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開(kāi)關(guān)穩壓電源概述_電路圖

2019-07-01 04:48 2078次瀏覽 來(lái)源:

開(kāi)關(guān)穩壓電源的結構

    圖1畫(huà)出了開(kāi)關(guān)穩壓電源的原理圖及等效原理框圖,它是由全波整流器,開(kāi)關(guān)管V,激勵信號,續流二極管Vp,儲能電感和濾波電容C組成。實(shí)際上,開(kāi)關(guān)穩壓電源的核心部分是一個(gè)直流變壓器。這里我們對直流變換器和逆變器作如下解釋。
    逆變器,它是把直流轉變?yōu)榻涣鞯难b置。逆變器通常被廣泛地應用在采用電平或電池組成的備用電源中。

    直流變換器,它是把直流轉換成交流,然后又把交流轉換成直流的裝置。這種裝置被廣泛地應用在開(kāi)關(guān)穩壓電源中。采用直流變換器可以把一種直流供電電壓變換成極性、數值各不同的多種直流供電電壓。

    開(kāi)關(guān)穩壓電源的優(yōu)點(diǎn)

    [1].功耗小,效率高。在圖1中的開(kāi)關(guān)穩壓電源電路中,晶體管V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(kāi)關(guān)狀態(tài),轉換速度很快,頻率一般為50kHz左右,在一些技術(shù)先進(jìn)的國家,可以做到幾百或者近1000kHz。這使得開(kāi)關(guān)晶體管V的功耗很小,電源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(kāi)關(guān)穩壓電源的原理框圖可以清楚地看到這里沒(méi)有采用笨重的工頻變壓器。由于調整管V上的耗散功率大幅度降低后,又省去了較大的散熱片。由于這兩方面原因,所以開(kāi)關(guān)穩壓電源的體積小,重量輕。    [3].穩壓范圍寬。從開(kāi)關(guān)穩壓電源的輸出電壓是由激勵信號的占空比來(lái)調節的,輸入信號電壓的變化可以通過(guò)調頻或調寬來(lái)進(jìn)行補償,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定的輸出電壓。所以開(kāi)關(guān)電源的穩壓范圍很寬,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(kāi)關(guān)穩壓電源不僅具有穩壓范圍寬的優(yōu)點(diǎn),而且實(shí)現穩壓的方法也較多,設計人員可以根據實(shí)際應用的要求,靈活地選用各種類(lèi)型的開(kāi)關(guān)穩壓電源。    [4].濾波的效率大為提高,使濾波電容的容量和體積大為減少。開(kāi)關(guān)穩壓電源的工作頻率目前基本上是工作在50kHz,是線(xiàn)性穩壓電源的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,效率也提高了500b倍。在相同的紋波輸出電壓下,采用開(kāi)關(guān)穩壓電源時(shí),濾波電容的容量只是線(xiàn)性穩壓電源中濾波電容的1/500—1/1000。    [5].電路形式靈活多樣。例如,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等,設計者可以發(fā)揮各種類(lèi)型電路的特長(cháng),設計出能滿(mǎn)足不同應用場(chǎng)合的開(kāi)關(guān)穩壓電源。     開(kāi)關(guān)穩壓電源的缺點(diǎn)    開(kāi)關(guān)穩壓電源的缺點(diǎn)是存在較為嚴重的開(kāi)關(guān)干擾。開(kāi)關(guān)穩壓電源中,功率調整開(kāi)關(guān)晶體管V工作在狀態(tài),它產(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 )嚴重地影響整機的正常工作。