高頻開關(guān)電源適配器基礎(chǔ)知識 | ||||||||||
開關(guān)電源適配器被譽為高效節(jié)能電源適配器,它代表著穩(wěn)壓韓國認證電源適配器的發(fā)展方向,現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源適配器的主流產(chǎn)品。近20多年來,集成開關(guān)電源適配器沿著下述兩個方向不斷發(fā)展。第一個方向是對開關(guān)電源適配器的核心單元——控制電路實現(xiàn)集成化。1997年國外首先研制成脈寬調(diào)制(PWM)控制器集成電路。 20世紀90年代以來,國外又研制出開關(guān)頻率達1MHz的高速PWM、PFM(脈沖頻率調(diào)制)芯片,典型產(chǎn)品如UC1825、UC1864。第二個方向則是對中、小功率開關(guān)電源適配器實現(xiàn)單片集成化。這大致分兩個階段:20世紀80年代初意-法半導(dǎo)體有限公司(SGS—Thomson)率先推出L4960系列單片開關(guān)式穩(wěn)壓器。該公司于20世紀90年代又推出了L4970A系列,其特點是將脈寬調(diào)制器、功率輸出級、保護電路等集成在一個芯片中,使用時需配置上工頻變壓器與電網(wǎng)隔離,適用于制作低壓輸出(5.1~40V)、大中功率(400W以下)、大電流(1.5~10A)、高效率(可達到90%以上)的開關(guān)電源適配器。 高頻開關(guān)電源適配器的構(gòu)成、工作原理與分類 開關(guān)電源適配器具有體積小、效率高等一系列優(yōu)點,在各類電子產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。但由于開關(guān)電源適配器的控制電路比較復(fù)雜、輸出紋波電壓較高,所以開關(guān)電源適配器的應(yīng)用也受到一定的限制。 電子裝置小型化和輕量化的關(guān)鍵是供電電源適配器的小型化,因此需要盡可能地降低電源適配器電路中的損耗。開關(guān)電源適配器中的開關(guān)管工作于開關(guān)狀態(tài),必然存在開關(guān)損耗,而且損耗的大小隨開關(guān)頻率的提高而增加。另一方面,開關(guān)電源適配器中的變壓器、電抗器等磁性元件及電容元件的損耗也隨頻率的提高而增加。 目前市場上開關(guān)電源適配器中功率開關(guān)管多采用雙極型晶體管,開關(guān)頻率可達幾十千赫;采用MOSFET的開關(guān)電源適配器轉(zhuǎn)換頻率可達幾百千赫。為提高開關(guān)頻率,必須采用高速開關(guān)器件。 對于兆赫以上開關(guān)頻率的電源適配器可利用諧振電路,這種工作方式稱為諧振開關(guān)方式。它可以極大地提高開關(guān)速度,原理上開關(guān)損耗為零,噪聲也很小,這是提高開關(guān)電源適配器工作頻率的一種方式。采用諧振開關(guān)方式的兆赫級變換器已經(jīng)實用化。 1.開關(guān)電源適配器的基本構(gòu)成 開關(guān)電源適配器采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)器件,通過周期性地間斷工作,控制開關(guān)器件的占空比來調(diào)整輸出電壓。開關(guān)電源適配器的基本構(gòu)成如圖1-1所示,其中DC/DC變換器用于進行功率轉(zhuǎn)換,它是開關(guān)電源適配器的核心部分,此外還有啟動、過流與過壓保護、噪聲濾波等電路。輸出采樣電路(R1、R2)用于檢測輸出電壓的變化,與基準(zhǔn)電壓Ur比較,誤差電壓經(jīng)過放大及脈寬調(diào)制(PWM)電路,再經(jīng)過驅(qū)動電路控制功率器件的占空比,從而達到調(diào)整輸出電壓大小的目的。 開關(guān)電源適配器的核心部分DC/DC變換器有多種電路形式,常用的有工作波形為方波的PWM變換器以及工作波形為準(zhǔn)正弦波的諧振型變換器。 對于串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源適配器,輸出對輸入的瞬態(tài)響應(yīng)特性主要由調(diào)整管的頻率特性決定。但對于開關(guān)電源適配器,輸入的瞬態(tài)變化比較多地表現(xiàn)在輸出端。在提高開關(guān)頻率的同時,由于反饋放大器的頻率特性得到改善,開關(guān)電源適配器的瞬態(tài)響應(yīng)問題也能得以解決。負載變化瞬態(tài)響應(yīng)主要由輸出端LC濾波器的特性決定,所以可以利用提高開關(guān)頻率、降低輸出濾波器體積的方法來改善瞬態(tài)響應(yīng)特性。 2.開關(guān)穩(wěn)壓電源適配器的基本工作原理 開關(guān)穩(wěn)壓電源適配器按控制方式分為調(diào)寬式和調(diào)頻式兩種,在實際的應(yīng)用中,調(diào)寬式使用得較多。在目前開發(fā)和使用的開關(guān)電源適配器集成電路中,絕大多數(shù)為脈寬調(diào)制型。因此,下面就主要介紹調(diào)寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源適配器。調(diào)寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源適配器的基本原理如圖所示。 對于單極性矩形脈沖來說,其直流平均電壓U0取決于矩形脈沖的寬度,脈沖越寬,其直流平均電壓值就越高。直流平均電壓U0可由以下公式計算: 式中:Um為矩形脈沖最大電壓值,T為矩形脈沖周期,T1為矩形脈沖寬度。 從式可以看出,當(dāng)Um與T不變時,直流平均電壓U0將與脈沖寬度T1成正比。這樣,只要設(shè)法使脈沖寬度隨穩(wěn)壓電源適配器輸出電壓的增高而變窄,就可以達到穩(wěn)定電壓的目的。 開關(guān)穩(wěn)壓電源適配器的基本電路框圖如圖1-3所示。