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作者：王水平 付敏江
開關(guān)穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)
圖1畫出了開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理圖及等效原理框圖，它是由全波整流器，開關(guān)管V，激勵信號，續(xù)流二極管Vp，儲能電感和濾波電容C組成。實際上，開關(guān)穩(wěn)壓電源的核心部分是一個直流變壓器。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(zhuǎn)變?yōu)榻涣鞯难b置。逆變器通常被廣泛地應(yīng)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(zhuǎn)換成交流，然后又把交流轉(zhuǎn)換成直流的裝置。這種裝置被廣泛地應(yīng)用在開關(guān)穩(wěn)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(shù)值各不同的多種直流供電電壓。
開關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)點(diǎn)
[1].功耗小，效率高。在圖1中的開關(guān)穩(wěn)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(dