正在尋找可以將功率從 AC 或 DC 轉換為一個或多個 DC 級別的電源?那么您需要一個開關模式電源。以下是其工作原理。
通常稱為“轉換開關”,這些設備每秒數(shù)次打開和關閉其電源。這種開關操作產(chǎn)生一個有效的輸入頻率,并且通常達到兆赫范圍。
1、什么是“開關模式”?
開關電源中的“開關”其實是一個半導體(一個要么關閉要么打開的 MOSFET),該半導體被驅動進入飽和范圍,在幾乎零電阻下轉換功率。它每秒做幾千次這種轉換,產(chǎn)生高頻 AC 介質。由于該半導體已被驅動進入飽和,所以它幾乎沒有任何阻力,實現(xiàn)了高效率和極少的熱量生成。另一方面,還有一種線性電源,它之所以得名,是因為其整流器在線性范圍內工作。這意味著,當它們傳導功率時,要抵抗電阻傳導,過程中必不可少伴隨有功率浪費和熱量產(chǎn)生。
無論該半導體在什么頻率下開關,兩次“開”脈沖開始間隔的時間都被定義為開關周期。“開”時間占開關周期的一小部分,稱為工作周期。通過改變工作周期,可以控制輸出電壓。改變“the fly”上的工作周期可保持目標電壓。
開關電源 (SMPS) 有哪些優(yōu)點?
高效率 – 產(chǎn)生熱量很少。低功耗元器件通常不需要隔熱罩,這意味著可以直接將它們安裝在 PCB 上。
緊湊外形 – 由于轉換開關在較高的頻率下工作,所以其與濾波電容器和電感器相關的值和大小將減小,整個元器件將占用更少的空間。
多功能設計 – 根據(jù)應用的要求,可以將轉換開關設計為升壓 (Boost) 或降壓 (Buck) 。
2、開關模式電源設計
術語
通常用全磚、半磚和四分之一磚這種術語來描述轉換開關。全磚的尺寸為 4.6 x 2.4 x 0.5,半磚為 2.3 x 2.4 x 0.35,四分之一磚為 2.3 x 1.45 x 0.35,均以英寸為單位。這些定義雖然被廣泛接受,但未得到一致遵守。規(guī)范還包括引腳。所以當使用符合標準的轉換開關時,如果設計人員需要或選擇替換產(chǎn)品,就很容易做到。更新型號的四分之一磚電源可以提供 250 瓦特和更高的電功率。相比之前功率需要的空間量,這可謂一大進步,騰出的空間可用來在產(chǎn)品設計中包括更多的功能。
構建
描述轉換開關物理學的方程式看似簡單。處理安培(跟大多數(shù)電氣工程師通常處理微安時相反)的現(xiàn)實情況會導致延遲,增加費用,甚至產(chǎn)品徹底出現(xiàn)故障。所以,轉換開關設計最好還是留給電源專家去做,即,這種情況下買總比自己去構建要強。
工程師在設計開關電源時有兩個主要選擇。第一個是單一電源,為需要供電的系統(tǒng)生成所需的所有電壓。第二個涉及到一個與外部 AC 連接的元器件,但只有一個 DC 輸出,通常為 12、24 或 48 伏。在此情形下,主電源產(chǎn)生的電壓最高,即是需要的電壓。如果系統(tǒng)中某處需要一個較低的電壓,則可利用 buck 轉換器來完成所需的 DC 到 DC 向下轉換。
buck 轉換器極其高效,功率損失只有 5%,甚至更低。它們有時也被描述為開關穩(wěn)壓器。buck 轉換器在某種意義上類似所有轉換開關,其中心是一個半導體開關,每秒數(shù)千次或更多次地開關源電壓。
由于其設計上的優(yōu)勢,開關電源已迅速成為除最嚴格技術性應用之外所有應用的標準。設計工作一直在向更高效、小型、輕量的方向不斷邁進。
審核編輯:郭婷
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原文標題:開關電源 (SMPS) 如何工作?
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