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可以增加输出的电压组数。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。 控制器的主要目的是保持输出电压稳定,其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器,可以设计成与线性调节器相同。他们的不同之处在于,误差放大器的输出(误差电压)在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。
开关电源有两种主要的工作方式:正激式变换和升压式变换。尽管它们各部分的布置差别很小,但是工作过程相差很大,在特定的应用场合下各有优点。
所谓开关电源,顾名思义,就是这里有一扇门,一开门电源就通过,一关门电源就停止通过,那么什么是门呢,开关电源里有的采用可控硅,有的采用开关管,这两个元器件性能差不多,都是靠基极、(开关管)控制极(可控硅)上加上脉冲信号来完成导通和截止的,脉冲信号正半周到来,控制极上电压升高,开关管或可控硅就导通,由220V整流、滤波后输出的300V电压就导通,通过开关变压器传到次级,再通过变压比将电压升高或降低,供各个电路工作。振荡脉冲负半周到来,电源调整管的基极、或可控硅的控制极电压低于原来的设置电压,电源调整管截止,300V电源被关断,开关变压器次级没电压,这时各电路所需的工作电压,就靠次级本路整流后的滤波电容放电来维持。待到下一个脉冲的周期正半周信号到来时,重复上一个过程。这个开关变压器就叫高频变压器,因为他的工作频率高于50HZ低频。那么推动开关管或可控硅的脉冲如何获得呢,这就需要有个振荡电路产生,我们知道,晶体三极管有个特性,就是基极对发射极电压是0.65-0.7V是放大状态,0.7V以上就是饱和导通状态, -0.1V- -0.3V就工作在振荡状态,那么其工作点调好后,就靠较深的负反馈来产生负压,使振荡管起振,振荡管的频率由基极上的电容充放电的时间长短来决定,振荡频率高输出脉冲幅度就大,反之就小,这就决定了电源调整管的输出电压的大小。那么变压器次级输出的工作电压如何稳压呢,一般是在开关变压器上,单绕一组线圈,在其上端获得的电压经过整流滤波后,作为基准电压,然后通过光电耦合器,将这个基准电压返回振荡管的基极,来调整震荡频率的高低,如果变压器次级电压升高,本取样线圈输出的电压也升高,通过光电耦合器获得的正反馈电压也升高,这个电压加到振荡管基极上,就使振荡频率降低,起到了稳定次级输出电压的稳定,太细的工作情况就不必细讲了,也没必要了解的那么细的,这样大功率的电压由开关变压器传递,并与后级隔开,返回的取样电压由光耦传递也与后级隔开,所以
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前级的市电电压,是与后级分离的,这就叫冷板,是安全的,变压器前的电源是独立的,这就叫开关电源。
3.2开关电源的分类
人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件,边开发开关变频技术,两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类,DC/DC变换器现已实现模块化,且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化,并已得到用户的认可,但AC/DC的模块化,因其自身的特性使得在模块化的进程中,遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。
3.2.1 DC/DC变换
DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压,也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种,一是脉宽调制方式Ts不变,改变ton(通用),二是频率调制方式,ton不变,改变Ts(易产生干扰)。其具体的电路由以下几类:
﹙1﹚Buck电路——降压斩波器,其输出平均电压U0小于输入电压Ui,极性相同。
(2)Boost电路——升压斩波器,其输出平均电压U0大于输入电压Ui,极性相同。
(3)Buck-Boost电路——降压或升压斩波器,其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui,极性相反,电感传输。
(4)Cuk电路——降压或升压斩波器,其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui,极性相反,电容传输。
3.2.2 AC/DC变换
