電子設(shè)備中電源的應用

電子設(shè)備中電源的應用

1高效節(jié)能型電源電力是各種電子設(shè)備不可或缺的部件。其性能的好壞直接關(guān)系到彝族電子部件的技術(shù)水平和是否能夠安全運行。目前常用的直流穩(wěn)壓電源和開關(guān)電源兩大類。由于開關(guān)電源本身消耗的能量低,電源效率比普通線性穩(wěn)壓電源提高一倍,被廣泛用于電子計算機、通訊、家電等各個行業(yè)。對于開關(guān)電源的廣泛應用,有必要對其原理進行了解、對其發(fā)展趨勢有所掌握,對現(xiàn)實工作將有極大幫助。開關(guān)電源(SwitchModePowerSupply,即SMPS)被譽為高效節(jié)能型電源,它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向,現(xiàn)已成穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。半個世紀以來,開關(guān)電源大致經(jīng)歷了四個發(fā)展階段。早期的開關(guān)電源全部由分離元件構(gòu)成,不僅開關(guān)頻率低、效率不高,而且電路復雜,不易調(diào)試。在20世紀70年代研制出的脈寬調(diào)制器集成電路,僅對開關(guān)電源中的控制電路實現(xiàn)了集成化。20世紀80年代問世的單片開關(guān)穩(wěn)壓器,從本質(zhì)上講仍屬于DC/DC電源變換器。隨著各種類型單片開關(guān)電源集成電路的問世,AC/DC電源變換器的集成化變?yōu)楝F(xiàn)實。隨著全球?qū)δ茉磫栴}的重視,電子產(chǎn)品的耗能問題將愈來愈突出,如何降低其待機功耗,提高供電效率成為一個急待解決的問題。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源雖然電路結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠,但它存在著效率低(只有40%-50%)、體積大、銅鐵消耗量大,工作溫度高及調(diào)整范圍小等缺點。為了提高效率,人們研制出了開關(guān)式穩(wěn)壓電源,它的效率可達85%以上,穩(wěn)壓范圍寬,除此之外,還具有穩(wěn)壓精度高、不使用電源變壓器等特點,是一種較理想的穩(wěn)壓電源。正因為如此,開關(guān)式穩(wěn)壓電源已廣泛應用于各種電子設(shè)備中,開關(guān)電源就是用通過電路控制開關(guān)管進行高速的導通與截止,將直流電轉(zhuǎn)化為高頻率的交流電提供給變壓器進行變壓,從而產(chǎn)生所需要的一組或多組電壓。2供電的基本原理和組成2.1pfm式開關(guān)開關(guān)電源按控制原理來分類,大致有以下3種工作方式:1)脈沖寬度調(diào)制式,簡稱脈寬調(diào)制(PulseWidthModulation,縮寫為PWM)式。其主要特點是固定開關(guān)頻率,通過改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)占空比,實現(xiàn)穩(wěn)壓目的。其核心是脈寬調(diào)制器。開關(guān)周期的固定為設(shè)計濾波電路提供了方便。但是,它的缺點是受功率開關(guān)最小導通時間的限制,對輸出電壓不能作寬范圍調(diào)節(jié);此外,輸出端一般要接假負載(亦稱預負載),以防止空載時輸出電壓升高。目前,大多數(shù)的集成開關(guān)電源采用PWM方式。2)脈沖頻率調(diào)制方式,簡稱脈頻調(diào)制(PulseFrequencyModulation,縮寫為PFM)式。其特點是將脈沖寬度固定,通過改變開關(guān)頻率來調(diào)節(jié)占空比,實現(xiàn)穩(wěn)壓的目的。其核心是脈頻調(diào)制器。在電路設(shè)計上要用固定脈寬發(fā)生器來代替脈寬調(diào)制器中的鋸齒波發(fā)生器,并利用電壓?