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高频开关电源适配器基础知识

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高频开关电源适配器基础知识

开关电源适配器被誉为高效节能电源适配器,它代表着稳压韩国认证电源适配器的发展方向,现已成为稳压电源适配器的主流产品。近20多年来,集成开关电源适配器沿着下述两个方向不断发展。第一个方向是对开关电源适配器的核心单元——控制电路实现集成化。1997年国外首先研制成脉宽调制(PWM)控制器集成电路。
20世纪90年代以来,国外又研制出开关频率达1MHz的高速PWM、PFM(脉冲频率调制)芯片,典型产品如UC1825、UC1864。第二个方向则是对中、小功率开关电源适配器实现单片集成化。这大致分两个阶段:20世纪80年代初意-法半导体pk10投注(SGS—Thomson)率先推出L4960系列单片开关式稳压器。该公司于20世纪90年代又推出了L4970A系列,其特点是将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片中,使用时需配置上工频变压器与电网隔离,适用于制作低压输出(5.1~40V)、大中功率(400W以下)、大电流(1.5~10A)、高效率(可达到90%以上)的开关电源适配器。

高频开关电源适配器的构成、工作原理与分类

开关电源适配器具有体积小、效率高等一系列优点,在各类电子产品中得到了广泛的应用。但由于开关电源适配器的控制电路比较复杂、输出纹波电压较高,所以开关电源适配器的应用也受到一定的限制。

电子装置小型化和轻量化的关键是供电电源适配器的小型化,因此需要尽可能地降低电源适配器电路中的损耗。开关电源适配器中的开关管工作于开关状态,必然存在开关损耗,而且损耗的大小随开关频率的提高而增加。另一方面,开关电源适配器中的变压器、电抗器等磁性元件及电容元件的损耗也随频率的提高而增加。

目前市场上开关电源适配器中功率开关管多采用双极型晶体管,开关频率可达几十千赫;采用MOSFET的开关电源适配器转换频率可达几百千赫。为提高开关频率,必须采用高速开关器件。

对于兆赫以上开关频率的电源适配器可利用谐振电路,这种工作方式称为谐振开关方式。它可以极大地提高开关速度,原理上开关损耗为零,噪声也很小,这是提高开关电源适配器工作频率的一种方式。采用谐振开关方式的兆赫级变换器已经实用化。


1.开关电源适配器的基本构成
开关电源适配器采用功率半导体器件作为开关器件,通过周期性地间断工作,控制开关器件的占空比来调整输出电压。开关电源适配器的基本构成如图1-1所示,其中DC/DC变换器用于进行功率转换,它是开关电源适配器的核心部分,此外还有启动、过流与过压保护、噪声滤波等电路。输出采样电路(R1、R2)用于检测输出电压的变化,与基准电压Ur比较,误差电压经过放大及脉宽调制(PWM)电路,再经过驱动电路控制功率器件的占空比,从而达到调整输出电压大小的目的。
开关电源适配器的核心部分DC/DC变换器有多种电路形式,常用的有工作波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振型变换器。


对于串联线性稳压电源适配器,输出对输入的瞬态响应特性主要由调整管的频率特性决定。但对于开关电源适配器,输入的瞬态变化比较多地表现在输出端。在提高开关频率的同时,由于反馈放大器的频率特性得到改善,开关电源适配器的瞬态响应问题也能得以解决。负载变化瞬态响应主要由输出端LC滤波器的特性决定,所以可以利用提高开关频率、降低输出滤波器体积的方法来改善瞬态响应特性。

2.开关稳压电源适配器的基本工作原理
开关稳压电源适配器按控制方式分为调宽式和调频式两种,在实际的应用中,调宽式使用得较多。在目前开发和使用的开关电源适配器集成电路中,绝大多数为脉宽调制型。因此,下面就主要介绍调宽式开关稳压电源适配器。调宽式开关稳压电源适配器的基本原理如图所示。

对于单极性矩形脉冲来说,其直流平均电压U0取决于矩形脉冲的宽度,脉冲越宽,其直流平均电压值就越高。直流平均电压U0可由以下公式计算:

式中:Um为矩形脉冲最大电压值,T为矩形脉冲周期,T1为矩形脉冲宽度。
从式可以看出,当Um与T不变时,直流平均电压U0将与脉冲宽度T1成正比。这样,只要设法使脉冲宽度随稳压电源适配器输出电压的增高而变窄,就可以达到稳定电压的目的。
开关稳压电源适配器的基本电路框图如图1-3所示。交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后,变成含有一定脉动成分的直流电压,该电压进入高频变换器被转换成所需电压值的方波,最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。

开关电源适配器基本电路框图

控制电路为一脉冲宽度调制器,它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制电路及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化,已具有适用于各种开关电源适配器应用的系列产品。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例,以达到稳定输出电压的目的。

(1)开关稳压电源适配器的优点

①功耗小,效率高。在开关稳压电源适配器电路中,开关管在激励信号的激励下,它交替地工作在导通—截止和截止—导通的开关状态下,转换速度很快,工作频率一般为50kHz左右,在一些技术先进的国家,可以做到几百千赫或者近1000kHz。这使得开关管的功耗很小,电源适配器的效率可以大幅度地提高,其效率可达到80%。
②体积小,重量轻。从开关稳压电源适配器的原理框图可以清楚地看到没有采用笨重的工频变压器。开关管上的耗散功率大幅度降低后,又省去了较大的散热片。由于这两方面的原因,开关稳压电源适配器实现了体积小、重量轻。
③稳压范围宽。闭路电视摄像头电源适配器的输出电压是由激励信号来调节的,输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿,这样在工频电网电压变化较大时,它仍能够保证有较稳定的输出电压。所以,开关电源适配器的稳压范围很宽,稳压效果很好。此外,改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。这样,开关稳压电源适配器不仅具有稳压范围宽的优点,而且实现稳压的方法也较多,设计人员可以根据实际应用的要求,灵活地选用各种类型的开关稳压电源适配器。
④滤波的效率大为提高,使滤波电容的容量和体积大为减小。开关稳压电源适配器的工作频率目前基本上为50kHz,是线性稳压电源适配器的1000倍,这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。就是采用半波整流后加电容滤波方式,效率也可提高500倍。在相同的纹波输出电压下,采用开关稳压电源适配器时,滤波电容的容量只是线性稳压电源适配器中滤波电容的1/500~1/1000。
⑤电路形式灵活多样。开关稳压电源适配器的形式有自激式和他激式,有调宽型和调频型,有单端式和双端式等,设计人员可以发挥各种类型电路的特长,设计出能满足不同应用场合的开关稳压电源适配器。

(2)开关稳压电源适配器的缺点
开关稳压电源适配器的缺点是存在较为严重的开关干扰。在开关稳压电源适配器中,功率开关管工作在开关状态,在其开关过程中产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰,这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽,就会严重地影响整个系统的正常工作。此外,由于开关稳压电源适配器振荡器没有工频变压器的隔离,这些干扰就会窜入工频电网,使附近的其他电子仪器和控制设备受到严重的干扰。

目前,由于国内微电子技术、阻容器件生产技术以及磁性材料技术与一些技术先进国家还有一定的差距,因而开关稳压电源适配器的造价不能进一步降低,也影响到可靠性的进一步提高。所以在我国的电子仪器以及机电一体化仪器中,开关稳压电源适配器还不能得到十分广泛的应用。特别是对于无工频变压器开关稳压电源适配器中的高压电解电容器、高反压大功率开关管、开关变压器的磁芯材料等,我国还处于研究、开发阶段。

在一些技术先进国家,开关稳压电源适配器虽然有了一定的发展,但在实际应用中也还存在一些问题,不能令人十分满意。这暴露出开关稳压电源适配器的又一个缺点,那就是电路结构复杂,故障率高,维修麻烦。对此,如果设计者和制造者不予以充分重视,则将直接影响到开关稳压电源适配器的推广应用。当今,开关稳压电源适配器推广应用比较困难的主要原因就是它的制作技术难度大、维修麻烦和成本较高。



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| 发布时间:2019.05.16    来源:电源适配器厂家
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