AC/DC变换是将交流变换为直流,其功率流向可以是双向的,功率流由电源流向负载的称为“整流”,功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电,因必须经整流、滤波,因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的,同时因遇到安全标准(如UL、CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC、、FCC、CSA),交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准
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的元件,这样就限制AC/DC电源体积的小型化,另外,由于内部的高频、高压、大电流开关动作,使得解决EMC电磁兼容问题难度加大,也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求,由于同样的原因,高电压、大电流开关使得电源工作损耗增大,限制了AC/DC变换器模块化的进程,因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。AC/DC变换按电路的接线方式可分为,半波电路、全波电路。按电源相数可分为,单相、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。
3. 3开关电源的选用
开关电源在输入抗干扰性能上,由于其自身电路结构的特点(多级串联),一般的输入干扰如浪涌电压很难通过,在输出电压稳定度这一技术指标上与线性电源相比具有较大的优势,其输出电压稳定度可达(0.5~1)%。开关电源模块作为一种电力电子集成器件,在选用中应注意以下几点:
﹙1﹚ 输出电流的选择
因开关电源工作效率高,一般可达到80%以上,故在其输出电流的选择上,应准确测量或计算用电设备的最大吸收电流,以使被选用的开关电源具有高的性能价格比,通常输出计算公式为:
Is=KIf
式中:
Is—开关电源的额定输出电流; If—用电设备的最大吸收电流; K—裕量系数,一般取1.5~1.8;
﹙2﹚ 接地
开关电源比线性电源会产生更多的干扰,对共模干扰敏感的用电设备,应采取接地和屏蔽措施,按ICE1000、EN61000、FCC等EMC限制,开关电源均采取EMC电磁兼容措施,因此开关电源一般应带有EMC电磁兼容滤波器。如利德华福技术的HA系列开关电源,将其FG端子接大地或接用户机壳,方能满足上述电磁兼容的要求。
﹙3﹚ 保护电路
开关电源在设计中必须具有过流、过热、短路等保护功能,故在设计时应首
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选保护功能齐备的开关电源模块,并且其保护电路的技术参数应与用电设备的工作特性相匹配,以避免损坏用电设备或开关电源。
3.4 开关电源对无源滤波器的性能要求
用于开关电源的无源滤波器与常规滤波器相比较,具有以下特点;
⑴能在规定电流和电压下稳定工作,对有信号消耗小;
⑵在整个干扰频率范围内(几十千赫到几十千兆赫)对电磁干扰具有较高的衰减性能;
⑶不出现饱和效应。
为了提高无源滤波器在实际应用中的效果,要求在截至频率以下,尽量使源、负载阻抗和滤波器相应元件的阻抗接近,因此要遵循两条基本原则:
⑴滤波器的串联电感要接到低阻抗源或低阻抗负载; ⑵滤波器的并联电容要接到高阻抗负载。
3.4.1开关电源的传导性EMI分析
典型的反激式开关电源产生的传导性干扰可以用图3-1所示传导性干扰模型来描述。
图3-1 反激式开关电源的传导干扰模
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图3-1中,开关管VS开通与关断过程产生的差模干扰电流id 流过输入电源
Vs ,由于电源内阻Rs的存在,在电源两端产生传导性差模干扰电压ud。图中A
点和屏蔽池之间的分布电容Cb与开关底板和散热器之间(散热器与屏蔽地直接连接)的分布电容的大小、变压器与铁氧体之间(铁氧体通常与屏蔽体连接)的分布电容有关。由于VS的开关状态变化,使得A点对地之间的电压差uA变化,从而在Cb上产生位移电流ic1和ic2,该电流分别通过正端和负端的电源线,各自在正端、负端接地电阻的作用下形成共模传导性干扰电压u1和u2。减小开关电源传导性电磁干扰的目的在于减小Cc1,Cc2和Cb的影响。
采用图3-2所示降低差模干扰电路,利用无源滤波器阻抗特性,可减低开关电源的差模传导干扰,图中Ld和Cd1,Cd2为id 提供一个低阻抗的通路,通过减小流过电源的id来减小ud。可采用图3-2(b)虚线框内LC1,LC2,Cc1和Cc2组成的电路来降低共模干扰,图中Cc1和Cc2为共模 电流提供了低阻抗通路,减小了
u1,u2。对于电源线和屏蔽地构成的共模回路来说,LC1和 LC2增大了回路的阻
抗,ic1流过共模电感LC1和LC2时,在两个电感中产生大小相等,方向相反的电动势,因而相互抵消,使得共模电流ic1减小;同时,通过合理设计电路和结构,尽量减小Cb,以减小 ic2。
(a)减低差模干扰的电路原理图
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