線性電源與開關(guān)電源的比較

線性電源與開關(guān)電源的比較

1變壓器采用控制系統(tǒng)線性電源是指在穩(wěn)定器中的電源的功率管道是線性放大區(qū)域的工作。在工作過程中，220v50hz工頻輸入電壓通過線性濾波和線性壓縮后，然后通過濾波和線性壓縮。最后，必須滿足一對（或多組）波幅電壓和穩(wěn)定的要求的直流電源電壓。圖1顯示了原理的框架結(jié)構(gòu)。1.1波長電壓較小(1)電源穩(wěn)定度及負(fù)載穩(wěn)定度極高;(2)輸出波紋電壓較小;(3)瞬態(tài)響應(yīng)速度快;(4)線路結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高,故障率低,理解和維修起來簡單、容易;(5)沒有開關(guān)干擾,隔離性能好。1.2線性電源的缺點(1)功耗大、效率低,其效率一般只有45%左右;(2)體積大、重量重,不能微小型化;(3)必須有較大容量的濾波電容。1.3電源功率的影響(1)從圖1中我們可以看到,調(diào)整功率管V1在電源的整個工作過程中,一直是工作在晶體管特性曲線的線性放大區(qū)。調(diào)整管本身的功耗與電源輸出電流成正比,這樣調(diào)整管V1本身的功耗就會隨電源的輸出功率的增大而增大,使其急劇地發(fā)熱。為了能保證管子正常工作,除選用功率余量大的管子外,還必須給管子加上較大的散熱片。(2)線性電源使用了50Hz工頻降壓變壓器,通常這種變壓器的效率只有80%～90%,這樣不但增加了電源的體積和重量,而且也大大降低了電源的效率。(3)由于線性電源的工作頻率較低,為50Hz,所以,要降低輸出電壓中的波紋電壓的峰值,就必須加大濾波電容的容量,電容的容量與重量和體積是成正比的。2開關(guān)箱2.1直流變換器和變壓器圖2畫出了開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)原理方框圖。它是由全波整流器、開關(guān)功率管V、激勵信號、續(xù)流二極管VD、儲能電感L和濾波電容C組成。實際上開關(guān)電源的核心部分是一個直流變換器。這里為了后面敘述簡單起見,特對直流變換器和逆變器作如下解釋。逆變器——把直流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鞯难b置。它通常被廣泛地應(yīng)用在采用電平或電池組成的備用供電電源中。直流變換器——把直流轉(zhuǎn)換成交流,然后又把交流轉(zhuǎn)換成直流的裝置。它被廣泛地應(yīng)用在開關(guān)電源中。采用直流變換器就可以把一種直流供電電壓變換成極性、數(shù)值各不相同的多種直流供電電壓。2.2開關(guān)的優(yōu)點(1)管壓降作用的原理圖2所示的開關(guān)電源結(jié)構(gòu)原理方框圖中的晶體管V在激勵信號的驅(qū)動下,其工作狀態(tài)處于導(dǎo)通—截止和截止—導(dǎo)通的開關(guān)狀態(tài),轉(zhuǎn)換速度很快,頻率一般為50kHz左右。在一些技術(shù)先進的國家,可以做到幾百或者上千kHz。晶體管V飽和導(dǎo)通時,雖然電流較大,但管壓降很小;截止斷開時,雖然管壓降很大,但通過的電流幾乎為零。這就使得開關(guān)晶體管V在其整個工作過程中的功耗很小,電源的效率可以大幅度地提高。(2)降低耗散功率的措施從圖2可以清楚地看到,沒有了笨重的工頻降壓變壓器。由于調(diào)整管上的耗散功率大幅度地降低,因而省去了體積和重量都較大的散熱片。由于這兩方面的原因,故開關(guān)電源的體積小、重量輕。(3)帶穩(wěn)定過流的開關(guān)開關(guān)電源的輸出電壓是通過激勵信號的占空比來調(diào)節(jié)的,輸入電壓的波動變化,可以通過改變占空比的方式來進行補償,這樣在輸入電壓變化或波動較大時,它仍能保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。所以,開關(guān)電源的穩(wěn)壓范圍很寬,穩(wěn)壓效果較好。此外,改變占空比的方法有脈寬調(diào)制型、頻率調(diào)制型和混合調(diào)制型三種。