|
|
电源是甚么？
电源是未来自能量源（如供电网）的电流转换为负载（如机电或电子装备）用电所需电压值的电气装备。
电源次要有两种设计：线性电源和开关电源。
线性电源：线性电源设计利用变压器来升高输出电压，而后对电压整流并转换为直流电压，再进行滤波以改良波形品质。线性电源使用线性稳压器来放弃输入电压的恒定。线性稳压器以热量的方式耗散任何过剩的能量。开关电源:开关电源设计是一种较新的办法，它能够解决线性电源设计中存在的许多问题，包罗变压器尺寸和电压调理问题。在开关电源设计中，输出电压再也不被升高，而是在输出端进行整流和滤波；而后经过斩波器将其转换为高频脉冲序列；在电压抵达输入端以前，再次进行滤波和整流。开关电源的任务原理短暂以来，线性AC / DC电源始终被用于将专用电网的交流电转换为直流电，用于家用电器或照明用电。但大功率运用愈来愈需求更小的电源。线性电源被升级到特定的工业和医疗用处中，因其低噪声让它在这种运用中仍有用武之地；而开关电源由于体积小、效力高而且可以处置大功率，曾经很大水平上代替了线性电源。图1说明了在开关电源中，交流电（AC）到直流电（DC）的个别转换进程。
w4t3f3npxoy.jpg
图1: 隔离式AC/DC开关电源
输出整流
整流是将交流电压转换为直流电压的进程。输出信号的整流是开关模式AC / DC电源的第一步。
直流电压通常被以为是恒定的直线电压，就像电池提供的电压那样。 但实际上，直流电（DC）被定义为单向电荷流。这象征着直流电压沿同一标的目的活动，但纷歧定是恒定的。
正弦波交流电（AC）正弦波是最典型的电压波形，其前半周期为正，后半周期为负。假如负半周期反相或打消，则电流将住手交替，变成直流电。这个转换进程能够经过整流来完成。
利用无源半桥整流器中的二极管，能够打消正弦波的负半部份，从而完成整流（拜见图2）。二极管允许电流在波的正半周期经过，并在电流沿相同标的目的流过期截止电流。
d0u3ogafvdb.jpg
图2: 半桥整流器
正弦波通过整流后将拥有较低的均匀功率，无奈无效为装备供电。另外一种更无效的办法是改动负半波的极性，将其变成正波。这类办法称为全波整流，它只需求四个二极管做全桥配置便可（见图3）。不论输出电压的极性如何，这类配置均可以确保不乱的电流标的目的。
epp3eussxrr.jpg
图3: 全桥整流器
比拟半桥整流，通过全波整流的波形均匀输入电压更高，但仍与电子装备供电所需的恒定直流波形相差甚远。只管它曾经是一个直流波形，但从电压波的外形能够看出，电压变动十分快并且频繁，用这样的直流电为装备供电效力会很低。直流电压的这类周期性变动称为纹波，增加或打消纹波关于完成高效电源相当首要。
增加纹波最简略、最罕用的办法是在整流器输入端添加一个大电容，称为储能电容器或平滑滤波器（见图4）。
该电容器在波峰期间存储电压，而后为负载提供电流，直到其电压小于正在回升的整流电压波为止。其发生的波形将更接近所需的外形，也能够以为是没有交流份量的直流电压。这个终究的电压波形就能为直流装备供电了。
2tntjwrad4w.jpg
图4: 带平滑滤波器的全桥整流器
无源整流器采取半导体二极管作为非受控开关，这是最简略的交流波整流办法，但并非最无效的办法。
二极管是相对于高效的开关。它们可以以最小功耗疾速导通和关断。但它独一的问题是存在0.5V至1V的正向偏置压降，这会升高效力。
有源整流器采取可控开关替代了二极管，例如MOSFET或BJT晶体管（见图5）。它有两个劣势：首先，晶体管整流器没有半导体二极管固有的0.5V至1V压降，由于其电阻能够恣意小，因此压降也很小；其次，晶体管是受控开关，这象征着开关频率能够调理，并进而优化。
其缺陷是，有源整流器需求更繁杂的管制电路能力完成其指标，这需求额定的组件，因此本钱更高。
zrpdic0s5sp.jpg
