开关电源的特点与工作原理

1.特点

开关电源是一种应用很广泛的电源,常用在彩色电视机、变频器、计算机和复印机等功率较大的电子设备中。与线性稳压电源比较,开关电源主要有以下特点:

1)效率高、功耗小。开关电源的效率可达80%以上,一般的线性电源效率只有50%左右。

2)稳压范围宽。例如彩色电视机的开关电源稳压范围为130~260V,性能优良的开关电源可达到90~280V,而一般的线性电源稳压范围只有190~240V。

3)质量小，体积小。开关电源不用体积大且笨重的电源变压器,只用到体积小的开关变压器,又因为效率高、损耗小,所以开关电源不用大的散热片。

开关电源虽然有很多优点,但电路复杂,维修难度大,另外干扰性较强。

2.开关电源的基本工作原理

开关电源电路较复杂,但其基本工作原理却不难理解,下面以图9-1来说明开关电源的基本工作原理。

在图9-1a中,当开关S合上时,电源E经S对C充电,在C上获得上正下负的电压,当开关S断开时,C往后级电路(未画出)放电。若开关S闭合时间长,则电源E对C充电时间长,C两端电压U_o会升高;反之,如果S闭合时间短,电源E对C充电时间短,C上充电少,C两端电压会下降。由此可见,改变开关的闭合时间长短就能改变输出电压的高低。

在实际的开关电源中,开关S常用晶体管来代替,如图9-1b所示,该晶体管称为开关管,并且在开关管的基极加一个控制信号(激励脉冲)来控制开关管导通和截止。当控制信号高电平送到开关管的基极时,开关管基极电压会上升而导通,VT的c、e极相当于短路,电源E经VT的c、e极对C充电;当控制信号低电平到来时,VT基极电压下降而截止,VT的c、e极相当于开路,C往后级电路放电。如果开关管基极的控制信号高电平持续时间长,低电平持续时间短,电源E对C充电时间长,C放电时间短,C两端电压会上升。

图9-1 开关电源基本工作原理

如果某些原因使输入电源E下降,为了保证输出电压不变,可以让送到VT基极的脉冲更宽(即脉冲的高电平时间更长),VT导通时间长,E经VT对C充电时间长,即使电源E下降,但由于E对C的充电时间延长,仍可让C两端电压不会因E下降而下降。

由此可见,控制开关管导通、截止时间长短就能改变输出电压或稳定输出电压，开关电源就是利用这个原理来工作的。送到开关管基极的脉冲宽度可变化的信号称为PWM脉冲,PWM即脉冲宽度调制。

3.三种类型的开关电源工作原理分析

开关电源的种类很多,根据控制脉冲产生方式不同,可分为自激式和他激式,根据开关器件在电路中的连接方式不同,可分为串联型、并联型和变压器耦合型三种。

(1)串联型开关电源

串联型开关电源如图9-2所示。

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图9-2 串联型开关电源

220V交流市电经整流和C₁滤波后,在C₁上得到300V的直流电压(市电电压为220V,该值是指有效值,其最大值可达到220=311V,故220V市电直接整流后可得到300V左右的直流电压),该电压经线圈L₁送到开关管VT的集电极。

开关管VT的基极加有脉冲信号,当脉冲信号高电平送到VT的基极时,VT饱和导通,300V的电压经L₁、VT的c、e极对电容C₂充电,在C₂上充得上正下负的电压,充电电流在经过L₁时,L₁会产生左正右负的电动势阻碍电流,L₂上会感应出左正右负的电动势(同名端极性相同),续流二极管VD₁截止;当脉冲信号低电平送到VT的基极时,VT截止,无电流流过L₁,L₁马上产生左负右正的电动势,L₂上感应出左负右正的电动势,二极管VD₁导通,L₂上的电动势对C₂充电,充电途径是:L₂的右正→C₂→地→VD₁→L₂的左负,在C₂上充得上正下负的电压U_o,供给负载R_L。

稳压过程:若220V市电电压下降,C₁上的300V电压也会下降,如果VT基极的脉冲宽度不变,在VT导通时,充电电流会因300V电压下降而减小,C₂充电少,两端的电压U_o会下降。为了保证在市电电压下降时C₂两端的电压不会下降,可让送到VT基极的脉冲信号变宽(高电平持续时间长),VT导通时间长,C₂充电时间长,C₂两端的电压又回升到正常值。

(2)并联型开关电源

并联型开关电源如图9-3所示。

图9-3 并联型开关电源

220V交流电经整流和C₁滤波后,在C₁上得到300V的直流电压,该电压送到开关管VT的集电极。开关管VT的基极加有脉冲信号,当脉冲信号高电平送到VT的基极时,VT饱和导通,300V的电压产生电流经VT、L₁到地,电流在经过L₁时,L₁会产生上正下负的电动势阻碍电流,同时L₁中存储了能量;当脉冲信号低电平送到VT的基极时,VT截止,无电流流过L₁,L₁马上产生上负下正的电动势,该电动势使续流二极管VD₁导通,并对电容C₂充电,充电途径是L₁的下正→C₂→VD₁→L₁的上负,在C₂上充得上负下正的电压U_o,该电压供给负载R_L。

稳压过程:若市电电压上升,C₁上的300V电压也会上升,流过L₁的电流大,L₁存储的能量多,在VT截止时L₁产生的上负下正电动势高,该电动势对C₂充电,使电压U_o升高。为了保证在市电电压上升时C₂两端的电压不会上升,可让送到VT基极的脉冲信号变窄,VT导通时间短,流过线圈L₂电流时间短,L₂储能减小,在VT截止时产生的电动势下降,对C₂充电电流减小,C₂两端的电压又回落到正常值。

(3)变压器耦合型开关电源

变压器耦合型开关电源如图9-4所示。

图9-4 变压器耦合型开关电源

220V的交流电压经整流电路整流和C₁滤波后,在C₁上得到+300V的直流电压,该电压经开关变压器T₁的一次绕组L₁送到开关管VT的集电极。

开关管VT的基极加有控制脉冲信号,当脉冲信号高电平送到VT的基极时,VT饱和导通,有电流流过VT,其途径是:+300V→L₁→VT的c、e极→地,电流在流经线圈L₁时,L₁会产生上正下负的电动势阻碍电流,L₁上的电动势感应到二次绕组L₂上,由于同名端的原因,L₂上感应的电动势极性为上负下正,二极管VD不能导通;当脉冲信号低电平送到VT的基极时,VT截止,无电流流过线圈L₁,L₁马上产生相反的电动势,其极性是上负下正,该电动势感应到二次绕组L₂上,L₂上得到上正下负的电动势,此电动势经二极管VD对C₂充电,在C₂上得到上正下负的电压U_o,该电压供给负载R_L。

稳压过程:若220V的电压上升,经电路整流滤波后在C₁上得到300V电压也上升,在VT饱和导通时,流经L₁的电流大,L₁中储存的能量多,当VT截止时,L₁产生的上负下正电动势高,L₂上感应得到的上正下负电动势高,L₂上的电动势经VD对C₂充电,在C₂上充得的电压U_o升高。为了保证在市电电压上升时,C₂两端的电压不会上升,可让送到VT基极的脉冲信号变窄,VT导通时间短,电流流过L₁的时间短,L₁储能减小,在VT截止时,L₁产生的电动势低,L₂上感应得到的电动势低,L₂上的电动势经VD对C₂充电减少,C₂上的电压下降,回到正常值。