交流電壓經(jīng)整流電路及濾波電路整流濾波后,變成含有一定脈動成分的直流電壓,該電壓進入高頻變換器被轉(zhuǎn)換成所需電壓值的方波,最后再將這個方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?br /> 開關(guān)電源適配器基本電路框圖 控制電路為一脈沖寬度調(diào)制器,它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調(diào)制電路及基準(zhǔn)電壓等電路構(gòu)成。這部分電路目前已集成化,已具有適用于各種開關(guān)電源適配器應(yīng)用的系列產(chǎn)品??刂齐娐酚脕碚{(diào)整高頻開關(guān)元件的開關(guān)時間比例,以達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。 (1)開關(guān)穩(wěn)壓電源適配器的優(yōu)點 ①功耗小,效率高。在開關(guān)穩(wěn)壓電源適配器電路中,開關(guān)管在激勵信號的激勵下,它交替地工作在導(dǎo)通—截止和截止—導(dǎo)通的開關(guān)狀態(tài)下,轉(zhuǎn)換速度很快,工作頻率一般為50kHz左右,在一些技術(shù)先進的國家,可以做到幾百千赫或者近1000kHz。這使得開關(guān)管的功耗很小,電源適配器的效率可以大幅度地提高,其效率可達到80%。 ②體積小,重量輕。從開關(guān)穩(wěn)壓電源適配器的原理框圖可以清楚地看到?jīng)]有采用笨重的工頻變壓器。開關(guān)管上的耗散功率大幅度降低后,又省去了較大的散熱片。由于這兩方面的原因,開關(guān)穩(wěn)壓電源適配器實現(xiàn)了體積小、重量輕。 ③穩(wěn)壓范圍寬。閉路電視攝像頭電源適配器的輸出電壓是由激勵信號來調(diào)節(jié)的,輸入信號電壓的變化可以通過調(diào)頻或調(diào)寬來進行補償,這樣在工頻電網(wǎng)電壓變化較大時,它仍能夠保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。所以,開關(guān)電源適配器的穩(wěn)壓范圍很寬,穩(wěn)壓效果很好。此外,改變占空比的方法有脈寬調(diào)制型和頻率調(diào)制型兩種。這樣,開關(guān)穩(wěn)壓電源適配器不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點,而且實現(xiàn)穩(wěn)壓的方法也較多,設(shè)計人員可以根據(jù)實際應(yīng)用的要求,靈活地選用各種類型的開關(guān)穩(wěn)壓電源適配器。 ④濾波的效率大為提高,使濾波電容的容量和體積大為減小。開關(guān)穩(wěn)壓電源適配器的工作頻率目前基本上為50kHz,是線性穩(wěn)壓電源適配器的1000倍,這使整流后的濾波效率幾乎也提高了1000倍。就是采用半波整流后加電容濾波方式,效率也可提高500倍。在相同的紋波輸出電壓下,采用開關(guān)穩(wěn)壓電源適配器時,濾波電容的容量只是線性穩(wěn)壓電源適配器中濾波電容的1/500~1/1000。 ⑤電路形式靈活多樣。開關(guān)穩(wěn)壓電源適配器的形式有自激式和他激式,有調(diào)寬型和調(diào)頻型,有單端式和雙端式等,設(shè)計人員可以發(fā)揮各種類型電路的特長,設(shè)計出能滿足不同應(yīng)用場合的開關(guān)穩(wěn)壓電源適配器。 (2)開關(guān)穩(wěn)壓電源適配器的缺點 開關(guān)穩(wěn)壓電源適配器的缺點是存在較為嚴重的開關(guān)干擾。在開關(guān)穩(wěn)壓電源適配器中,功率開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài),在其開關(guān)過程中產(chǎn)生的交流電壓和電流通過電路中的其他元器件產(chǎn)生尖峰干擾和諧振干擾,這些干擾如果不采取一定的措施進行抑制、消除和屏蔽,就會嚴重地影響整個系統(tǒng)的正常工作。此外,由于開關(guān)穩(wěn)壓電源適配器振蕩器沒有工頻變壓器的隔離,這些干擾就會竄入工頻電網(wǎng),使附近的其他電子儀器和控制設(shè)備受到嚴重的干擾。 目前,由于國內(nèi)微電子技術(shù)、阻容器件生產(chǎn)技術(shù)以及磁性材料技術(shù)與一些技術(shù)先進國家還有一定的差距,因而開關(guān)穩(wěn)壓電源適配器的造價不能進一步降低,也影響到可靠性的進一步提高。所以在我國的電子儀器以及機電一體化儀器中,開關(guān)穩(wěn)壓電源適配器還不能得到十分廣泛的應(yīng)用。特別是對于無工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源適配器中的高壓電解電容器、高反壓大功率開關(guān)管、開關(guān)變壓器的磁芯材料等,我國還處于研究、開發(fā)階段。 在一些技術(shù)先進國家,開關(guān)穩(wěn)壓電源適配器雖然有了一定的發(fā)展,但在實際應(yīng)用中也還存在一些問題,不能令人十分滿意。這暴露出開關(guān)穩(wěn)壓電源適配器的又一個缺點,那就是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,故障率高,維修麻煩。對此,如果設(shè)計者和制造者不予以充分重視,則將直接影響到開關(guān)穩(wěn)壓電源適配器的推廣應(yīng)用。當(dāng)今,開關(guān)穩(wěn)壓電源適配器推廣應(yīng)用比較困難的主要原因就是它的制作技術(shù)難度大、維修麻煩和成本較高。
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| 發(fā)布時間:2019.05.16 來源:電源適配器廠家 |
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