此外由于開(kāi)關(guān)穩壓電源振蕩器沒(méi)有工頻變壓器的隔離,這些干擾就會(huì )串入工頻電網(wǎng),使附近的其他電子儀器、設備和家用電器受到嚴重的干擾。    目前,由于國內微電子技術(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)國家還有一定的差距,因而造價(jià)不能進(jìn)一步降低,也影響到可靠性的進(jìn)一步提高。所以在我國的電子儀器以及機電一體化儀器中,開(kāi)關(guān)穩壓電源還不能得到十分廣泛的普及及使用。特別是對于無(wú)工頻變壓器開(kāi)關(guān)穩壓電源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器件,在我國還處于研究、開(kāi)發(fā)階段。在一些技術(shù)先進(jìn)國家,開(kāi)關(guān)穩壓電源雖然有了一定的發(fā)展,但在實(shí)際應用中也還存在一些問(wèn)題,不能十分令人滿(mǎn)意。這暴露出開(kāi)關(guān)穩壓電源的又一個(gè)缺點(diǎn),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,則它將直接影響到開(kāi)關(guān)穩壓電源的推廣應用。當今,開(kāi)關(guān)穩壓電源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、維修麻煩和造價(jià)成本較高。  開(kāi)關(guān)穩壓電源的發(fā)展    [1] 國際發(fā)展狀況     發(fā)展史
    1955年美國的科學(xué)家羅那(G.H.Royer)首先研制成功了利用磁芯的飽和來(lái)進(jìn)行自激振蕩的晶體管直流變換器。此后,利用這一技術(shù)的各種形式的精益求精直流變換器不斷地被研制和涌現出來(lái),從而取代了早期采用的壽命短、可靠性差、轉換效率低的旋轉和機械振子示換流設備。由于晶體管直流變換器中的功率晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),所以由此而制成的穩壓電源輸出的組數多、極性可變、效率高、體積小、重量輕,因而當時(shí)被廣泛地應用于航天及軍事電子設備。由于那時(shí)的微電子設備及技術(shù)十分落后,不能制作出耐壓高、開(kāi)關(guān)速度較高、功率較大的晶體管,所以這個(gè)時(shí)期的直流變換器只能采用低電壓輸入,并且轉換的速度也不能太高。    60年代,由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展,高反壓的晶體管出現了,從此直流變換器就可以直接由市電經(jīng)整流、濾波后輸入,不再需要工頻變壓器降壓了,從而極大地擴大了它的應用范圍,并在此基礎上誕生了無(wú)工頻降壓變壓器的開(kāi)關(guān)電源。省掉了工頻變壓器,又使開(kāi)關(guān)穩壓電源的體積和重量大為減小,開(kāi)關(guān)穩壓電源才真正做到了效率高、體積小、重量輕。    70年代以后,與這種技術(shù)有關(guān)的高頻,高反壓的功率晶體管、高頻電容、開(kāi)關(guān)二極管、開(kāi)關(guān)變壓器的鐵芯等元件也不斷地研制和生產(chǎn)出來(lái),使無(wú)工頻變壓器開(kāi)關(guān)穩壓電源得到了飛速的發(fā)展,并且被廣泛地應用于電子計算機、通信、航天、彩色電視機等領(lǐng)域,從而使無(wú)工頻變壓器開(kāi)關(guān)穩壓電源成為各種電源的佼佼者。     目前正在克服的困難