這樣開關(guān)電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點,而且實現(xiàn)穩(wěn)壓的方法也較多較靈活,設(shè)計人員可以根據(jù)實際應(yīng)用的需要和要求,靈活選用各種形式的穩(wěn)壓方法。(4)提高了100倍的濾波效率開關(guān)電源的工作頻率目前基本上是工作在50kHz左右,是線性電源的1000倍,這使整流后的濾波效率幾乎也提高了1000倍。就是采用半波整流后加電容濾波,效率也提高了500倍。在相同波紋輸出電壓的要求下,采用開關(guān)電源時,濾波電容的容量只是線性電源中濾波電容容量的1/500～1/1000。濾波電容容量減小以后,整個電源的體積和重量也相應(yīng)地有所減小。(5)開關(guān)元件的選擇例如:有自激式和他激式;有調(diào)寬型和調(diào)頻型;有單端式和雙端式;有開關(guān)元件為晶體管式和開關(guān)元件為可控硅式……等等。設(shè)計者可以發(fā)揮各種類型電路的特長,設(shè)計出能滿足各種不同應(yīng)用場合的開關(guān)電源。2.3變壓器工頻壓壓開關(guān)電源最為突出的缺點就是開關(guān)干擾較為嚴(yán)重。開關(guān)電源中的開關(guān)功率管是工作在開關(guān)狀態(tài)下,它產(chǎn)生的交流電壓和電流會通過電路中的其他元器件產(chǎn)生尖峰干擾和諧振干擾,這些干擾如果不采取一定的措施進行抑制、消除、屏蔽和隔離,就會嚴(yán)重地影響整機的正常工作。此外,由于開關(guān)電源中沒有了工頻降壓變壓器的隔離,振蕩器所產(chǎn)生的高頻干擾如果不加以消除,就會串入工頻電網(wǎng),使附近的其他電子儀器、設(shè)備和家用電器受到嚴(yán)重的干擾。目前,由于國內(nèi)微電子技術(shù)、阻容器件生產(chǎn)技術(shù)以及磁性材料技術(shù)與一些技術(shù)先進的國家還有一定的差距,因此開關(guān)電源的造價不能進一步降低,也影響到可靠性的進一步提高。所以,在我國的電子儀器以及機電一體化儀器中,開關(guān)電源還不能得到普及使用。特別是無工頻變壓器開關(guān)電源中的高壓電容、高反壓大功率開關(guān)管、開關(guān)變壓器的磁性材料等元件,我國還處于研究和開發(fā)階段。一些先進的國家,雖然有了一定的發(fā)展,但是在實際應(yīng)用中還存在一些問題,不能令人十分滿意。這就暴露出了開關(guān)電源的又一個缺點,那就是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率高、維修麻煩、成本高。對此,如果設(shè)計者和制造者不予以充分重視,則會直接影響開關(guān)穩(wěn)壓電源的推廣應(yīng)用。3變壓器的應(yīng)用在電子技術(shù)和應(yīng)用飛速發(fā)展的今天,對電子儀器和設(shè)備的要求是,在性能上更加安全可靠,在功能上不斷增加,在使用上自動化程度要越來越高,在體積上日趨小型化。這使采用具有眾多優(yōu)點的開關(guān)電源就顯得更加重要。所以,開關(guān)電源在計算機、通信、航天、彩電等方面都得到了越來越廣泛的應(yīng)用,發(fā)揮了巨大的作用,這大大促進了開關(guān)電源的發(fā)展,從事這方面研究和生產(chǎn)的人員也在不斷地增加,開關(guān)電源的品種和類型也越來越多。常見的開關(guān)電源的分類方法有下列幾種:3.1激勵模式分類(1)他的風(fēng)格開關(guān)電源電路中專設(shè)激勵信號振蕩器,電路形式如圖3所示。(2)自我刺激開關(guān)功率管兼作振蕩管,其電路形式如圖4所示。該形式的開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)簡單,元器件少,可以做成低成本的開關(guān)電源。3.2根據(jù)配置方法劃分(1)脈寬調(diào)整型振蕩頻率保持不變,通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來改變輸出電壓的大小,電路形式如圖5所示。