開(kāi)關(guān)電源

定義

所謂開(kāi)關(guān)電源，故名思議，就是這里有一扇門(mén)，一開(kāi)門(mén)電源就通過(guò)，一關(guān)門(mén)電源就停止通過(guò)，那么什么是門(mén)呢，開(kāi)關(guān)電源里有的采用可控硅，有的采用開(kāi)關(guān)管，這兩個(gè)元器件性能差不多，都是靠基極、（開(kāi)關(guān)管）控制極（可控硅）上加上脈沖信號(hào)來(lái)完成導(dǎo)通和截止的，脈沖信號(hào)正半周到來(lái)，控制極上電壓升高，開(kāi)關(guān)管或可控硅就導(dǎo)通，由220V整流、濾波后輸出的300V電壓就導(dǎo)通，通過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器傳到次級(jí)，再通過(guò)變壓比將電壓升高或降低，供各個(gè)電路工作。振蕩脈沖負(fù)半周到來(lái)，電源調(diào)整管的基極、或可控硅的控制極電壓低于原來(lái)的設(shè)置電壓，電源調(diào)整管截止，300V電源被關(guān)斷，開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)沒(méi)電壓，這時(shí)各電路所需的工作電壓，就靠次級(jí)本路整流后的濾波電容放電來(lái)維持。待到下一個(gè)脈沖的周期正半周信號(hào)到來(lái)時(shí)，重復(fù)上一個(gè)過(guò)程。這個(gè)開(kāi)關(guān)變壓器就叫高頻變壓器，因?yàn)樗墓ぷ黝l率高于50HZ低頻。那么推動(dòng)開(kāi)關(guān)管或可控硅的脈沖如何獲得呢，這就需要有個(gè)振蕩電路產(chǎn)生，我們知道，晶體三極管有個(gè)特性，就是基極對(duì)發(fā)射極電壓是0.65-0.7V是放大狀態(tài)，0.7V以上就是飽和導(dǎo)通狀態(tài)， -0.1V- -0.3V就工作在振蕩狀態(tài)，那么其工作點(diǎn)調(diào)好后，就靠較深的負(fù)反饋來(lái)產(chǎn)生負(fù)壓，使振蕩管起振，振蕩管的頻率由基極上的電容充放電的時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)決定，振蕩頻率高輸出脈沖幅度就大，反之就小，這就決定了電源調(diào)整管的輸出電壓的大小。那么變壓器次級(jí)輸出的工作電壓如何穩(wěn)壓呢，一般是在開(kāi)關(guān)變壓器上，單繞一組線圈，在其上端獲得的電壓經(jīng)過(guò)整流濾波后，作為基準(zhǔn)電壓，然后通過(guò)光電耦合器，將這個(gè)基準(zhǔn)電壓返回振蕩管的基極，來(lái)調(diào)整震蕩頻率的高低，如果變壓器次級(jí)電壓升高，本取樣線圈輸出的電壓也升高，通過(guò)光電耦合器獲得的正反饋電壓也升高，這個(gè)電壓加到振蕩管基極上，就使振蕩頻率降低，起到了穩(wěn)定次級(jí)輸出電壓的穩(wěn)定，太細(xì)的工作情況就不必細(xì)講了，也沒(méi)必要了解的那么細(xì)的，這樣大功率的電壓由開(kāi)關(guān)變壓器傳遞，并與后級(jí)隔開(kāi)，返回的取樣電壓由光耦傳遞也與后級(jí)隔開(kāi)，所以前級(jí)的市電電壓，是與后級(jí)分離的，這就叫冷板，是安全的，變壓器前的電源是獨(dú)立的，這就叫開(kāi)關(guān)電源。

發(fā)展方向

開(kāi)關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開(kāi)關(guān)電源小型化，并使開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。開(kāi)關(guān)電源中應(yīng)用的電力電子器件主要為二極管、IGBT和MOSFET。SCR在開(kāi)關(guān)電源輸入整流電路及軟啟動(dòng)電路中有少量應(yīng)用，GTR驅(qū)動(dòng)困難，開(kāi)關(guān)頻率低，逐漸被IGBT和MOSFET取代。

