電源是電氣和電子系統(tǒng)中的組件，負(fù)責(zé)將來自電源的電能轉(zhuǎn)換為可供負(fù)載使用的形式。電源設(shè)計主要分為兩大類：線性電源和開關(guān)電源。雖然線性電源傳統(tǒng)上用于許多應(yīng)用，但開關(guān)電源因其效率高、尺寸小巧和性能而成為。

本文探討開關(guān)電源的用途、優(yōu)點和工作原理，詳細(xì)介紹其工作原理以及為何被各個行業(yè)廣泛采用。

什么是電源？

電源是一種電氣設(shè)備，可將外部電源的輸入電壓轉(zhuǎn)換為適合為電子設(shè)備供電的穩(wěn)定電壓。電源主要分為兩種類型：

1.線性電源

線性電源使用變壓器降低輸入交流電壓。然后對電壓進(jìn)行整流并轉(zhuǎn)換為直流，然后進(jìn)行濾波以消除波動。這些電源使用線性穩(wěn)壓器來保持恒定的輸出電壓。然而，它們會將多余的能量以熱量的形式耗散，因此對于高功率應(yīng)用來說效率低下。

2.開關(guān)電源（SMPS）

開關(guān)電源采用不同的電壓轉(zhuǎn)換方法，解決了線性電源的許多局限性。它們不依賴變壓器來降低電壓，而是首先對輸入電壓進(jìn)行整流和濾波，然后將其轉(zhuǎn)換為高頻脈沖，然后再進(jìn)行整流和濾波以產(chǎn)生最終的直流輸出。這種方法允許更小、更高效的電源以最小的能量損耗運行。

開關(guān)電源如何工作？

開關(guān)電源通過多級過程有效地將交流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流輸出。以下是主要階段：

1. 輸入整流

SMPS的步是通過整流將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓。交流電壓遵循正弦波模式，在正負(fù)周期之間交替。整流過程消除了波形的負(fù)部分，使電流朝一個方向流動。這可以通過以下任一方式實現(xiàn)：

• 半波整流：只允許交流電壓的正半周通過，丟棄負(fù)半周。

• 全波整流：使用橋式整流器將整個交流波形轉(zhuǎn)換為連續(xù)的直流波，提高效率并減少功率損耗。

整流雖然產(chǎn)生的是直流電壓，但其中含有的波紋需要在使用前消除。因此，需要添加儲能電容器來穩(wěn)定電壓并減少波動。

2.功率因數(shù)校正（PFC）

功率因數(shù)校正是 SMPS 設(shè)計的一個重要部分，可確保輸入電流和電壓波形正確對齊。這可減少諧波失真并防止電源效率低下。PFC 可通過兩種方式實現(xiàn)：

• 無源PFC：使用電感、電容等無源元件來濾除諧波，但其效果有限。

• 有源PFC：使用電力電子技術(shù)動態(tài)地塑造電流波形，提高效率并滿足國際電能質(zhì)量法規(guī)。

3. 電壓轉(zhuǎn)換與調(diào)節(jié)

整流后，直流電壓通過高速開關(guān)晶體管被斬波為高頻方波。使用高頻開關(guān)的優(yōu)點是允許使用更小更輕的變壓器，從而使電源更緊湊、更高效。

根據(jù)應(yīng)用情況，SMPS 可以設(shè)計為帶隔離或不帶隔離：

隔離式與非隔離式開關(guān)電源

隔離電源：這些設(shè)計使用變壓器提供安全隔離。反激式轉(zhuǎn)換器和 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器是常見的選擇。

非隔離電源：這些設(shè)計不需要變壓器，因此結(jié)構(gòu)緊湊、效率高。它們通常使用降壓轉(zhuǎn)換器來降低電壓水平。

4. 輸出整流與濾波

電壓降壓后經(jīng)過整流和濾波，產(chǎn)生穩(wěn)定的直流輸出。整流過程會消除任何剩余的交流分量，而濾波則確保電壓平穩(wěn)輸送。

開關(guān)電源的優(yōu)點

與線性電源相比，開關(guān)電源有幾個主要優(yōu)點：

1.高效率

SMPS 裝置的效率明顯高于線性電源，通?？蛇_(dá)到 90% 以上的效率水平。這是因為它們不依賴電阻耗散來調(diào)節(jié)電壓，從而限度地減少功率損耗。

2. 緊湊輕巧的設(shè)計

由于 SMPS 裝置采用高頻操作，因此需要更小的變壓器和電感器，從而減小尺寸和重量。這使得它們成為便攜式電子設(shè)備等空間有限的應(yīng)用的理想選擇。

3.寬輸入電壓范圍

開關(guān)電源可工作在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)，適合不同電力標(biāo)準(zhǔn)的各個地區(qū)的使用。

4. 降低發(fā)熱量

由于 SMPS 單元運行高效，與線性電源相比，它們產(chǎn)生的熱量更少，從而減少了對大型散熱器的需求并改善了整體熱管理。

5. 應(yīng)用的多功能性

SMPS 可以根據(jù)各種電壓和電流要求進(jìn)行設(shè)計，使其適用于從消費電子產(chǎn)品到工業(yè)自動化和電信等各種應(yīng)用。

開關(guān)電源的應(yīng)用

開關(guān)電源廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)和應(yīng)用，包括：

• 工業(yè)設(shè)備：為數(shù)控機(jī)床、自動化系統(tǒng)和控制電路供電。

• 消費電子產(chǎn)品：用于電視、游戲機(jī)和計算機(jī)。

• 醫(yī)療設(shè)備：為影像設(shè)備和診斷機(jī)提供穩(wěn)定的電源。

• 電信：用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、手機(jī)基站、路由器等。

• 汽車工業(yè)：為電動汽車充電系統(tǒng)和車載電子設(shè)備提供動力。

• 航空航天和國防：用于航空電子、雷達(dá)系統(tǒng)和衛(wèi)星通信。

結(jié)論

開關(guān)電源通過提供的效率、緊湊的尺寸和多功能性，改變了電源轉(zhuǎn)換技術(shù)。它們能夠高效地將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，同時將能量損失降至，因此成為各種應(yīng)用的。

盡管現(xiàn)代SMPS設(shè)計十分復(fù)雜，但其控制電路和集成電源模塊卻能簡化其實施，從而為其帶來諸多好處。通過了解開關(guān)電源的工作原理和優(yōu)勢，工程師和設(shè)計師可以根據(jù)自己的特定需求選擇合適的電源解決方案，確?？煽?、高效的性能。