图5: 全桥有源整流器
功率因数校订（PFC）
开关电源设计的第二步是功率因数校订（PFC）。
PFC电路对交流电到直流电的实际转换奉献不大，但它却是大少数商用电源的首要组成部份。
1kkjga31esz.jpg
图6: 整流器输入真个电压和电流波形
视察整流器储能电容器的电流波形（请拜见图6），会发现充电电流在很短的时间跨度内流经电容器；详细而言，是从电容器输出端电压大于电容器电荷的那一点，到整流信号峰值之间。这会致使电容器中发生一系列短电流尖峰，不只会对电源形成重大问题，还会影响全部电网。由于这些电流尖峰会注入电网并发生少量谐波。而谐波会发生失真，可能会影响衔接到电网的其余电源和装备。
在开关电源设计中，功率因数校订电路的目的就是滤除这些谐波，使之最小化。功率因数校订电路有两品种型：有源和无源。
无源PFC电路由无源低通滤波器组成，这些滤波器会尝试打消高频谐波。然而，仅使用无源PFC，还无奈使电源（尤为是在大功率运用中）合乎国内谐波噪声标准。必需采取有源功率因数校订。有源PFC能够改动电流波形的外形，使其跟随电压波形。谐波被转移到更高的频率上，因此更易被滤除。在这类状况下，最常运用的电路是升压（boost，或step-up）变换器。隔离：隔离式与非隔离式开关电源无论是不是存在PFC电路，电源变换的最初一步都是将整流后的直流电压升高到合适预期运用的适量幅度。
因为输出的交流波形在输出端进行整流，因此直流电压输入很高：没有PFC时，整流器的输入直流电压将约为320V；存在有源PFC电路时，升压变换器的输入将为400V或更高的不乱直流电压。
对大少数只需求很低电压的运用而言，这两种状况下的高电压都极为风险，并且没须要。表1列出了选择正确的隔离拓扑时招考虑的几个方面，包罗变换器和运用。
隔离式AC / DC电源
非隔离式AC / DC电源
拓扑构造
反激变换器
降压变换器
平安性
电流隔离进步了用户的平安性
潜伏的漏电流可能会对用户或负载形成严重挫伤
尺寸与效力
变压器减少了尺寸和重量
只需求一个电感器，因此电路尺寸很小
效力
变压器的铁铜消耗会影响效力
8采取单个电感器比采取全部变压器的效力高得多
繁杂性
都需求管制电路
表1: 隔离式和非隔离式AC/DC电源
降压形式的选择次要关乎平安性。
电源的输出端衔接到交流电力支线，这象征着假如输入端漏电，这类水平的电击会致使人员重大挫伤乃至死亡，并且会毁坏衔接到输入真个任何装备。
将衔接电力支线的AC / DC电源输出和输入电路磁隔离能够确保平安。隔离式AC / DC电源中运用最普遍的电路是反激变换器调和振LLC变换器，由于它们均拥有电隔离或磁隔离（请拜见图7）。
tyx1rw5kz21.jpg
图7: 反激变换器（左）和LLC谐振变换器（右）
采取变压器象征着信号不克不及是平整的直流电压。相同，电压必需变动，因此电流也必需变动，这样能力经过感应耦合将能量从变压器的一侧传递到另外一侧。因此，反激变换器和LLC变换器都将输出直流电压“斩波”为方波，而后再经过变压器降压。最初，在输入以前，再次对波形进行整流。
反激变换器次要用于低功率运用，它也是一种隔离式降压-升压变换器，其输入电压能够高于或低于输出电压，详细取决于变压器的高级绕组与次级绕组之间的匝数比。
反激变换器的操作与升压变换器十分类似。
当开封闭合时，高级线圈经过输出进行充电并造成磁场；当开关关上时，高级电感器中的电荷转移到次级绕组，次级绕组向电路中注入电流，从而为负载供电。
反激变换器相对于而言较易设计，比拟其余变换器需求的组件更少，但它效力不高，由于它强迫晶体管恣意导通和关断，这类硬切换会形成微小的消耗（拜见图8）。特别是在大功率运用中，这会缩短晶体管寿命，并发生微小的功耗。因此，反激变换器更合适功率通常最高100W的低功率运用。