開(kāi)關(guān)電源的基本工作原理

開(kāi)關(guān)電源的工作過(guò)程相當(dāng)容易理解，在線性電源中，讓功率晶體管工作在線性模式，與線形電源不同的是，PWM開(kāi)關(guān)電源是讓功率晶體管工作在導(dǎo)通和關(guān)斷的狀態(tài)，在這兩種狀態(tài)中，加在功率晶體管上的伏-安乘積是很小的（在導(dǎo)通時(shí)，電壓低，電流大；關(guān)斷時(shí)，電壓高，電流?。?功率器件上的伏安乘積就是功率半導(dǎo)體器件上所產(chǎn)生的損耗。與線性電源相比，PWM開(kāi)關(guān)電源更為效的工作過(guò)程是通過(guò)“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。脈沖的占空比由開(kāi)關(guān)電源的控制器來(lái)調(diào)節(jié)。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過(guò)變壓器來(lái)升高或降低。通過(guò)增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓組數(shù)。最后這些交流波形經(jīng)過(guò)整流濾波后就得到直流輸出電壓。控制器的主要目的是保持輸出電壓穩(wěn)定，其工作過(guò)程與線性形式的控制器很類(lèi)似。也就是說(shuō)控制器的功能塊、電壓參考和誤差放大器，可以設(shè)計(jì)成與線性調(diào)節(jié)器相同。他們的不同之出在于，誤差放大器的輸出（誤差電壓）在驅(qū)動(dòng)功率管之前要經(jīng)過(guò)一個(gè)電壓/脈沖寬度轉(zhuǎn)換單元。開(kāi)關(guān)電源有兩種主要的工作方式：正激式變換和升壓式變換。盡管它們各部分的布置差別很小，但是工作過(guò)程相差很大，在特定的應(yīng)用場(chǎng)合下個(gè)有優(yōu)點(diǎn)。

開(kāi)關(guān)電源的三個(gè)條件

開(kāi)關(guān)

電力電子器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)而不是線性狀態(tài)

高頻

電力電子器件工作在高頻而不是接近工頻的低頻

直流

開(kāi)關(guān)電源輸出的是直流而不是交流 也可以輸出高頻交流如電子變壓器

開(kāi)關(guān)電源的分類(lèi)

人們?cè)陂_(kāi)關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域是邊開(kāi)發(fā)相關(guān)電力電子器件，邊開(kāi)發(fā)開(kāi)關(guān)變頻技術(shù)，兩者相互促進(jìn)推動(dòng)著開(kāi)關(guān)電源每年以超過(guò)兩位數(shù)字的增長(zhǎng)率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開(kāi)關(guān)電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類(lèi)，也有AC/AC DC/AC 如逆變器 DC/DC變換器現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)模塊化，且設(shè)計(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國(guó)內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，并已得到用戶的認(rèn)可，但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進(jìn)程中，遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問(wèn)題。以下分別對(duì)兩類(lèi)開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)和特性作以闡述。

開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向

開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。由于開(kāi)關(guān)電源輕、小、薄的關(guān)鍵技術(shù)是高頻化，因此國(guó)外各大開(kāi)關(guān)電源制造商都致力于同步開(kāi)發(fā)新型高智能化的元器件，特別是改善二次整流器件的損耗，并在功率鐵氧體（Mn瞆n)材料上加大科技創(chuàng)新，以提高在高頻率和較大磁通密度320W單組開(kāi)關(guān)電源（Bs)下獲得高的磁性能，而電容器的小型化也是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。SMT技術(shù)的應(yīng)用使得開(kāi)關(guān)電源取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，在電路板兩面布置元器件，以確保開(kāi)關(guān)電源的輕、小、薄。開(kāi)關(guān)電源的高頻化就必然對(duì)傳統(tǒng)的PWM開(kāi)關(guān)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)ZVS、ZCS的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)已成為開(kāi)關(guān)電源的主流技術(shù)，并大幅提高了開(kāi)關(guān)電源的工作效率。對(duì)于高可靠性指標(biāo)，美國(guó)的開(kāi)關(guān)電源生產(chǎn)商通過(guò)降低運(yùn)行電流，降低結(jié)溫等措施以減少器件的應(yīng)力，使得產(chǎn)品的可靠性大大提高。模塊化是開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的總體趨勢(shì)，可以采用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng)，可以設(shè)計(jì)成N＋1冗余電源系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)并聯(lián)方式的容量擴(kuò)展。針對(duì)開(kāi)關(guān)電源運(yùn)行噪聲大這一缺點(diǎn)，若單獨(dú)追求高頻化其噪聲也必將隨著增大，而采用部分諧振轉(zhuǎn)換電路技術(shù)，在理論上即可實(shí)現(xiàn)高頻化又可降低噪聲，但部分諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用仍存在著技術(shù)問(wèn)題，故仍需在這一領(lǐng)域開(kāi)展大量的工作，以使得該項(xiàng)技術(shù)得以實(shí)用化。電力電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新，使開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。要加快我國(guó)開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度，就必須走技術(shù)創(chuàng)新之路，走出有中國(guó)特色的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合發(fā)展之路，為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

