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高頻開關電源適配器基礎知識

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高頻開關電源適配器基礎知識

開關電源適配器被譽為高效節能電源適配器,它代表著穩壓韓國認證電源適配器的發展方向,現已成為穩壓電源適配器的主流產品。近20多年來,集成開關電源適配器沿著下述兩個方向不斷發展。第一個方向是對開關電源適配器的核心單元——控制電路實現集成化。1997年國外首先研制成脈寬調制(PWM)控制器集成電路。
20世紀90年代以來,國外又研制出開關頻率達1MHz的高速PWM、PFM(脈沖頻率調制)芯片,典型產品如UC1825、UC1864。第二個方向則是對中、小功率開關電源適配器實現單片集成化。這大致分兩個階段:20世紀80年代初意-法半導體有限公司(SGS—Thomson)率先推出L4960系列單片開關式穩壓器。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)的開關電源適配器。

高頻開關電源適配器的構成、工作原理與分類

開關電源適配器具有體積小、效率高等一系列優點,在各類電子產品中得到了廣泛的應用。但由于開關電源適配器的控制電路比較復雜、輸出紋波電壓較高,所以開關電源適配器的應用也受到一定的限制。

電子裝置小型化和輕量化的關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。開關電源適配器中的開關管工作于開關狀態,必然存在開關損耗,而且損耗的大小隨開關頻率的提高而增加。另一方面,開關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。

目前市場上開關電源適配器中功率開關管多采用雙極型晶體管,開關頻率可達幾十千赫;采用MOSFET的開關電源適配器轉換頻率可達幾百千赫。為提高開關頻率,必須采用高速開關器件。

對于兆赫以上開關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方式。它可以極大地提高開關速度,原理上開關損耗為零,噪聲也很小,這是提高開關電源適配器工作頻率的一種方式。采用諧振開關方式的兆赫級變換器已經實用化。


1.開關電源適配器的基本構成
開關電源適配器采用功率半導體器件作為開關器件,通過周期性地間斷工作,控制開關器件的占空比來調整輸出電壓。開關電源適配器的基本構成如圖1-1所示,其中DC/DC變換器用于進行功率轉換,它是開關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,與基準電壓Ur比較,誤差電壓經過放大及脈寬調制(PWM)電路,再經過驅動電路控制功率器件的占空比,從而達到調整輸出電壓大小的目的。
開關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正弦波的諧振型變換器。


對于串聯線性穩壓電源適配器,輸出對輸入的瞬態響應特性主要由調整管的頻率特性決定。但對于開關電源適配器,輸入的瞬態變化比較多地表現在輸出端。在提高開關頻率的同時,由于反饋放大器的頻率特性得到改善,開關電源適配器的瞬態響應問題也能得以解決。負載變化瞬態響應主要由輸出端LC濾波器的特性決定,所以可以利用提高開關頻率、降低輸出濾波器體積的方法來改善瞬態響應特性。

2.開關穩壓電源適配器的基本工作原理
開關穩壓電源適配器按控制方式分為調寬式和調頻式兩種,在實際的應用中,調寬式使用得較多。在目前開發和使用的開關電源適配器集成電路中,絕大多數為脈寬調制型。因此,下面就主要介紹調寬式開關穩壓電源適配器。調寬式開關穩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,只要設法使脈沖寬度隨穩壓電源適配器輸出電壓的增高而變窄,就可以達到穩定電壓的目的。
開關穩壓電源適配器的基本電路框圖如圖1-3所示。交流電壓經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換成所需電壓值的方波,最后再將這個方波電壓經整流濾波變為所需要的直流電壓。

開關電源適配器基本電路框圖

控制電路為一脈沖寬度調制器,它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調制電路及基準電壓等電路構成。這部分電路目前已集成化,已具有適用于各種開關電源適配器應用的系列產品。控制電路用來調整高頻開關元件的開關時間比例,以達到穩定輸出電壓的目的。

(1)開關穩壓電源適配器的優點

①功耗小,效率高。在開關穩壓電源適配器電路中,開關管在激勵信號的激勵下,它交替地工作在導通—截止和截止—導通的開關狀態下,轉換速度很快,工作頻率一般為50kHz左右,在一些技術先進的國家,可以做到幾百千赫或者近1000kHz。這使得開關管的功耗很小,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。從開關穩壓電源適配器的原理框圖可以清楚地看到沒有采用笨重的工頻變壓器。開關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,開關穩壓電源適配器實現了體積小、重量輕。
③穩壓范圍寬。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節的,輸入信號電壓的變化可以通過調頻或調寬來進行補償,這樣在工頻電網電壓變化較大時,它仍能夠保證有較穩定的輸出電壓。所以,開關電源適配器的穩壓范圍很寬,穩壓效果很好。此外,改變占空比的方法有脈寬調制型和頻率調制型兩種。這樣,開關穩壓電源適配器不僅具有穩壓范圍寬的優點,而且實現穩壓的方法也較多,設計人員可以根據實際應用的要求,靈活地選用各種類型的開關穩壓電源適配器。
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。開關穩壓電源適配器的工作頻率目前基本上為50kHz,是線性穩壓電源適配器的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,采用開關穩壓電源適配器時,濾波電容的容量只是線性穩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。開關穩壓電源適配器的形式有自激式和他激式,有調寬型和調頻型,有單端式和雙端式等,設計人員可以發揮各種類型電路的特長,設計出能滿足不同應用場合的開關穩壓電源適配器。

(2)開關穩壓電源適配器的缺點
開關穩壓電源適配器的缺點是存在較為嚴重的開關干擾。在開關穩壓電源適配器中,功率開關管工作在開關狀態,在其開關過程中產生的交流電壓和電流通過電路中的其他元器件產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的正常工作。此外,由于開關穩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,使附近的其他電子儀器和控制設備受到嚴重的干擾。

目前,由于國內微電子技術、阻容器件生產技術以及磁性材料技術與一些技術先進國家還有一定的差距,因而開關穩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,開關穩壓電源適配器還不能得到十分廣泛的應用。特別是對于無工頻變壓器開關穩壓電源適配器中的高壓電解電容器、高反壓大功率開關管、開關變壓器的磁芯材料等,我國還處于研究、開發階段。

在一些技術先進國家,開關穩壓電源適配器雖然有了一定的發展,但在實際應用中也還存在一些問題,不能令人十分滿意。這暴露出開關穩壓電源適配器的又一個缺點,那就是電路結構復雜,故障率高,維修麻煩。對此,如果設計者和制造者不予以充分重視,則將直接影響到開關穩壓電源適配器的推廣應用。當今,開關穩壓電源適配器推廣應用比較困難的主要原因就是它的制作技術難度大、維修麻煩和成本較高。


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| 發布時間:2019.05.16    來源:電源適配器廠家
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