開關(guān)電源如何分類？ 開關(guān)電源有哪些基本類型

　　開關(guān)電源如何分類？

　　串聯(lián)型、并聯(lián)型和變壓器耦合（并聯(lián)）型開關(guān)電源

　　按開關(guān)管與負(fù)載的連接方式分類，開關(guān)電源可分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和變壓器耦合（并聯(lián)）型3種類型。

　　串聯(lián)型。圖1所示的開關(guān)電源基本形式即是串聯(lián)型開關(guān)電源，其特點是開關(guān)調(diào)整管VT與負(fù)載R1串聯(lián)。因 此，開關(guān)管和續(xù)流二極管的耐壓要求較低。且濾波電容在開關(guān)管導(dǎo)通和截止時均有電流，故濾波性能好， 輸出電壓嘰的紋波系數(shù)小；要求儲能電感鐵心截面積也較小。其缺點為：輸出直流電壓與電網(wǎng)電壓之間沒 有隔離變壓器，即所謂“熱底盤”，不夠安全；若開關(guān)管內(nèi)部短路，則全部輸入電壓直接加到負(fù)載上，會 引起負(fù)載過壓或過流，損壞元件。因此輸出端一般需加穩(wěn)壓管加以保護(hù)。

　　圖1 開關(guān)電源基本電路及工作波形

　　并聯(lián)型。并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源基本電路如圖2所示，其工作波形與串聯(lián)電路基本相同，因開關(guān)管VT與 負(fù)載RL并聯(lián)而稱為并聯(lián)型。此外，二極管YD通常稱為脈沖整流管，C為濾波電容。

　　當(dāng)開關(guān)管基極輸人開關(guān)控制脈沖時，開關(guān)管周期性地導(dǎo)通與截止。當(dāng)開關(guān)管飽和導(dǎo)通時，輸入電壓Ui加 在儲能電感L兩端。此時電感中的電流線性上升，二極管VD反偏而截止，電感L儲存能量，此時負(fù)載RL所需 的電流由前一段時間電容上所充的電壓供給。當(dāng)開關(guān)管截止時，VD導(dǎo)通，通過電感上的電流線性下降，感 應(yīng)電壓為左負(fù)右正，輸入電壓Ui和電感L上的感應(yīng)電壓同極性串聯(lián)，電源輸人Ui和電感L所釋放的能量同時 給負(fù)載RL提供電流，并向電容C充電。同樣，達(dá)到動態(tài)平衡時，電感L在開關(guān)管飽和時增加的電流量（能量 ）與開關(guān)管截止時減小的電流量（能量）相等，即電感上能量保持一個恒量，故

　　圖2 并聯(lián)型開關(guān)電源基本電路

　　可見，并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源同樣可通過控制δ來穩(wěn)定或調(diào)整輸出電壓，同時還可以看出，由于δ＜1，這 種并聯(lián)型開關(guān)電源屬于升壓型電源，開關(guān)管所承受的最大反向電壓Uce max＝Uo（＞Ui）。而圖1所示的串 聯(lián)型開關(guān)電源屬降壓型電源，開關(guān)管所承受的最大反向電壓Uce max＝Ui。

　　脈沖變壓器耦合（并聯(lián)）型。變壓器耦合（并聯(lián)）型開關(guān)電源（自激式）基本電路如圖3所示。開關(guān)器 件可以是雙極型晶體管，也可以是場效應(yīng)管，T為開關(guān)（脈沖）變壓器，VD為脈沖整流二極管，C為濾波電 容，RL為負(fù)載。這里脈沖變壓器的初級繞組起儲能電感作用，脈沖變壓器通過電感耦合傳輸能量，可使輸 入端與穩(wěn)壓輸出端之間互相隔離，實現(xiàn)機(jī)殼（底板）不帶電，同時還可便利地得到多種直流電壓，給制作 和維修帶來方便，因此，大多數(shù)彩電都采用變壓器耦合型開關(guān)電源。

　　如果將脈沖變壓器視為初、次級匝數(shù)比為n：1的理想變壓器，把次級參數(shù)等效至初級，可畫成圖2所示并聯(lián)型的電路形式，只是用nUo代替圖2中的Uo。對圖3電路，可得

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　　圖3 變壓器耦合型開關(guān)電源基本電路

　　由于n＞1，變壓器型開關(guān)電源一般均為降壓輸出。開關(guān)電源中開關(guān)管所承受的最大脈沖電壓為Uce max=Ui+nUo。

　　開關(guān)電源一般有三種工作模式：頻率、脈沖寬度固定模式，頻率固定、脈沖寬度可變模式，頻率、脈沖寬度可變模式。前一種工作模式多用于DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換；后兩種工作模式多用于開關(guān)穩(wěn)壓電源。另外，開關(guān)電源輸出電壓也有三種工作方式：直接輸出電壓方式、平均值輸出電壓方式、幅值輸出電壓方式。同樣，前一種工作方式多用于DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換；后兩種工作方式多用于開關(guān)穩(wěn)壓電源。

　　開關(guān)電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類，DC/DC變換器現(xiàn)已實現(xiàn)模塊化，且設(shè)計技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化；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)和工藝制造問題。

　　（1）DC/DC變換

　　DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調(diào)制方式Ts不變，改變ton（通用），二是頻率調(diào)制方式，ton不變，改變Ts（易產(chǎn)生干擾）。其具體的電路由以下幾類：

