与线性电源相比,尽管开关电源的设计比较复杂,某些性能指标还比不上线性电源,且噪声较大, 但开关电源的主要优势体现在电源效率、体积和重量等方面,尤其是构成大功率稳压电源时, 在相同的输出功率条件下其体积比线性电源大为减小,成本也显著降低。
开关电源亦称低损耗电源,它本身消耗的能量很低,开关电源所用集成电路分两种: 一种是单端或双端输出式PWM控制器, 另一种是 PFM控制器, 二者均可构成无工频变压器的开关电源, 由于它们是利用体积很小的高频变压器来实现电压转換及电网隔离,因此能省掉体积笨重的工频变压器,目前,开关电源的工作频率已从20kHz提高到几百千赫,甚至1MHz以上,电源效率亦随之提高;输出功率范围包括小功率(几十瓦)、中功率(几百瓦)、大功率(几千瓦), 开关电源的缺点是输出电压的稳定性较差,输出纹波及噪声较大,不适合制作精密稳压电源,一种改进方案是把它当做前级稳压器来使用,而把线形稳压器或低压差稳压器作为后级稳压器, 构成两级稳压的高效、精密稳压电源,这种复合式电源兼有开关电源与线性电源之优点。
开关电源的效率一般在70%~85%之间, 最高可达90%, 即使配上后置线性稳圧器构成复合式稳压电源, 其效率仍可达60%~65%,而大多数线性电源 (不含低压差线性稳压器)的效率仅为30%~40%, 与线性电源相比, 传统的20kHz开关电源的外形尺寸仅为线性电源的1/4,100~200kHz开关电源的外形尺寸是线性电源的1/8,而新型200kHz~1MHz开关电源的尺寸还可做得更小,开关电源在断电后输出电压的保持时间比线性电源更长, 这是因为线性电源一般采用低压输入滤波电容器, 而开关电源采用耐压为200~400V的高压输入滤波电容器,所存储的电荷Q更多,这是因为Q与CU2成正比的缘故(U为输入直流高压)。
开关电源的不足之处是电压调整率和负载调整率指标较差, 对负载变化的瞬态响应时间较长, 输出纹波电压和噪声电压较高, 容易对外部形成电磁干扰。
能实现功率转換的开关器件与线性器件的比较如图1-3-1(a)、(b)所示,图(a)中用开关S代表开关器件,图(b)中是用可调电阻器R来代表线性调整器件。
1)器件工作在开关方式,转换效率高。
2)要求必须有一个储能元件(储能电感或储能电容)。
3)可对输入电压进行升压、降压或极性反转,获得高压、低压或负压输出。
4)由于器件工作在开关状态,因此输出的纹波噪声大 。
1)器件工作在线性方式,损耗大,转换效率低 。
2)外国电路简单,不需要储能元件。
3)只能对输入电压进行降压。
4)输出的纹波噪声小。
图1-3-1 开关器件和线性器件比较
普通线性稳压器亦称标准线性稳压器或NPN型线性稳压器,其原理如图1-3-2所示。
图1-3-2 普通线性稳压器的基本原理
典型产品有7800系列三端固定式线性集成稳压器, LM317系列三端可调式线性集成稳压器。它们都属于NPN型线性稳压器,串联式调整管是由NPN型品体管 VT2、 VT3构成的达林顿管。 VT1为驱动管,它采用PNP型晶体管。 UI为输入电压, UO为输出电压。R1和R2为取样电阻, 取样电压UQ加到误差放大器的同相输入端, 与加在反相输入端的基准电压UREF相比较, 二者的差値经误差放大器放大后产生误差电压Ur, 用来调节串联调整管的压降, 使输出电压达到稳定。举例说明,当输出电压UO降低时,UQ和UI均降低,因驱动电流增大,故调整管的压降减小,使输出电压升高。反之,若输出电压UO上升 ,误差放大器输出的驱动电流就会减小,调整管的压降随之增大,使UO↓,最终使UO维持稳定。由于反馈环路总试图使误差放大器两个输入端的电位相等, 即UQ=UREF,因此
UQ = UO x R2/(R1 + R2) = UREF (1-3-1) 根据式(1-3-1)可得到 UO = UREF X (1 + R2/R1) (1-3-2)
以最常用的降压式开关稳压器为例, 其基本原理如图1-3-3所示功率开关管可用开关S来等效。当S闭合时除向负载供电之外,还有一部分电能储存于L、C中, L的电压UL,其极性是左端为正、右端为负,此时续流二极管VD截止,当S断开时,L上产生的反向电动势极性为左端负、右端正,使得VD导通, L中的电能传送给负载, 维持输出电压不变, 并且 UO<UI。
图1-3-3 降压式开关稳压器的基本原理
降压式开关稳压器具有以下特点:
1)UI先通过开关器件S,再经过储能电感L。
2)UI=UL十UO,因 UO<UI,故称之为降压式,它具有降低电压的作用。
3)输出电压与输入电压的极性相同。
降压式开关稳压器的工作波形如图1-3-4(a)所示, PWM表示脉宽调制波形,令UI为直流输入电压, UDS为功率开关管VT1的漏一源极电压,D为占空比, IFI、 URI分别为输出整流二极管上的电流和反向电压, UO为输出电压, IL为负载电流,主要计算公式如下
UO = DUI (1-3-3) ID(max) = IO (1-3-4) UDS(max) = UI (1-3-5) IFI(max) = (1-D)IO (1-3-6) URI(max) = UI (1-3-7)
图1-3-4 降压式开关稳压器的工作波形
由图1-3-4(b)可见,设开关周期为T, VT1的导通时间为TON=t,关断时间为TOFF。计算脉宽调制波形占空比的公式应为
D = TON/(TON + TOFF) x 100% = t/T * 100% (1-3-8)
仅以早期的20kHz开关电源为例,它与线性电源的性能比较.见表1-3-1。由表可见, 开关电源的许多技本指标优于线性电源。目前开关电源的工作频率已提高到100kHz以上,甚至可达1MHz,性能指标又有大幅度提高。
表1-3-1 20kHz开关电源与线性电源的性能比较
参数 | 开关电源 | 线性电源 |
---|---|---|
电源效率(%) | 70~85/td> | 30~40 |
単位体积下的输出功率 (W/cm ) | 0.12 | 0.03 |
单位质量下的输出功率 (W/kg) | 88 | 22 |
电压调整率(%) | 0.1~1 | 0.02~0.1 |
负载调整率(%) | 1~5 | 0.5~2 |
输出纹波电压(峰-峰值, mV) | 50 | 5 |
输出噪声电压(峰-峰值, mV) | 50~200 | 极小 |
瞬态响应时问(µs) | 100~1000 | 20 |
断电后输出电压的保持时问(ms) | 20~30 | 1~2 |