一 开关电源工作原理及基础知识

发布时间:2024-11-17

电源供应器简介目录电源供应器起源 交换式电源的应用 交换式电源之基本原理 交换式电源之基本电路架构与比较 交换式电源之电气规格电源供应器起源

電源供應器介绍

電源供應器简介目录

電源供應器起源 交換式電源的應用

交換式電源之基本原理

交換式電源之基本電路架構與比較 交換式電源之電氣規格

電源供應器起源

近年來由於微電子的快速發展,一日千里,在電源系統的設計上變得更為複雜、更有效率、且重量較輕、同時具有高功率密度之性能,如電力電子裝置AC/DC轉換器、DC/DC轉換器、DC/AC轉換器、變頻器、及電子式日光燈等裝置均以輕、薄、短、小為研究目標。

交換式電源供應器(Switching Power Supply:簡稱SPS)為荷蘭人 Neti R. M. Rao 於1970年所研發出來的。

早期一般都使用線性式電源供應器(Linear Power Supply) ,線性式電源供應器因為有: (1)重量較重,體積大; (2)效率低的缺點;

而交換式電源供應器因能工作於高頻,因此具有:

(1) 重量輕,體積小;(2)效率高;(3)較寬廣的輸入電壓範圍的優點。 不過線性式電源供應器(Linear Power Supply)也具有:

(1)輸出電壓漣波較小,電磁干擾(EMI)較小;(2)電路簡單的優點。 交換式電源供應器也具有:

(1)輸出電壓漣波較大;(2)電磁干擾(EMI)較嚴重;(3)電路較複雜的缺點。

交換式電源供應器利用功率切換元件如Power MOSFET、IGBT等,將輸入的直流高壓切割成高頻高壓的信號,經由變壓器將能量傳遞至二次側,再由輸出的低通濾波器(Low Pass Filter)濾除高頻信號,得到所需的直流輸出電壓。

藉由功率元件的切換,使得輸入到輸出的電壓轉換,都在高頻下完成。因此電源供應器中所有的儲能元件(電感,電容,變壓器)都可用較小的值,轉換器的體積與重量均可因此而降低。

線性式電源供應器等效方塊圖

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交換式電源供應器等效方塊圖

开关式电源与线性式电源的比较

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交換式電源的應用範疇

交換式電源之基本原理

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電源轉換的模式

電源轉換器基本上為一電流調節器,以變阻性元件來調節者叫Linear Converter,以開關及電感來調節者叫Switching Converter。

開關電源的原理

變壓器是將電能轉成磁能,再將磁能轉回電能,來達成交流電的升降壓任務。 開關電源則是將電感器充電成電流源,再將電流源放電,來達成直流電的升降壓任務。 兩者的原理都是:

隔離型高頻交換式電源轉換器方塊圖

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電源轉換器的類別

三個基本架構

開關電源降壓原理

開關電源降壓原理

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開關電源升壓原理

開關電源升降壓原理

隔離反馳式交換電源

當線路中的開關關閉,電流就會流經變壓器一次測電感,並將能量儲存於其中,由於電壓極性的關係,輸出二極體是在逆向偏壓狀態,此時負載端就由輸出電容來繼續提供能量輸出,當開關打開此時由於磁場消失,變壓器呈逆向極性,輸出二極體為順向偏壓,因此將變壓器能量傳到負載端使其有能量輸出,由於開關ON/OFF的作用使負載端不斷產生能量輸出。

隔離順向式交換電源

當線路中的開關關閉,電流就會流經變壓器一次測繞組產生偏壓,並將能量轉換至變壓器二次測繞組,由於變壓器一次測與二次測為同極性因此產生同極性電壓,上端輸出二極體是在順向偏壓狀態並將能量儲存於輸出電感器中,此時另一二極體為逆向偏壓狀態,而當開關轉變成打開狀態,變壓器一次測繞組電壓會反向而上端輸出二極體會成為逆向偏壓,另一二極體則會變為順向偏壓並將輸出電感儲存之能量傳送到負載上。

隔離推挽式(Push-Pull)交換電源

推挽式轉換器線路乃是由兩個反相位工作的順向式轉換器組合而成,每一半週時會將能量傳導致負載上。

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隔離半橋式(Half-Bridge)交換電源

在半橋式轉換器是利用C1及C2串聯,其浮點電壓值為輸入電壓1/2,藉由TR1產生正電壓脈波,與TR2產生負脈波,而組成整個震盪週期,因此TR1與TR2之耐壓較其它線路之耐壓小將近1/2 。

各種轉換器的變壓器特性比較

交換式電源之電氣規格

1.0 Introduction

陳列用途以利電路架構的選用。

2.0 Input Specifications 定義輸入電壓、相數、頻率,含標稱值 及上下限。

3.0 Output Specifications 定義負載規格,包括電壓組數、線電壓穩壓率、負載穩壓率、漣波及雜訊程度等等。 4.0 General Specifications 定義保護措施,包括過壓保護、過載保護、短路保護、過溫保護等等。定義附加特殊功能,如Power Good、Power Fail、及時序等等。