　　A、Buck電路——降壓斬波器，其輸出平均電壓U0小于輸入電壓Ui，極性相同。

　　B、Boost電路——升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于輸入電壓Ui，極性相同。

　　C、Buck-Boost電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電感傳輸。

　　D、Cuk電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電容傳輸。

　　當(dāng)今軟開關(guān)技術(shù)使得DC/DC發(fā)生了質(zhì)的飛躍，美國VICOR公司設(shè)計制造的多種ECI軟開關(guān)DC/DC變換器，其最大輸出功率有300W、600W、800W等，相應(yīng)的功率密度為（6.2、10、17）W/cm3，效率為（80～90）%。日本NemicLambda公司最新推出的一種采用軟開關(guān)技術(shù)的高頻開關(guān)電源模塊RM系列，其開關(guān)頻率為（200～300）kHz，功率密度已達(dá)到27W/cm3，采用同步整流器（MOS?FET代替肖特基二極管），使整個電路效率提高到90%。

　?。?）AC/DC變換

　　AC/DC變換是將交流變換為直流，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負(fù)載的稱為“整流”，功率流由負(fù)載返回電源的稱為“有源逆變”。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電，因必須經(jīng)整流、濾波，因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的，同時因遇到安全標(biāo)準(zhǔn)（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、、FCC、CSA），交流輸入側(cè)必須加EMC濾波及使用符合安全標(biāo)準(zhǔn)的元件，這樣就限制AC/DC電源體積的小型化，另外，由于內(nèi)部的高頻、高壓、大電流開關(guān)動作，使得解決EMC電磁兼容問題難度加大，也就對內(nèi)部高密度安裝電路設(shè)計提出了很高的要求，由于同樣的原因，高電壓、大電流開關(guān)使得電源工作損耗增大，限制了AC/DC變換器模塊化的進(jìn)程，因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法才能使其工作效率達(dá)到一定的滿意程度。

　　AC/DC變換按電路的接線方式可分為，半波電路、全波電路。按電源相數(shù)可分為，單相、三相、多相。按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。

　　變壓器耦合（并聯(lián)）型開關(guān)電源的優(yōu)點是：①通過附加一個次級繞組間接取樣的辦法或采用光耦合器實 現(xiàn)電源隔離，使主電源電路與交流電網(wǎng)隔離，即所謂“冷底盤”電路；②若開關(guān)管內(nèi)部短路，不會引起負(fù) 載的過壓或過流；③容許輔助電源負(fù)載與主電源負(fù)載無關(guān)。即不接主電源負(fù)載，輔助電源仍可從主電源中 得到。其缺點是：①對開關(guān)管和續(xù)流二極管的耐壓要求高；②輸出電壓紋波系數(shù)較高；③要求儲能電感量 較大。

　　自激式和他激式開關(guān)電源

　　按開關(guān)器件的激勵方式，可分為自激式和他激式開關(guān)電源。自激式開關(guān)電源不需專設(shè)振蕩電路，用開關(guān) 調(diào)整管兼做振蕩管，只需設(shè)置正反饋電路使電路起振工作，因而電路比較簡單。

　　他激式開關(guān)電源需專設(shè)振蕩器和啟動電路，電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

　　脈沖寬度調(diào)制式和脈沖頻率調(diào)制式開關(guān)穩(wěn)壓電源

　　開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出與開關(guān)管的導(dǎo)通時間有關(guān)，即決定于開關(guān)脈沖的占空比δ，穩(wěn)壓控制也就是通過調(diào) 制開關(guān)脈沖的占空比來實現(xiàn)的，控制方式有脈沖寬度調(diào)制（PWM）和脈沖頻率調(diào)制（PFM）兩種。脈沖寬度 控制（調(diào)寬）式開關(guān)電源穩(wěn)壓電路在通過改變開關(guān)脈沖寬度（控制開關(guān)管導(dǎo)通時間）來穩(wěn)定輸出電壓的過 程中，開關(guān)管的工作頻率不改變。脈沖頻率控制（調(diào)頻）式開關(guān)電源在穩(wěn)壓控制過程中，改變開關(guān)脈沖的 占空比的同時，開關(guān)管的工作頻率也隨著發(fā)生變化，故稱之為調(diào)頻－調(diào)寬式穩(wěn)壓電源。

　　PWM方式和PFM方式的調(diào)制波形分別如圖4（a）、（b）所示，tp表示脈沖寬度（即功率開關(guān)管的導(dǎo)通時間 tON），T代表周期，從中很容易看出二者的區(qū)別。但它們也有共同之處：①均采用時間比率控制（TRC）的 穩(wěn)壓原理，無論改變tp還是T，最終調(diào)節(jié)的都是脈沖占空比。盡管采用的方式不同，但控制目標(biāo)一致，可 謂殊途同歸。②當(dāng)負(fù)載由輕變重，或者輸入電壓從高變低時，分別通過增加脈寬、升高頻率的方法，使輸 出電壓保持穩(wěn)定。

　　圖4 兩種控制方式的調(diào)制波形

　　混合調(diào)制方式

　　混合調(diào)制方式是指脈沖寬度與開關(guān)頻率均不固定，彼此都能改變的方式，它屬于PWM和PFM的混合方式。由于莎p和r均可單獨(dú)調(diào)節(jié)，因此占空比調(diào)節(jié)范圍最寬，適合制作供實驗室使用并可寬范圍調(diào)節(jié)的開關(guān)電源。

　　開關(guān)管的典型工作方式

　　按開關(guān)管的連接和工作方式分類，開關(guān)穩(wěn)壓電源可分為單端式、推挽式、半橋式和全橋式4種。單端式僅用一個開關(guān)晶體管，推挽式或半橋式采用兩個開關(guān)晶體管，全橋式則采用4個開關(guān)晶體管。目前彩色電視機(jī)、顯示器、打印機(jī)、傳真機(jī)等開關(guān)穩(wěn)壓電源常采用單端式，而微機(jī)開關(guān)電源均采用半橋式。