    隨著(zhù)半導體技術(shù)和微電子技術(shù)的高速發(fā)展,集成度高、功能強大的大規模集成電路的不斷出現,使得電子設備的體積在不斷地縮小,重量在不斷地減輕,所以從事這方面研究和生產(chǎn)的人們對開(kāi)關(guān)穩壓電源中的開(kāi)關(guān)變壓器還感到不是十分理想,他們正致力于研制出效率更高、體積更小、重量更輕的開(kāi)關(guān)變壓器或者通過(guò)別的途經(jīng)取**關(guān)變壓器,使之能夠滿(mǎn)足電子儀器和設備微小型化的需要,這是從事開(kāi)關(guān)穩壓電源研制的科技人員目前正在克服的一個(gè)困難。    開(kāi)關(guān)穩壓電源的效率是與開(kāi)關(guān)管的變換速度成正比的,并且開(kāi)關(guān)穩壓電源中由于采用了開(kāi)關(guān)變壓器以后,才能使之由一組輸入得到極性、大小各不相同的多組輸出。要進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)穩壓電源的效率,就必須提高電源的工作頻率。但是,當頻率提高以后,對整個(gè)電路中的元器件又有了新的要求。例如,高頻電容、開(kāi)關(guān)管、開(kāi)關(guān)變壓器、儲能電感等都會(huì )出現新的問(wèn)題。進(jìn)一步研制適應高頻率工作的有關(guān)電路元器件,是從事開(kāi)關(guān)穩壓電源研制科技人員要解決的第二個(gè)問(wèn)題。    工作在線(xiàn)性狀態(tài)的線(xiàn)性穩壓電源,具有穩壓和濾波的雙重作用,因而串聯(lián)線(xiàn)性穩壓電源不產(chǎn)生開(kāi)關(guān)干擾,且波紋電壓輸出較小。但是在開(kāi)關(guān)穩壓電源中的開(kāi)關(guān)管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),其交變電壓和電流會(huì )通過(guò)電路中的元件產(chǎn)生較強的尖峰干擾和諧振干擾。這些干擾就會(huì )污染市電電網(wǎng),影響鄰近的電子儀器及設備的正常工作。隨著(zhù)開(kāi)關(guān)穩壓電源電路和抑制干擾措施的不斷改進(jìn),開(kāi)關(guān)穩壓電源的這一缺點(diǎn)得到了一定的克服,可以達到不妨礙一般的電子儀器、家用電器的正常工作的程度。但是在一些精密電子儀器中,由于開(kāi)關(guān)穩壓電源的這一缺點(diǎn),卻使它得不到使用。所以,克服開(kāi)關(guān)穩壓電源的這一缺點(diǎn),進(jìn)一步提高它的使用范圍,是從事開(kāi)關(guān)穩壓電源研制科技人員要解決的第三個(gè)問(wèn)題。    [2] 國內發(fā)展情況    我國的晶體管直流變換器及開(kāi)關(guān)穩壓電源研制工作開(kāi)始于60年代初期,到60年代中期進(jìn)入實(shí)用階段,70年代初期開(kāi)始研制無(wú)工頻降壓變壓器開(kāi)關(guān)穩壓電源。1974年研制成功了工作頻率為10kHz、輸出電壓為5V的無(wú)工頻降壓變壓器開(kāi)關(guān)穩壓電源。近10多年來(lái),我國的許多研究所、工廠(chǎng)及高等院校已研制出多種型號的工作頻率在20kHz左右,輸出功率在1000W以下的無(wú)工頻降壓變壓器開(kāi)關(guān)穩壓電源,并應用于電子計算機、通信、電視等方面,取得了較好的效果。工作頻率為100kHz—200kHz的高頻開(kāi)關(guān)穩壓電源于80年代初期就已開(kāi)始試制, 90年代初期就已試制成功。目前正在走向實(shí)用階段和再進(jìn)一步提高工作頻率。許多年來(lái),雖然我國在無(wú)工頻降壓開(kāi)關(guān)穩壓電源方面作了巨大的努力,并取得了可喜的成果,但是,目前我國的開(kāi)關(guān)穩壓電源技術(shù)與一些先進(jìn)的國家相比仍有較大的差距。此外,這些年來(lái),我國雖然把無(wú)工頻變壓器開(kāi)關(guān)穩壓電源的工作頻率從數十kHz提高到了數百kHz,把輸出功率由數十瓦提高到了數百瓦甚至數千瓦,但是,由于我國半導體技術(shù)與工藝跟不上時(shí)代的發(fā)展,導致我們自己研制和生產(chǎn)出的無(wú)工頻變壓器開(kāi)關(guān)電源中的開(kāi)關(guān)管大部分采用的仍是進(jìn)口的晶體管。