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高頻開關(guān)電源適配器基礎知識

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高頻開關(guān)電源適配器基礎知識

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用。但由于開關(guān)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(guān)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(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)響應問題也能得以解決。負載變化瞬態(tài)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(guān)頻率、降低輸出濾波器體積的方法來改善瞬態(tài)響應特性。

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(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)電源適配器應用的系列產(chǎn)品。控制電路用來調(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，它交替地工作在導通—截止和截止—導通的開關(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，設計人員可以根據(jù)實際應用的要求，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，設計人員可以發(fā)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(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(guān)穩(wěn)壓電源適配器的推廣應用。當今，開關(guān)穩(wěn)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(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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