开关电源的主要特点

    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。

开关电源与线性电源的性能比较

1. 开关器件与线性器件的比较

    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)开关器件的主要特点。

    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 。

    (2)线性器件的主要特点。

    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

2. 开关稳压器与线性稳压器基本原理比较

(1)线性稳压器的基本原理

    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。 U_I为输入电压, U_O为输出电压。R₁和R₂为取样电阻, 取样电压U_Q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U_REF相比较, 二者的差値经误差放大器放大后产生误差电压U_r, 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U_O降低时,U_Q和U_I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U_O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U_O↓,最终使U_O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U_Q=U_REF,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)

(2)开关稳压器的基本原理

    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U_L,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 U_O<U_I。

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)U_I先通过开关器件S,再经过储能电感L。

    2)U_I=U_L十U_O,因 U_O<U_I,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U_I为直流输入电压, U_DS为功率开关管VT1的漏一源极电压,D为占空比, I_FI、 U_RI分别为输出整流二极管上的电流和反向电压, U_O为输出电压, I_L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T_ON=t,关断时间为T_OFF。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)

3. 开关电源与线性电源的性能比较

    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