所以我國的開(kāi)關(guān)穩壓電源事業(yè)要發(fā)展,要趕超世界先進(jìn)水平,最根本的是要提高我國的半導體技術(shù)和工藝。  開(kāi)關(guān)穩壓電源的種類(lèi)    現在,電子技術(shù)和應用迅速地發(fā)展,對電子儀器和設備的要求是:性能上,更加安全可靠,在功能上,不斷地增加。在使用上自動(dòng)化程度越來(lái)越高。在體積上,要日趨小型化。這使采用具有眾多優(yōu)點(diǎn)的開(kāi)關(guān)穩壓電源就顯得更加重要了。所以,開(kāi)關(guān)穩壓電源在計算機、通信、航天、彩色電視等方面都得到了越來(lái)越廣泛的應用,發(fā)揮了巨大的作用,這大大促進(jìn)了開(kāi)關(guān)穩壓電源的發(fā)展,從事這方面研究和生產(chǎn)的人員也在不斷地增加,開(kāi)關(guān)穩壓電源的品種和類(lèi)型也越來(lái)越多。下面的組圖給出了各種類(lèi)型開(kāi)關(guān)穩壓電源的原理圖。 
 (1)按激勵方式劃分
     他激式
    電路中轉設激勵信號的振蕩器,電路形式如圖6所示。     自激式
    開(kāi)關(guān)管兼作振蕩器中的振蕩管,電路形式如圖7所示。(2)按調制方式劃分
     脈寬調制型
    振蕩頻率保持不變,通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)改變和調節輸出電壓的大小,有時(shí)通過(guò)取樣電路、耦合電路等構成反饋閉環(huán)回路,來(lái)穩定輸出電壓的幅度。
 頻率調制型
    占空比保持不變,通過(guò)改變振蕩器的振蕩頻率來(lái)調節和穩定輸出電壓的幅度。     混合調制型
    通過(guò)調節導通時(shí)間的振蕩頻率來(lái)完成調節和穩定輸出電壓幅度的目的。(3)按開(kāi)關(guān)管電流的工作方式劃分
     開(kāi)關(guān)型
    用開(kāi)關(guān)晶體管把直流變成高頻標準方波,電路形式類(lèi)似于他激式。 
  諧振型
    開(kāi)關(guān)晶體管與LC諧振回路將直流變成標準正弦波,電路形式類(lèi)似于自激式。(4)按開(kāi)關(guān)晶體管的類(lèi)型劃分
     晶體管型
    采用晶體管作為開(kāi)關(guān)管,電路形式如圖6所示。     可控硅型
    采用可控硅作為開(kāi)關(guān)管,這種電路的特點(diǎn)是直接輸入交流電,不需要一次整流部分,其電路形式如圖5。(5)按儲能電感與負載的連接方式劃分
     串聯(lián)型
    儲能電感串聯(lián)在輸入與輸出電壓之間,電路形式如圖3所示。     并聯(lián)型
    儲能電感并聯(lián)在輸入與輸出電壓之間,電路形式如圖4所示。 
(6)按晶體管的連接的連接方式劃分
     單端式
    僅使用一個(gè)晶體管作為電路中的開(kāi)關(guān)管,這種電路的特點(diǎn)是價(jià)格低,電路結構簡(jiǎn)單,但輸出功率不能提高,其電路形式如圖3、圖4和圖6所示。     推挽式
    使用兩個(gè)晶體管,將其連接成推挽功率放大器形式。這種電路的特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)變壓器必須具有中心抽頭,電路形式如圖12。
 半橋式
    使用兩個(gè)晶體管,將其連接成半橋形式。它的特點(diǎn)是適應于輸入電壓較高的場(chǎng)合。電路形式如圖11。     全橋式
    使用四個(gè)開(kāi)關(guān)晶體管,將其連接成全橋形式。它的特點(diǎn)是輸出的功率比較大。其電路形式如圖13。 
 (7)按輸入與輸出的電壓大小劃分