谐振LLC变换器则广泛运用于大功率运用。其电路也经过变压器进行磁隔离。LLC变换器基于谐振景象，即当任务频率与滤波器固有频率婚配时，该频率将被缩小。在这类状况下，LLC变换器的谐振频率由串连的电感与电容（LC滤波器）定义，同时还受变压器高级电感（L）的附加作用影响，因此被命名为LLC变换器。
LLC谐振变换器是大功率运用的首选，由于它们能够发生零电流开关，也称为软开关（见图8）。当电路中的电流接近零时，它能够导通和关断开关，将晶体管的开关消耗降至最低，从而升高EMI并进步效力。不外，这类机能的晋升需求付出一定的代价：设计可以在各种负载前提下完成软开关的LLC谐振变换器十分难题。为此，MPS开发了一种特殊的LLC设计工具，它能够确保变换器在正确的谐振形态下任务，从而完成更佳开关效力。
w5odhzvf4dt.jpg
图8: 硬开关（左）和软开关（右）消耗
前文提到过，AC / DC电源的局限性之一是输出变压器的尺寸和重量。这是由于输出变压器的低任务频率（50Hz）需求较大的电感器和磁芯，能力防止饱和。
在开关电源中，电压的振荡频率显著更高（最少高于20kHz）。这象征着降压变压器能够更小，由于高频信号在线性变压器中发生的磁消耗较小。输出变压器的尺寸变小了，零碎就能小型化，才有可能完成将全部电源都装进手机充电器中，就像咱们当初所使用的。
有些直流装备其实不需求变压器提供隔离。这在不需求用户间接触摸的装备（例如灯、传感器、IoT等）中很常见，由于对装备参数的任何处置都是在独自的装备（例如手机、平板电脑或计算机）上实现的。
这对装备的重量、尺寸和机能都有很大好处。这些变换器利用高电压降压变换器升高了输入电压程度。其电路能够以为是以前提到的升压变换器的反相电路。在这类状况下，当晶体管开封闭合时，流经电感的电流会在电感两端发生一个电压，它会对消来自电源的电压，从而升高输入真个电压。当开关关上时，电感释放电流供应负载，在电路与电源断开时放弃负载上的电压值。
AC / DC开关电源采取高电压降压变换器，由于充任开关的MOSFET晶体管必需可以接受较大的电压变动（见图9）。当开封闭合时，MOSFET两真个电压接近0V；但当它关上时，在单相运用中，该电压回升至400V，在三相变换器中，该电压回升至800V。这些忽然的高电压变动很容易毁坏普通晶体管，因此要使用特殊的高电压MOSFET。
pyghyqlvodg.jpg
图9: 带有源PFC的非隔离式AC/DC开关电源
降压变换器比变压器更容易集成，由于它只需求一个电感。其降压效力也更高，正常状况下其效力高达95％。完成这类高效力是由于晶体管和二极管简直没有开关功耗，独一的消耗来自电感。
总结
AC / DC开关电源是目前将交流电源转换为直流电源最无效的办法。其电源转换分为三个阶段：
1、输出整流：输出的市电交流电压经过二极管电桥被转换为直流整流波。在电桥的输入端减少一个电容器能够升高纹波电压。
2、功率因数校订（PFC）：因为整流器中存在非线性电流，因此电流的谐波含量十分大。有两种办法能够解决此问题：一种办法是采取无源PFC，它使用滤波器来按捺谐波影响，但这类办法效力不高；第二种办法称为有源PFC，它使用开关升压变换器，使电流波形跟随输出电压波形。有源PFC是使电源变换器知足以后尺寸与效力规范的独一办法。
3、隔离：开关电源能够是隔离的，也能够是非隔离的。当电源的输出和输入未物理衔接时，装备处于隔离形态。隔离能够经过变压器完成，变压器将电路的两半部份电气隔离。但变压器只能在电流发生变动时传输电力，因此整流后的直流电压会被斩波为高频方波，而后再传输到次级电路中；随后再次进行整流，并终究传递到输入。
设计开关电源需求斟酌各个方面，尤为是平安性、机能、尺寸和重量等。开关电源的管制电路也比线性电源繁杂，得多设计人员发现，在电源中采取集成模块有很大帮忙。 |
|
中级会员