原创深度:谈一谈什么是开关电源

作者:马玺

所有的电子设备都需要用电,电源系统负责对整个电路进行供电,其重要性不言而喻。在一般系统中,电力来源都是电网供应的市电,也就是50Hz 220V的交流电。显然,市电无法直接对电池进行充电,也不能直接供给电子设备的各个用电系统。我们需要对其进行电压转换,使其输出直流5V、12V和24V等常用电压,以满足相应系统的用电需求。图1表示的就是市电转换到所需要的直流电的电路结构。

“图1:市电到直流电输出的结构图”
图1:市电到直流电输出的结构图

输入电压可能会不稳定,负载也可能变化,这都导致了输出电压的不稳定。为了得到稳定的输出电压,稳压电路(注意:稳压电路的输入是经过整流的市电,故本文所提及的稳压电路是DC-DC)就派上了用场。本文并不具体讨论技术理论,这里就不展开数学公式和教科书电路图了。稳压电路我们可以简单理解成一个闭环自动控制系统,控制对象为电压,控制目的为在输入电压或者负载有变化时候,依然能够输出稳定的电压。

“图2:稳压电路结构图”
图2:稳压电路结构图

如图2所示,稳压电路结构一般含有取样电路、参考电压电路、比较放大电路、电压调整电路。其中根据电压调整电路的不同,又分为线性电源和开关电源。线性电源表示其功率管器件(如功率BJT或MOSFET)工作于放大区,稳压电路通过调整BJT的基级电流或者MOSFET的门级电压实现稳压输出。而开关电源则表示其功率管器件BJT或MOSFET工作于饱和区,电路状态为导通或者关断,通过调整其导通的脉冲频率,或者在导通信号频率不变的条件下改变其信号的占空比(PWM)来调整其输出电压,故得名开关电源。图3为开关电源稳压电路的结构图。

“图3:开关电源稳压电路结构图”
图3:开关电源稳压电路结构图

和线性电源相比,开关电源的工作频率较高,通常在数十到上百kHz。在高频工作条件下,根据变压器电容电感器件的物理特性,如果采用与低频工作相同的技术参数,开关电源的尺寸可以小型化。另外由于功率器件工作于饱和区,其损耗也非常小,所以在线性电源一般能达到50%左右效率的情况下,开关电源的效率可以达到80%–90%。

“图4:USB充电器是生活中最常见的开关电源”
图4:USB充电器是生活中最常见的开关电源

除了USB充电器,生活中常见的开关电源还有笔记本电脑电源、LED广告屏驱动和电视机电源等。

相对线性电源,开关电源的最大不足体现在噪声。由于开关动作产生的噪声会对系统产生干扰,危害系统的稳定运行,因而设计开关电源需要充分考虑噪声的抑制问题。不过随着随着开关电源相关的器件及控制技术的进步,开关电源的性能越来越高,在消费电子以外的工业、医疗等领域都有着普及性的应用,比如图5所示的TDK-Lambda医用48V 100W开关电源。

“图5:TDK-Lambda医用48V
图5:TDK-Lambda医用48V 100W开关电源

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“作者:马玺"
作者:马玺

马玺,多年来深耕半导体产品的技术开发及市场营销。曾任职于梅特勒-托利多研发工程师,富士通半导体产品工程师,贸泽电子技术营销产品经理等职位。具有10多年国际知名企业电子半导体相关领域产品研发及技术营销专业背景,熟悉嵌入式系统、微控制器,存储器及无线领域相关的市场与技术。

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