頻率轉(zhuǎn)換器(例如壓控振蕩器VCO)改變頻率。它的穩(wěn)壓原理是:當輸出電壓Uo升高時,控制器輸出信號的脈沖寬度不變而周期變長,使占空比減小,Uo降低。PFM式開關(guān)電源的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍很寬,輸出端可不接假負載。PWM方式和PFM方式的調(diào)制波形分別如圖1(a)、(b)所示,tp表示脈沖寬度(即功率開關(guān)管的導通時間tON),T代表周期。從中可以比較容易的看出兩者的區(qū)別。但它們也有共同之處:(1)均采用時間比率控制(TRC)的穩(wěn)壓原理,無論是改變tp還是T,最終調(diào)節(jié)的都是脈沖占空比。盡管采用的方式不同,但控制目標一致,可謂殊途同歸。(2)當負載由輕變重,或者輸入電壓從高變低時,分別通過增加脈寬、升高頻率的方法使輸出電壓保持穩(wěn)定。3)混合調(diào)制方式,是指脈沖寬度與開關(guān)頻率均不固定,彼此都能改變的方式,它屬于PWM和PFM的混合方式。它包含了脈寬調(diào)制器和脈頻調(diào)制器。由于和T均可單獨調(diào)節(jié),因此占空比調(diào)節(jié)范圍最寬,適合制作供實驗室使用的輸出電壓可以寬范圍調(diào)節(jié)的開關(guān)電源。以上3種工作方式統(tǒng)稱為“時間比率控制”(TimeRatioControl,簡稱TRC)方式。需要指出的是,脈寬調(diào)制器既可作為一片獨立的集成電路使用(例如UC3842型脈寬調(diào)制器),亦可被集成在DC/DC變換器中(例如LM2576型開關(guān)穩(wěn)壓器集成電路),還能集成在AC/DC變換器中(例如TOP250型單片開關(guān)電源集成電路)。其中,開關(guān)穩(wěn)壓器屬于DC/DC電源變換器,開關(guān)電源一般為AC/DC電源變換器。2.2高頻電源的主要工作原理開關(guān)電源的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示,其工作原理是:市電進入電源首先經(jīng)整流和濾波轉(zhuǎn)為高壓直流電,然后通過開關(guān)電路和高頻開關(guān)變壓器轉(zhuǎn)為高頻率低壓脈沖,再經(jīng)過整流和濾波電路,最終輸出低電壓的直流電源。同時在輸出部分有一個電路反饋給控制電路,通過控制PWM占空比以達到輸出電壓穩(wěn)定。開關(guān)電源由以下4部分構(gòu)成:1)主電路:從交流電網(wǎng)輸入,到直流輸出的主要電路。主要包括輸入濾波器、整流與濾波、逆變、輸出整流與濾波。(1)輸入濾波器:其作用是將電網(wǎng)存在的雜波過濾,同時也阻礙本機產(chǎn)生的雜波反饋到公共電網(wǎng)。(2)整流與濾波:將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電,以供下一級變換。(3)逆變:將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電,這是高頻開關(guān)電源的核心部分,頻率越高,體積、重量與輸出功率之比越小。(4)輸出整流與濾波:根據(jù)負載需要,提供穩(wěn)定可靠的直流電源。2)控制電路:一方面從輸出端取樣,經(jīng)與設(shè)定標準進行比較,然后去控制逆變器,改變其頻率或脈寬,達到輸出穩(wěn)定,另一方面,根據(jù)測試電路提供的數(shù)據(jù),經(jīng)保護電路鑒別,提供控制電路對整機進行各種保護措施。包括輸出端取樣電路、反饋電路和脈寬調(diào)制器。3)檢測及保護電路:檢測電路有過電流檢測、過電壓檢測、欠電壓檢測、過熱檢測等;保護電路可分為過電流保護、過電壓保護、欠電壓保護、箝位保護、過熱保護、自動重啟動、軟啟動、緩啟動等多種類型。4)其他電路:如鋸齒波發(fā)生器、偏置電路、光耦合器等。3變壓器的高頻化開關(guān)電源的效率比線性電源高很多。這樣就節(jié)省了能源,因此它受到人們的青睞。