開(kāi)關(guān)電源 測(cè)試方法

一． 耐電壓 （HI.POT,ELECTRIC STRENGTH ,DIELECTRIC VOLTAGE WITHSTAND）KV 1.1 定義:于指定的端子間,例如:I/P-O/P,I/P-FG,O/P-FG間,可耐交流之有效值,漏電流一般可容許10毫安,時(shí)間1分鐘。1.2 測(cè)試條件：Ta：25℃；RH：室內(nèi)濕度。開(kāi)關(guān)電源1.3 測(cè)試回路：1.4 說(shuō)明：1．4．1 耐壓測(cè)試主要為防止電氣破壞，經(jīng)由輸入串入之高壓，影響使用者安全。1．4．2 測(cè)試時(shí)電壓必須由0V開(kāi)始調(diào)升，并于1分鐘內(nèi)調(diào)至最高點(diǎn)。1．4．2 放電時(shí)必須注意測(cè)試器之Timer設(shè)定，于OFF前將電壓調(diào)回 0V。1．4．3 安規(guī)認(rèn)證測(cè)試時(shí)，變壓器需另行加測(cè)，室內(nèi) ，溫度25℃，RH：95℃，48HR，后測(cè)試變壓器初/次級(jí)與初級(jí)/CORE。1．4．5生產(chǎn)線測(cè)試時(shí)間為1秒鐘。

提高開(kāi)關(guān)電源待機(jī)效率的方法

切斷啟動(dòng)電阻

對(duì)于反激式電源，啟動(dòng)后控制芯片由輔助繞組供電，啟動(dòng)電阻上壓降為300V左右。設(shè)啟動(dòng)電阻取值為47kΩ，消耗功率將近2W。要改善待機(jī)效率，必須在啟動(dòng)后將該電阻通道切斷。TOPSWITCH，ICE2DS02G內(nèi)部設(shè)有專(zhuān)門(mén)的啟動(dòng)電路，可在啟動(dòng)后關(guān)閉該電阻。若控制器沒(méi)有專(zhuān)門(mén)啟動(dòng)電路，也可在啟動(dòng)電阻串接電容，其啟動(dòng)后的損耗可逐漸下降至零。缺點(diǎn)是電源不能自重啟，只有斷開(kāi)輸入電壓，使電容放電后才能再次啟動(dòng)電路。

降低時(shí)鐘頻率

時(shí)鐘頻率可平滑下降或突降。平滑下降就是當(dāng)反饋量超過(guò)某一閾值，通過(guò)特定模塊，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘頻率的線性下降。

切換工作模式

1．QR→PWM對(duì)于工作在高頻工作模式的開(kāi)關(guān)電源，在待機(jī)時(shí)切換至低頻工作模式可減小待機(jī)損耗。例如，對(duì)于準(zhǔn)諧振式開(kāi)關(guān)電源（工作頻率為幾百kHz到幾MHz），可在待機(jī)時(shí)切換至低頻的脈寬調(diào)制控制模式PWM（幾十kHz）。IRIS40xx芯片就是通過(guò)QR與PWM切換來(lái)提高待機(jī)效率的。當(dāng)電源處于輕載和待機(jī)時(shí)候，輔助繞組電壓較小，Q1關(guān)斷，諧振信號(hào)不能傳輸至FB端，F(xiàn)B電壓小于芯片內(nèi)部的一個(gè)門(mén)限電壓，不能觸發(fā)準(zhǔn)諧振模式，電路則工作在更低頻的脈寬調(diào)制控制模式。2．PWM→PFM 　對(duì)于額定功率時(shí)工作在PWM模式的開(kāi)關(guān)電源，也可以通過(guò)切換至PFM模式提高待機(jī)效率，即固定開(kāi)通時(shí)間，調(diào)節(jié)關(guān)斷時(shí)間，負(fù)載越低，關(guān)斷時(shí)間越長(zhǎng)，工作頻率也越低。將待機(jī)信號(hào)加在其PW/引腳上，在額定負(fù)載條件下，該引腳為高電平，電路工作在PWM模式，當(dāng)負(fù)載低于某個(gè)閾值時(shí)，該引腳被拉為低電平，電路工作在PFM模式。實(shí)現(xiàn)PWM和PFM的切換，也就提高了輕載和待機(jī)狀態(tài)時(shí)的電源效率。通過(guò)降低時(shí)鐘頻率和切換工作模式實(shí)現(xiàn)降低待機(jī)工作頻率，提高待機(jī)效率，可保持控制器一直在運(yùn)作，在整個(gè)負(fù)載范圍中，輸出都能被妥善的調(diào)節(jié)。即使負(fù)載從零激增至滿負(fù)載的情況下，能夠快速反應(yīng)，反之亦然。輸出電壓降和過(guò)沖值都保持在允許范圍內(nèi)。

可控脈沖模式

（BurstMode） 可控脈沖模式，也可稱(chēng)為跳周期控制模式（SkipCycleMode）是指當(dāng)處于輕載或待機(jī)條件時(shí)，由周期比PWM控制器時(shí)鐘周期大的信號(hào)控制電路某一環(huán)節(jié)，使得PWM的輸出脈沖周期性的有效或失效，這樣即可實(shí)現(xiàn)恒定頻率下通過(guò)減小開(kāi)關(guān)次數(shù)，增大占空比來(lái)提高輕載和待機(jī)的效率。該信號(hào)可以加在反饋通道，PWM信號(hào)輸出通道，PWM芯片的使能引腳（如LM2618，L6565）或者是芯片內(nèi)部模塊（如NCP1200，F(xiàn)SD200，L6565和TinySwitch系列芯片）。