5.0 Environment Specifications 定義操作及儲存的溫度範圍、定義振動及撞擊的規格。 6.0 International Standards

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國際安全規定,國際EMI規定,國際EMS規範。

7.0 Mechanical Specifications 定義外觀尺寸、材質、表面處理、顏色,安裝方式、孔位,輸出、輸入接頭等等。 8.0 Design Notes 特殊要求:如指定用料、指定電路等等。

Line Regulation 線穩壓率

為防止交換式電源供應器因輸入電源電壓變動,而造成輸出電壓不穩定,變動過大致使客戶儀器誤動作或是無法正常工作,因此需以一次側電容器及線路設計之工作範圍來避免因輸入電源電壓變動而產生輸出電壓不穩定不良,而符合客戶要求之規格。

Efficiency 效率

效率在交換式電源供應器中為一重要之規格指標,它代表所設計出來之電源供應器是否能將能量傳輸出去,因此其能量之損失在電路上愈少當然是愈好,效率也就會愈高。所以,效率之定義乃為輸出功率與輸入功率之比。

Load Regulation 負載穩壓率

為防止開關式電源供應器輸出端電壓因負載變動,而造成輸出電壓不穩定降低或升高致使客戶儀器誤動作或是無法正常工作,所作測試,因此需以二次側回授線路及補償線路之設計來避免因負載變動產生輸出電壓不穩定不良,而符合客戶要求之規格。

Ripple & Noise 漣波與雜訊

交換式電源供應器,因一次側開關以高頻率之速度一開一關,對二次側電容器充放電產生之電壓漣波及雜訊,為避免對客戶儀器產生干擾或是誤動作,必須以二次側電容器容值大小,或是線路跑線來抑制漣波電壓與雜訊在客戶所規定範圍內。

Short Circuit 短路保護

為防止二次側線路發生異常輸出短路時產生電流過大,致使二次側線路或一次側開關元件燒毀。

為防止客戶端儀器發生短路時致使客戶儀器線路銅箔燒毀,因此需在電源線路上加上過電流保護在發生輸出電流過大時關閉開關元件停止輸出,避免發生危險。

O.C.P 過電流保護

為防止客戶在輸出端錯誤使用電流消耗值比電源供應器設定過大之產品,致使交換式電源發生過熱或是燒毀之危險,因此需在交換式電源上設定固定之消耗電流值,而在使用上超出設定之電流值時需停止輸出防止損壞,並且在設定之消耗電流值之內交換式電源供應器不可以發生過熱或燒毀。 ( Ps: 申請安規測試時過負載可以損壞,但是不可以過熱。 )

O.V.P 過電壓保護

為防止電壓回授線路失效或是故障,一次 側開關元件無法控制,持續震盪致使輸出電壓上昇偏高,而使得輸出線路電容器爆炸,或是客戶端儀器燒毀而在輸出端增加之監控線路或在輸出端發生電壓偏高時將輸出短路使用O.C.P線路保護,或是控制一次側線路,強制關閉震盪晶體停止電壓輸出。

Hold Up Time 輸出電壓保持時間

為防止電源供應器輸出電壓由於AC 輸入電源瞬間變動,而造成輸出電壓降低。

當電源斷電時,電源有接不斷電系統,在不斷電系統由市電轉為電池供電轉換期間,可以短時間繼續輸出提供客戶儀器使用。

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HI-POT 耐壓測試

為防止電源供應器發生一次側高壓因零件不良或是結構發生短路距離不夠而傳到二次側致使使用者接觸發生觸電之危險致命,因此所必須執行之測試,出貨時如有發生不良客戶將視為致命缺點退貨,另外如在市場上發生不良,安規將會命令從市場上全數回收。

Burn In 燒機

所謂的燒機就是在檢驗半成品或成品,利用燒機的方式將有瑕疵的元件或是人為之作業不良失誤(散熱片未所緊)而造成產品不良予以事先破壞,以防止潛藏的不良品流出。

Safety/EMC規範 各国安规认证的介绍.

UL认证(美国):保险商试验所(Underwriter Laboratories Inc.)

CE认证(欧盟):“Communate Europpene”缩写而成,是欧洲共同体的意思。

VDE认证(德国):VDE的全称是Prufstelle Testing and Certification Institute,意即德国电气工程师协会。

GS认证(德国):Germany Safety" (德国安全)的意思。德语Geprufte Sicherheit(安全性已认证

3C认证(中国):(china compulsory certification)的英文缩写。

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FCC认证(美国): (Federal Communications Commission,美国联邦通信委员会)

CSA认证(加拿大):加拿大标准协会(Canadian Standards Association)的简称。

EMC认证(欧盟): (Electro Magnetic Compatibility)直译是"电磁兼容性"。 北欧四国Nordic产品认证:是指挪威,瑞典,芬兰,丹麦。

德国TUV莱茵产品认证:

TCO认证(瑞典):

IMQ(意大利):产品安全认证标志。 HK:香港安全认证标志

OVE认证(奥地利):奥地利安全认证标志 LVD认证(欧盟):LVD,低电压指令。

EMI认证(日本):(Electro Magnetic Interference)直译是电磁干扰。 EMS认证:(Electro Magnetic Susceptibility)直译是"电磁敏感度"。 PSE认证(日本):PSE标志 - 日本产品安全标志 JIS认证(日本):日本标准化组织(JIS)

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