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高頻開(kāi)關(guān)電源適配器基礎(chǔ)知識(shí)

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高頻開(kāi)關(guān)電源適配器基礎(chǔ)知識(shí)

開(kāi)關(guān)電源適配器被譽(yù)為高效節(jié)能電源適配器,它代表著穩(wěn)壓韓國(guó)認(rèn)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(lái),集成開(kāi)關(guān)電源適配器沿著下述兩個(gè)方向不斷發(fā)展。第一個(gè)方向是對(duì)開(kāi)關(guān)電源適配器的核心單元——控制電路實(shí)現(xiàn)集成化。1997年國(guó)外首先研制成脈寬調(diào)制(PWM)控制器集成電路。
20世紀(jì)90年代以來(lái),國(guó)外又研制出開(kāi)關(guān)頻率達(dá)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(gè)方向則是對(duì)中、小功率開(kāi)關(guān)電源適配器實(shí)現(xiàn)單片集成化。這大致分兩個(gè)階段:20世紀(jì)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(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器。該公司于20世紀(jì)90年代又推出了L4970A系列,其特點(diǎn)是將脈寬調(diào)制器、功率輸出級(jí)、保護(hù)電路等集成在一個(gè)芯片中,使用時(shí)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(dá)到90%以上)的開(kāi)關(guān)電源適配器。

高頻開(kāi)關(guān)電源適配器的構(gòu)成、工作原理與分類(lèi)

開(kāi)關(guān)電源適配器具有體積小、效率高等一系列優(yōu)點(diǎn),在各類(lèi)電子產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。但由于開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源適配器中的開(kāi)關(guān)管工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài),必然存在開(kāi)關(guān)損耗,而且損耗的大小隨開(kāi)關(guān)頻率的提高而增加。另一方面,開(kāi)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(chǎng)上開(kāi)關(guān)電源適配器中功率開(kāi)關(guān)管多采用雙極型晶體管,開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)幾十千赫;采用MOSFET的開(kāi)關(guān)電源適配器轉(zhuǎn)換頻率可達(dá)幾百千赫。為提高開(kāi)關(guān)頻率,必須采用高速開(kāi)關(guān)器件。

對(duì)于兆赫以上開(kāi)關(guān)頻率的電源適配器可利用諧振電路,這種工作方式稱(chēng)為諧振開(kāi)關(guān)方式。它可以極大地提高開(kāi)關(guān)速度,原理上開(kāi)關(guān)損耗為零,噪聲也很小,這是提高開(kāi)關(guān)電源適配器工作頻率的一種方式。采用諧振開(kāi)關(guān)方式的兆赫級(jí)變換器已經(jīng)實(shí)用化。


1.開(kāi)關(guān)電源適配器的基本構(gòu)成
開(kāi)關(guān)電源適配器采用功率半導(dǎo)體器件作為開(kāi)關(guān)器件,通過(guò)周期性地間斷工作,控制開(kāi)關(guān)器件的占空比來(lái)調(diào)整輸出電壓。開(kāi)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(jìn)行功率轉(zhuǎn)換,它是開(kāi)關(guān)電源適配器的核心部分,此外還有啟動(dòng)、過(guò)流與過(guò)壓保護(hù)、噪聲濾波等電路。輸出采樣電路(R1、R2)用于檢測(cè)輸出電壓的變化,與基準(zhǔn)電壓Ur比較,誤差電壓經(jīng)過(guò)放大及脈寬調(diào)制(PWM)電路,再經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制功率器件的占空比,從而達(dá)到調(diào)整輸出電壓大小的目的。
開(kāi)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(duì)于串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源適配器,輸出對(duì)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(duì)于開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率的同時(shí),由于反饋放大器的頻率特性得到改善,開(kāi)關(guān)電源適配器的瞬態(tài)響應(yīng)問(wèn)題也能得以解決。負(fù)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(kāi)關(guān)頻率、降低輸出濾波器體積的方法來(lái)改善瞬態(tài)響應(yīng)特性。

2.開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源適配器的基本工作原理
開(kāi)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(shí)際的應(yīng)用中,調(diào)寬式使用得較多。在目前開(kāi)發(fā)和使用的開(kāi)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源適配器。調(diào)寬式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源適配器的基本原理如圖所示。

對(duì)于單極性矩形脈沖來(lái)說(shuō),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(jì)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(shí),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(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。
開(kāi)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(dòng)成分的直流電壓,該電壓進(jìn)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(gè)方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?br />
開(kāi)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(kāi)關(guān)電源適配器應(yīng)用的系列產(chǎn)品??刂齐娐酚脕?lái)調(diào)整高頻開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)時(shí)間比例,以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

(1)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源適配器的優(yōu)點(diǎn)

①功耗小,效率高。在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源適配器電路中,開(kāi)關(guān)管在激勵(lì)信號(hào)的激勵(lì)下,它交替地工作在導(dǎo)通—截止和截止—導(dǎo)通的開(kāi)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(jìn)的國(guó)家,可以做到幾百千赫或者近1000kHz。這使得開(kāi)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(dá)到80%。
②體積小,重量輕。從開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源適配器實(shí)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(lì)信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)的,輸入信號(hào)電壓的變化可以通過(guò)調(diào)頻或調(diào)寬來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償,這樣在工頻電網(wǎng)電壓變化較大時(shí),它仍能夠保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。所以,開(kāi)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源適配器不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點(diǎn),而且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的方法也較多,設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求,靈活地選用各種類(lèi)型的開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源適配器時(shí),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(kāi)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(jì)人員可以發(fā)揮各種類(lèi)型電路的特長(zhǎng),設(shè)計(jì)出能滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源適配器。

(2)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源適配器的缺點(diǎn)
開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源適配器的缺點(diǎn)是存在較為嚴(yán)重的開(kāi)關(guān)干擾。在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源適配器中,功率開(kāi)關(guān)管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),在其開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的交流電壓和電流通過(guò)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(jìn)行抑制、消除和屏蔽,就會(huì)嚴(yán)重地影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。此外,由于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源適配器振蕩器沒(méi)有工頻變壓器的隔離,這些干擾就會(huì)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(yán)重的干擾。

目前,由于國(guó)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(jìn)國(guó)家還有一定的差距,因而開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源適配器的造價(jià)不能進(jìn)一步降低,也影響到可靠性的進(jìn)一步提高。所以在我國(guó)的電子儀器以及機(jī)電一體化儀器中,開(kāi)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(duì)于無(wú)工頻變壓器開(kāi)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(kāi)關(guān)管、開(kāi)關(guān)變壓器的磁芯材料等,我國(guó)還處于研究、開(kāi)發(fā)階段。

在一些技術(shù)先進(jìn)國(guó)家,開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源適配器雖然有了一定的發(fā)展,但在實(shí)際應(yīng)用中也還存在一些問(wèn)題,不能令人十分滿意。這暴露出開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源適配器的又一個(gè)缺點(diǎn),那就是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,故障率高,維修麻煩。對(duì)此,如果設(shè)計(jì)者和制造者不予以充分重視,則將直接影響到開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源適配器的推廣應(yīng)用。當(dāng)今,開(kāi)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(shí)間:2019.05.16    來(lái)源:電源適配器廠家
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