詳細了解開關電源,從這里開始!

什么是開關電源

開關電源是利用現代電力電子技術,控制開關管開通和關斷的時間比率,維持穩定輸出電壓的一種電源,開關電源一般由脈沖寬度調制(PWM)控制IC和MOSFET構成。隨著電力電子技術的發展和創新,使得開關電源技術也在不斷地創新。目前,開關電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用幾乎所有的電子設備,是當今電子信息產業飛速發展不可缺少的一種電源方式。

根據開關電源的輸入和輸出類型可以分為:AC-DC、DC-DC、 DC-AC等。

  • 開關電源的作用,例如 AC-DC電源:
  • 整流:將輸入交流信號轉換為直流信號;
  • 電壓轉換:輸出要求的電壓幅度;
  • 濾波:將輸入整流的電壓進行平滑;
  • 調整:控制輸出電壓使得幅度恒定;
  • 隔離:將輸入與輸出部分進行電氣隔離;
  • 保護:防止浪涌等有害電壓到達輸出部分,造成設備損壞。

開關電源產品廣泛應用于工業自動化控制、軍工設備、科研設備、LED照明、工控設備、通訊設備、電力設備、儀器儀表、醫療設備、半導體制冷制熱、空氣凈化器,電子冰箱,液晶顯示器,LED燈具,通訊設備,視聽產品,安防監控, 電腦機箱,數碼產品和儀器類等領域。

圖1 各種類型的開關電源
開關電源的基本結構
圖2 開關電源的基本結構

典型的AD-DC開關電源結構如上圖2所示。

輸入的交流電進入電源后,首先經過前級整流電路進行整流,經過全橋式整流二級管整流后,電壓全部變成正相電壓。不過此時得到的電壓仍然存在較大的起伏,這就必須使用高壓濾波電容進行初步穩壓,將波形修正為起伏較小的波形。

把直流電轉化為高頻率的脈動直流電,這一步由控制電路來完成。輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路,控制電路用來調整高頻開關元件的開關時間比例,以達到穩定輸出電壓的目的。控制電路目前已集成化,制成了各種開關電源用集成電路。

把得到的脈動直流電,送到高頻開關變壓器進行降壓。再由二極管和濾波電容組成的低壓濾波電路進行整流和濾波就得到了設備上使用的純靜的低壓直流電。

理想的開關電源,電源的工作方式應與設計和建模的性能一模一樣:提供穩定,平滑的輸出電壓,無論輸入,負載或者環境溫度如何變化,并且有100%的能量轉換效率。但事實上,各種元件都是不完美的:負載會變化,電源可能會失真,環境變化會影響性能。此外提高性能、改善效率、縮小尺寸和降低成本的需求,則進一步提高了電源設計的復雜性。

當前開關電源的發展方向是高頻、高可靠性、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化,其中關鍵技術是高頻化,改善二次整流器件的損耗。

開關電源的測試和指標

對于工作中的開關電源,設備負載和需求在不同時間之間可能會大幅度變化。即使是商用開關電源也必須能夠承受突然出現的遠遠超過平均工作電流的峰值電流。設計電源的工程師或使用電源的系統需要了解電源在各種條件下的工作狀態,并需要對開關電源進行詳盡的測試和驗證,例如電源輸入電能質量的測試,輸入波動對輸出影響的測試,負載變動對輸出影響的測試,此外整體能效的測試和評估都是非常必要的。

開關電源的測試參數主要包括輸入參數、輸出參數和能效參數的測試。

輸入參數
  • 開關電源的輸入參數包括了以下的主要指標:
  • 輸入電壓:開關電源輸入的電壓幅值;
  • 輸入電流:開關電源輸入的電流幅值;
  • 輸入功率:開關電源輸入的功率值;
  • 輸入頻率:開關電源輸入的電壓頻率;
  • 輸入電流諧波電壓諧波;

諧波畸變:交流量中諧波含量的均方根值與基波分量之百分比。

圖3 開關電源輸入參數的測試示例
輸出參數

開關電源的輸出參數包括了以下的主要指標:

1.反映輸入電壓對輸出電壓影響的指標

  • 輸入電壓影響輸出電壓的幾個指標形式:
  • 絕對穩壓系數 S=△Uo/Uo / △Ui/Ui;
  • 電網調整率: 輸入電網電壓由額定值變化+-10%時,穩壓電源輸出電壓的相對變化量△Uo/Uo ,有時也以絕對值表示;
  • 電壓穩定度:負載電流保持為額定范圍內的任何值,輸入電壓在規定的范圍內變化所引起的輸出電壓相對變化△Uo/Uo(百分值),稱為穩壓器的電壓穩定度。
圖4 輸入電壓的波動對輸出電壓的影響

