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。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,這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動,為開關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間。 

 

開關(guān)電源大體可以分為隔離和非隔離兩種,隔離型的必定有開關(guān)變壓器,而非隔離的未必一定有。  

 

開關(guān)電源的工作原理是:

 

1.交流電源輸入經(jīng)整流濾波成直流;

 

2.通過高頻PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號控制開關(guān)管,將那個(gè)直流加到開關(guān)變壓器初級上;開關(guān)變壓器次級感應(yīng)出高頻電壓,經(jīng)整流濾波供給負(fù)載;輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路,控制PWM占空比,以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的.

 

交流電源輸入時(shí)一般要經(jīng)過厄流圈一類的東西,過濾掉電網(wǎng)上的干擾,同時(shí)也過濾掉電源對電網(wǎng)的干擾,在功率相同時(shí),開關(guān)頻率越高,開關(guān)變壓器的體積就越小,但對開關(guān)管的要求就越高;開關(guān)變壓器的次級可以有多個(gè)繞組或一個(gè)繞組有多個(gè)抽頭,以得到需要的輸出;一般還應(yīng)該增加一些保護(hù)電路,比如空載、短路等保護(hù),否則可能會燒毀開關(guān)電源

 

F9ATX電源的主要組成部分:EMI濾波電路:EMI濾波電路主要作用是濾除外界電網(wǎng)的高頻脈沖對電源的干擾,同時(shí)也起到減少開關(guān)電源本身對外界的電磁干擾,在優(yōu)質(zhì)電源中一般都有兩極EMI濾波電路。

 

一級EMI電路:交流電源插座上焊接的是一級EMI電源濾波器電路,這是一塊獨(dú)立的電路板,是交流電輸入后所經(jīng)過的第一組電路,這個(gè)由扼流圈和電容組成的低通網(wǎng)絡(luò),能濾除電源線上的高頻雜波和同相干擾信號,同時(shí)也將電源內(nèi)部的干擾信號屏蔽起來,構(gòu)成了電源抗電磁干擾的第一道防線。

 

二級EMI電路:市電進(jìn)入電源板后先通過電源保險(xiǎn)絲,然后再次經(jīng)過由電感和電容組成的第二道EMI電路以充分濾除高頻雜波,然后再經(jīng)過限流電阻進(jìn)入高壓整流濾波電路。保險(xiǎn)絲能在電源功率太大或元件出現(xiàn)短路時(shí)熔斷以保護(hù)電源內(nèi)部的元件,而限流電阻含有金屬氧化物成分,能限制瞬間的大電流,減少電源對內(nèi)部元件的電流沖擊。

 

橋式整流器和高壓濾波:經(jīng)過EMI濾波后的市電,再經(jīng)過全橋整流和電容濾波后就變成了高壓的直流電。將輸入端的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖直流電,目前有兩種形式,一種是全橋就是把四個(gè)二極管封裝在一起,一種是用4個(gè)分立的二極管組成橋式整流電路,作用相同,效果也一樣。

 

一般說來,在全橋附近應(yīng)該有兩個(gè)或更多的高大桶狀元件,即高壓電解電容,其作用是將脈動的直流電濾除交流成分而輸出比較平穩(wěn)的直流電。高壓電解電容的使用與開關(guān)電路的設(shè)計(jì)有密切關(guān)系,其容量往往是以往電源評測時(shí)的焦點(diǎn),但實(shí)際上它的容量和電源的功率毫無關(guān)系,不過增大它的容量會減小電源的紋波干擾,提高電源的電流輸出質(zhì)量。

 

PFC電路:PFC電路稱為功率因素校正或補(bǔ)償電路,功率因素越高,電能利用率就越大。

 

目前PFC電路有兩種方式,一種是無源式PFC,又稱被動式PFC,一種是有源式PFC,又稱主動式PFC。無源式PFC是通過一個(gè)工頻電感來補(bǔ)償交流輸入的基波電流與電壓的相位差,迫使電流與電壓相位一致,無源PFC效率較低,一般只有65%-70%,且所用的工頻電感又大又笨重,但由于成本低,仍有許多ATX電源采用這種方式。有源PFC是由電子元器件組成的,體積小,重量輕,通過專用的IC去調(diào)整電流波形的相位,效率大大提高,達(dá)95%以上,但由于成本較高,通常只能在高級應(yīng)用場合才能看到。

 

開關(guān)三極管與開關(guān)變壓器:開關(guān)電源顧名思義其核心就是開關(guān)二字。開關(guān)三極管和開關(guān)變壓器是開關(guān)電源的核心部件,通過自激式或他激式使開關(guān)管工作在飽和、截止(即開、關(guān))狀態(tài),從而在開關(guān)變壓器的副繞組上感應(yīng)出高頻電壓,再經(jīng)過整流、濾波和穩(wěn)壓后輸出各種直流電壓。開關(guān)三極管和開關(guān)變壓器是ATX電源的核心部件,其質(zhì)量直接影響電源的好壞和使用壽命,尤其是開關(guān)三極管,工作在高反壓狀態(tài)下,沒有足夠的保護(hù)電路,很容易擊穿燒毀。開關(guān)管的品質(zhì)直接決定了電源的穩(wěn)定性,它也是電源中主要的發(fā)熱元件,拆開電源后看到的主散熱片上的兩個(gè)晶體管就是開關(guān)管。

 

影響高頻開關(guān)變壓器性能的因素包括鐵氧體的效率、磁芯截面積的大小和磁隙的寬度,截面積過小的變壓器容易產(chǎn)生磁飽和而無法輸出較大的功率,各個(gè)繞組的匝數(shù)直接影響輸出的電壓,通常我們無法具體的掌握這些參數(shù),所以無法準(zhǔn)確的判斷變壓器到底能輸出多大的功率,只有通過電子負(fù)載機(jī)測量才能知道,另外,開關(guān)變壓器的輸出端雖然很多,但其中的某些輸出端使用的卻是相同的繞組,比如+3.3VDC和+5VDC就是這樣,所以當(dāng)+3.3VDC輸出最大電流時(shí)+5VDC就無法輸出很大的電流了,所以我們不能將電源各個(gè)輸出端的功率進(jìn)行簡單的累加。

 

除主變壓器外,一般電源內(nèi)還應(yīng)有兩個(gè)小變壓器,其中一個(gè)將開關(guān)電路控制信號進(jìn)行放大以驅(qū)動開關(guān)管進(jìn)行工作,同時(shí)還可以將開關(guān)管工作的高壓區(qū)和集成電路工作的低壓區(qū)進(jìn)行物理隔離。另外一個(gè)完全是一套獨(dú)立的小型開關(guān)電源,這就是我們所說的待機(jī)電路,其輸出的電壓為電源的主電路供電,同時(shí)通過+5VStandBy端輸出到主板來實(shí)現(xiàn)喚醒功能。