     升壓式
    輸出電壓比輸入電壓高,實(shí)際就是并聯(lián)型開(kāi)關(guān)穩壓電源。     降壓式
    輸出電壓比輸入電壓低,實(shí)際就是串聯(lián)型開(kāi)關(guān)穩壓電源。 (8)按工作方式劃分
     可控整流型
    所謂可控整流型開(kāi)關(guān)穩壓電源,是指采用可控硅整流元件作為調整開(kāi)關(guān)管,可由交流市電電網(wǎng)直接供電,也可用變壓器變壓后供電。(這種供電方式在開(kāi)關(guān)穩壓電源剛興起的初期常常采用,目前基本上不太采用。)在可工作的半波內,截去正弦曲線(xiàn)的前一部分,這一部分所占角度稱(chēng)為截止角,導通的正弦曲線(xiàn)的后一部分稱(chēng)為導通角。依靠調節導通角的大小,可達到調整輸出電壓和穩定電壓的目的。其電路如圖10所式。     斬波型
    斬波型開(kāi)關(guān)穩壓電源是指直流供電,輸入直流電壓加到開(kāi)關(guān)電路上,在開(kāi)關(guān)電路的輸出端得到單向的脈動(dòng)直流,經(jīng)過(guò)濾波得到與輸入電壓不同的穩定的直流電壓,電路還從輸出電壓取樣,經(jīng)過(guò)比較、放大、控制脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生的脈沖信號,用以控制調整開(kāi)關(guān)的導通時(shí)間和截止時(shí)間的長(cháng)短或開(kāi)關(guān)的工作頻率,最后達到穩定輸出電壓的目的。電路的過(guò)壓保護電路也是依據這一部分提供的取樣信號來(lái)進(jìn)行工作的,斬波型電路形式如圖9所示。     隔離型
    這種形式的開(kāi)關(guān)電源是在輸入回路與逆變電路之間,經(jīng)過(guò)高頻變壓器(也可稱(chēng)為開(kāi)關(guān)變壓器),利用磁場(chǎng)的變化實(shí)現能量的傳遞,沒(méi)有電流間的直接流通,隔離型開(kāi)關(guān)穩壓電源采用直流供電,經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)電路,將直流電變成頻率很高的交流電,再經(jīng)變壓器隔離、變壓(升壓或降壓),然后經(jīng)整流器整流,最后就可以得到新的、極性和數值各不相同的多組直流輸出電壓。電路從輸出端取樣,經(jīng)放大后反饋至開(kāi)關(guān)控制端,控制驅動(dòng)電路的工作,最后達到穩定輸出電壓的目的。這種形式的開(kāi)關(guān)穩壓電源在實(shí)際穩壓電源中應用最為廣泛。(9)按電路結構劃分
     散件式
    整個(gè)開(kāi)關(guān)穩壓電源電路都是采用分立元器件組成的,它的電路結構較為復雜,可靠性較差。     集成電路式
    整個(gè)開(kāi)關(guān)穩壓電源電路或電路的一部分是由集成電路組成的,這種集成電路通常為厚膜電路。有的厚膜集成電路中包括開(kāi)關(guān)晶體管,有的則不包括開(kāi)關(guān)晶體管。這種電源的特點(diǎn)是電路結構簡(jiǎn)單、調試方便、可靠性高。彩色電視機中常采用這種開(kāi)關(guān)電源。    以上五花八門(mén)的開(kāi)關(guān)穩壓電源的品種都是站在不同的角度,以開(kāi)關(guān)穩壓電源不同的特點(diǎn)命名的。盡管各種電路的激勵方法、輸出直流電壓的調節手段、儲能電感的連接方式、開(kāi)關(guān)管器件種類(lèi)以及串并聯(lián)結構等各不相同,但是它們最后總可以歸結為串聯(lián)型開(kāi)關(guān)穩壓電源和并聯(lián)型開(kāi)關(guān)穩壓電源這兩大類(lèi)。這兩大類(lèi)也正是作者對開(kāi)關(guān)穩壓電源的劃分方法。

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