開關(guān)電源介紹與優(yōu)點(diǎn)以及電源設(shè)計(jì)

正在尋找可以將功率從 AC 或 DC 轉(zhuǎn)換為一個(gè)或多個(gè) DC 級(jí)別的電源？那么您需要一個(gè)開關(guān)模式電源。以下是其工作原理。

通常稱為“轉(zhuǎn)換開關(guān)”，這些設(shè)備每秒數(shù)次打開和關(guān)閉其電源。這種開關(guān)操作產(chǎn)生一個(gè)有效的輸入頻率，并且通常達(dá)到兆赫范圍。

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什么是“開關(guān)模式”？

開關(guān)電源中的“開關(guān)”其實(shí)是一個(gè)半導(dǎo)體（一個(gè)要么關(guān)閉要么打開的 MOSFET），該半導(dǎo)體被驅(qū)動(dòng)進(jìn)入飽和范圍，在幾乎零電阻下轉(zhuǎn)換功率。它每秒做幾千次這種轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生高頻 AC 介質(zhì)。由于該半導(dǎo)體已被驅(qū)動(dòng)進(jìn)入飽和，所以它幾乎沒有任何阻力，實(shí)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?yàn)槠湔髌髟诰€性范圍內(nèi)工作。這意味著，當(dāng)它們傳導(dǎo)功率時(shí)，要抵抗電阻傳導(dǎo)，過程中必不可少伴隨有功率浪費(fèi)和熱量產(chǎn)生。

無(wú)論該半導(dǎo)體在什么頻率下開關(guān)，兩次“開”脈沖開始間隔的時(shí)間都被定義為開關(guān)周期?！伴_”時(shí)間占開關(guān)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(biāo)電壓。

開關(guān)電源 (SMPS) 有哪些優(yōu)點(diǎn)？

• 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(zhuǎn)換開關(guān)在較高的頻率下工作，所以其與濾波電容器和電感器相關(guān)的值和大小將減小，整個(gè)元器件將占用更少的空間。

• 多功能設(shè)計(jì) – 根據(jù)應(yīng)用的要求，可以將轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)計(jì)為升壓 (Boost) 或降壓 (Buck) 。

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開關(guān)模式電源設(shè)計(jì)

• 術(shù)語(yǔ)

通常用全磚、半磚和四分之一磚這種術(shù)語(yǔ)來描述轉(zhuǎn)換開關(guān)。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(dāng)使用符合標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換開關(guān)時(shí)，如果設(shè)計(jì)人員需要或選擇替換產(chǎn)品，就很容易做到。更新型號(hào)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(jìn)步，騰出的空間可用來在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中包括更多的功能。

• 構(gòu)建

描述轉(zhuǎn)換開關(guān)物理學(xué)的方程式看似簡(jiǎn)單。處理安培（跟大多數(shù)電氣工程師通常處理微安時(shí)相反）的現(xiàn)實(shí)情況會(huì)導(dǎo)致延遲，增加費(fèi)用，甚至產(chǎn)品徹底出現(xiàn)故障。所以，轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)計(jì)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(gòu)建要強(qiáng)。

工程師在設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)有兩個(gè)主要選擇。第一個(gè)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(gè)涉及到一個(gè)與外部 AC 連接的元器件，但只有一個(gè) 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(gè)較低的電壓，則可利用 buck 轉(zhuǎn)換器來完成所需的 DC 到 DC 向下轉(zhuǎn)換。

buck 轉(zhuǎn)換器極其高效，功率損失只有 5%，甚至更低。它們有時(shí)也被描述為開關(guān)穩(wěn)壓器。buck 轉(zhuǎn)換器在某種意義上類似所有轉(zhuǎn)換開關(guān)，其中心是一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)，每秒數(shù)千次或更多次地開關(guān)源電壓。

由于其設(shè)計(jì)上的優(yōu)勢(shì)，開關(guān)電源已迅速成為除最嚴(yán)格技術(shù)性應(yīng)用之外所有應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)工作一直在向更高效、小型、輕量的方向不斷邁進(jìn)。