2.反映輸入電壓對輸出電流影響的指標

  • 輸入電壓影響輸出電流的幾個指標形式:
  • 絕對穩壓系數 S=△Io/Io / △Ui/Ui;
  • 電網調整率: 輸入電網電壓由額定值變化+-10%時,穩壓電源輸出電壓的相對變化量△ Io/Io ,有時也以絕對值表示;
  • 電流穩定度:負載電流保持為額定范圍內的任何值,輸入電壓在規定的范圍內變化所引起的輸出電流相對變化△ Io/Io (百分值),稱為穩壓器的電流穩定度。
圖5 輸入電壓的波動對輸出電流的影響

3.反映負載對輸出電壓影響的指標

  • 負載對輸出電壓影響的幾種指標形式:
  • 負載調整率(也稱電流調整率)
  • 在額定電網電壓下,負載電流從零變化到最大時,輸出電壓的最大相對變化量△Uo/Uo ,常用百分數表示,有時也用絕對變化量表示。
  • 在額定電網電壓下,額定負載、空載或者最小負載時,輸出電流的最大相對變化量△ Io/Io ,常用百分數表示,有時也用絕對變化量表示。
圖6 負載的波動對輸出電壓電流的影響

4.紋波電壓

在額定輸出電壓和負載電流下,輸出電壓的紋波(包括噪聲)的絕對值的大小,通常以峰峰值或有效值表示。

紋波系數Y(%);

在額定負載電流下,輸出紋波電壓的有效值Urms與輸出直流電壓Uo之比,即y=Urms/Uo×100%

噪聲不同于紋波。紋波是出現在輸出端子間的一種與輸入頻率和開關頻率同步的成分,用峰-峰(peak to peak)值表示,一般在輸出電壓的0.5%以下;噪聲是出現在輸出端子間的紋波以外的一種高頻成分,也用峰-峰(peak to peak)值表示,一般在輸出電壓的1%左右。紋波噪聲是二者的合成,用峰-峰(peak to peak)值表示,一般在輸出電壓的2%以下 。

5.響應時間

響應時間是指負載電流突然變化時,穩壓器的輸出電壓從開始變化到達新的穩定值的一段調整時間。

在直流穩壓器中,則是用在矩形波負載電流時的輸出電壓波形來表示這個特性,稱為過度特性。

6.失真:

  • 這是交流穩壓器特有的。是指輸出波形不是正弦波形,產生波形畸變,稱為畸變。
  • 輸出波形畸變主要是因為信號中存在諧波。
  • 諧波會對連接到電源線路上的設備造成影響。

7.溫度漂移和溫度系數

  • 溫度漂移:環境溫度的變化影響元器件的參數的變化,從而引起穩壓器輸出電壓變化。常用溫度系數表示溫度漂移的大小。
  • 絕對溫度系數:溫度變化1攝氏度引起輸出電壓值的變化△UoT,單位是V/℃或mV/℃。
  • 相對溫度系數:溫度變化1攝氏度引起輸出電壓相對變化△UoT/Uo,單位是V/℃。
  • 只在精度較高的穩壓器中,才有溫度系數和溫漂兩項指標。

8.漂移

穩壓器在輸入電壓、負載電流和環境溫度保持一定的情況下,元件參數的穩定性也會造成輸出電壓的變化,慢變化叫漂移,快變化叫噪聲,介于兩者之間叫起伏。

表示漂移的方法有兩種:

  • 在指定的時間內輸出電壓值的變化△Uot;
  • 在指定時間內輸出電壓的相對變化△Uot/Uo;
  • 考察漂移的時間可以定為1分鐘、10分鐘、1小時、8小時或更長。
能效指標

開關電源的能效指標是其很重要的一類測試指標,是開關電源的市場準入的必要條件。能效指標包括以下的指標:

效率

  • Po為輸出功率,Pi為輸入功率
  • 多路輸出功率值為各路輸出的總功率
  • 效率為輸出功率和輸入功率的比值:η = Po/Pi

功率因素:在交流電路中,電壓與電流之間的相位差(Φ)的余弦叫做功率因數,用符號cosΦ表示,在數值上,功率因數是有功功率和視在功率的比值,即λ=P/S。

待機功耗:電源輸入端連接到電網上,輸出端不連接負載不消耗功率狀態下的輸入有功功率。

針對不同應用的開關電源,需要符合一定的能效標準。能效標準即能源利用效率標準,是對用能產品的能源利用效率水平或在一定時間內能源消耗水平進行規定的標準。能效標準具有較高的社會和經濟效益。目前的能效標準主要包括:

歐盟市場

  • ErP Directive
  • Eco-Label
  • Energy Efficiency Class Label

北美市場

  • Energy Star
  • CEC

澳洲市場

  • MEPS
  • Energy Rating Label

中國市場

  • 能效等級標簽
圖7 不同的能效標準
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