但它也有缺點,就是電路復雜,維修困難,對電路的污染嚴重。電源噪聲大,不適合用于某些低噪聲電路。開關(guān)電源的技術(shù)追求和發(fā)展趨勢可以概括為以下四個方面:1)小型化、薄型化、輕量化、高頻化。開關(guān)電源的體積、重量主要是由儲能元件(磁性元件和電容)決定的,因此開關(guān)電源的小型化實質(zhì)上就是盡可能減小其中儲能元件的體積。在一定范圍內(nèi),開關(guān)頻率的提高,不僅能有效地減小電容、電感及變壓器的尺寸,而且還能夠抑制干擾,改善系統(tǒng)的動態(tài)性能,因此高頻化是開關(guān)電源的主要發(fā)展方向。2)高可靠性。開關(guān)電源比連續(xù)工作電源使用的元器件多數(shù)十倍,因此降低了可靠性。從壽命角度出發(fā),電解電容、光耦合器及排風扇等器件的壽命決定著電源的壽命。所以,要從設(shè)計方面著眼,盡可能使用較少的器件,提高集成度,采用模塊化技術(shù)可以滿足分布式電源系統(tǒng)的需要,提高系統(tǒng)的可靠性。3)低噪聲。開關(guān)電源的缺點之一是噪聲大,單純地追求高頻化,噪聲也會隨之增大。采用部分諧振轉(zhuǎn)換回路技術(shù),在原理上既可以提高頻率又可以降低噪聲,所以,盡可能降低噪聲影響是開關(guān)電源的又一發(fā)展方向。4)采用計算機輔助設(shè)計和控制。采用CAA和CDD技術(shù)設(shè)計最新變換拓撲和最佳參數(shù),使開關(guān)電源具有最簡結(jié)構(gòu)和最佳工況。在電路中引入微機檢測和控制,可構(gòu)成多功能監(jiān)控系統(tǒng),可以實時檢測、記錄并自動報警等。5)低輸出電壓技術(shù)。隨著半導體制造技術(shù)的不斷發(fā)展,微處理器和便攜式電子設(shè)備的工作越來越低,這就要求未來的DC-DC變換器能夠提供低輸出電壓以適應微處理器和便攜式電子設(shè)備的供電要求。開關(guān)電源的發(fā)展從來都是與半導體器件及磁性元件等的發(fā)展休戚相關(guān),高頻化的實現(xiàn),需要相應的高速半導體器件和性能優(yōu)良的高頻電磁元件。發(fā)展電力MOSFET、IGBT等新型高速器件,開發(fā)高頻用的低損磁性材料,改進磁元件的結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法,提高濾波電容的介電常數(shù)及降低其等效串聯(lián)電阻等方面的工作,對于開關(guān)電源小型化始終產(chǎn)生著巨大的推動作用?？傊?人們在開關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域里,邊開發(fā)低損耗回路技術(shù),邊開發(fā)新型元器件,兩者相互促進推動著開關(guān)電源每年以超過兩位數(shù)的市場增長率向小型、薄型、高頻、低噪聲、高可靠方向發(fā)展。4變壓器及電源目前,開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用于以電子計算機為主導的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備等幾乎所有的電子設(shè)備,是當今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式;并對開關(guān)電源提出了小型輕量要求,此外要求開關(guān)電源效率要更高、性能更好、可靠性更高等。當前,各國正在努力開新器件、新材料以及改進裝連方法,進一步提高效率,縮小體積,降低價格,以解決開關(guān)電源面臨的課題,即環(huán)境適配性,包括噪聲與諧波等的電磁適配性,以及同人類之間的安全適配性等。開關(guān)電源雖有很多優(yōu)點,但它是強電流高頻電路。除了電壓調(diào)整器的輸入、輸出端口的電容必須是與工作頻率適應的高頻電容外,抑制電感和導線的磁場干擾及射頻輻射干擾是必須注意的問題。在電壓調(diào)整器