(2)頻帶的調(diào)整類型占空比保持不變(脈沖寬度保持不變),通過改變振蕩頻率來改變輸出電壓大小,其電路形式如圖6所示。(3)混合類型脈沖寬度和振蕩頻率均可進行調(diào)節(jié)的開關(guān)電源,電路形式如圖7所示。3.3根據(jù)開關(guān)管的運行模式劃分(1)子方案用開關(guān)晶體管把直流變成高頻標(biāo)準(zhǔn)方波,其電路形式類似于他激式。(2)共振類型開關(guān)晶體管與LC諧振回路將直流變成標(biāo)準(zhǔn)正弦波,其電路形式類似于自激式開關(guān)電源。3.4根據(jù)開關(guān)晶體的類型分類(1)這種類型的晶體采用晶體管(包括場效應(yīng)管)作為開關(guān)功率管,電路形式如圖8所示。(2)可控制硅的類型采用可控硅作為開關(guān)功率管。這種電路的特點是直接輸入交流電壓,不需要一次整流部分,其電路形式如圖9所示。3.5基于能量損失和負(fù)荷連接的方式(1)聯(lián)連接類型儲能電感串聯(lián)在輸入與輸出電壓之間,電路形式如圖10所示。(2)同型號儲能電感并聯(lián)在輸入與輸出電壓之間,電路形式如圖11所示。3.6根據(jù)連接方法和網(wǎng)絡(luò)連接方法(1)學(xué)生使用電路設(shè)計僅使用一個晶體管作為電路中的開關(guān)管。這種電路的特點是價格低、電路結(jié)構(gòu)簡單,但輸出功率不能提高。其電路形式類似于圖3、圖4、圖8所示。(2)電源電壓過低電路使用兩個功率開關(guān)管,將其連接成推挽功率放大器的形式。這種電路的特點是可以工作在電源電壓較低的場合,一般逆變器多采用這種形式的電路,但它的缺點是開關(guān)變壓器的初級必須具有中心抽頭。電路形式如圖12所示。(3)半橋式使用兩個功率開關(guān)管,將其連接成半橋形式。它的特點是適應(yīng)于輸入電壓較高的場合,其電路形式如圖13所示。(4)全橋式使用四個功率開關(guān)管,將其連接成全橋的形式。它的特點是輸出功率較大,其電路形式如圖14所示。3.7根據(jù)電路結(jié)構(gòu)進行分類(1)分散的東西整個開關(guān)電源電路都是采用分立式元器件組成的。這種電路的缺點是電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。(2)帶單獨作用的變壓器有整個開關(guān)電源電路或電路的一部分是由集成電路組成的。這種集成電路通常被稱為厚膜電路,有的厚膜集成電路中包括功率開關(guān)管,有的則不包括。這種形式的電源的特點是電路結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、可靠性高。這種電路被廣泛地應(yīng)用于彩色電視中。以上五花八門的開關(guān)電源品種都是站在不同的角度,以開關(guān)電源不同的特點命名和劃分的。不論是激勵方法、輸出直流電壓的調(diào)節(jié)手段、儲能電感的連接方法、功率開關(guān)管的器件種類以及串并聯(lián)結(jié)構(gòu),還是其他的電路形式,它們最后總可以歸結(jié)為串聯(lián)型和并聯(lián)型開關(guān)電源這兩大類。4開關(guān)開發(fā)4.1國際發(fā)展(1)開關(guān)狀態(tài)的特征1955年美國的科學(xué)家羅耶(G·H·Royer)首先研制成功了利用磁芯的飽和來進行自激振蕩的晶體管直流變換器。此后,利用這一技術(shù)的各種形式的晶體管直流變換器不斷地研制和涌現(xiàn)出來,從而取代了早期采用的旋轉(zhuǎn)式或機械振子式的壽命短、可靠性差、轉(zhuǎn)換效率低的換流設(shè)備。由于變換器中的功率開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài),所以由此而制成的開關(guān)電源輸出的組數(shù)多、極性可變、效率高、體積小、重量輕,在當(dāng)時被廣泛地應(yīng)用于航天及軍事電子設(shè)備上。由于那時的微電子技術(shù)十分落后,不能制作出耐壓高、速度快、功率大的晶體管,所以這個時期的直流變換器只能采用低電壓輸入,并且轉(zhuǎn)換的速度也不能太高。60年代末,由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展,高反壓的晶體管出現(xiàn)了,從此以后直流變換器就可以直接由市電經(jīng)整流濾波后輸入,不再需要有降壓變壓器了,從而極大地擴大了開關(guān)電源的應(yīng)用范圍,并在此基礎(chǔ)上誕生了無工頻降壓變壓器開關(guān)電源,省掉了工頻降壓變壓器,使開關(guān)電源的體積和重量大為減小。開關(guān)穩(wěn)壓電源才真正做到效率高、體積小、重量輕。70年代以后,與該技術(shù)有關(guān)的高頻高反壓的大功率晶體管、場效應(yīng)管、高頻電容、肖特基二極管、高頻磁芯材料等元器件也不斷地被研制和生產(chǎn)出來,使這一技術(shù)得到了飛速的發(fā)展,并且被廣泛地應(yīng)用于計算機、通信、航天、彩色電視等領(lǐng)域中,從而使無工頻變壓器開關(guān)電源成為各種電源中的佼佼者。(2)提高開關(guān)使用頻率隨著半導(dǎo)體技術(shù)和微電子技術(shù)的高速發(fā)展,集成度高、功能強的大規(guī)模集成電路的不斷出現(xiàn),使得電子設(shè)備的體積在不斷地縮小,重量在不斷地減輕,所以從事這方面的研究和生產(chǎn)的人們對電源中的開關(guān)變壓器還感到不是十分理想,他們正致力于研制出效率更高、體積和重量更小的開關(guān)變壓器或通過別的途徑來取代它,使之能滿足電子儀器和設(shè)備微小型化的要求。這就是從事開關(guān)電源研究的科技人員目前正在克服的第一個困難。開關(guān)電源的效率是與開關(guān)管的變換速度成正比的,并且由于采用了開關(guān)變壓器以后,才能使之由一組輸入得到極性、大小各不相同的多組輸出。要進一步提高其效率,就必須提高其工作頻率。但是當(dāng)頻率提高以后,對整個電路中的元器件又有了新的要求。例如:高頻電容、開關(guān)管、開關(guān)變壓器、儲能電感、快速整流二極管等都會出現(xiàn)新的問題。進一步研制出適應(yīng)高頻工作的有關(guān)電路元器件是從事開關(guān)電源研制的科技人員要解決的第二個問題。線性電源中的功率調(diào)整管具有穩(wěn)壓和電子濾波的雙重作用,因而串聯(lián)線性電源不產(chǎn)生開關(guān)干擾,且輸出波紋電壓小。但是開關(guān)電源中的開關(guān)管是工作在開關(guān)狀態(tài),所以就會產(chǎn)生尖峰干擾和諧振干擾。這些干擾就會污染市電電網(wǎng),影響鄰近的電子儀器和設(shè)備的正常工作。隨著開關(guān)電源電路和抑制干擾措施的不斷增加和完善,它的這一缺點得到了進一步的克服,可以達(dá)到不妨礙一般電子儀器和設(shè)備正常工作的程度。但在一些精密電子儀器中,由于這一缺點,卻使開關(guān)電源不能得到應(yīng)用。所以,克服這一缺點,進一步提高開關(guān)電源的使用范圍是從事開關(guān)電源研制人員要解決的第三個問題。目前,在開關(guān)電源方面急需解決的最后一個問題,是開關(guān)管的二次擊穿問題。要解決這一問題,首先要將其產(chǎn)生的原因分析清楚,而目前人們對此還沒有完全掌握,還只能從“熱點”的角度進行解釋,所以這方面還需人們?nèi)プ龃罅康难芯亢吞剿鞴ぷ鳌?.2高頻電源技術(shù)我國的晶體管直流變換器及開關(guān)電源研制工作開始于60年代初,到60年代中進入了實用階段,70年代初開始研制無工頻降壓變壓器開關(guān)電源。1974年研制成功了工作頻率為10kHz、輸出電壓為5V的無工頻降壓變壓器開關(guān)電源。近10多年來,我國的許多研究所、工廠和高等院校已研制和生產(chǎn)出了多種型號的工作頻率為20kHz左右,輸出功率在1000W以下的無工頻降壓變壓器開關(guān)電源,并應(yīng)用于計算機、通信、電視等方面,取得了較好的效果。工作頻率為100～200kHz的高頻開關(guān)電源于80年代初就已開始試制,90年代初試制成功。目前正在走向?qū)嵱煤驮龠M一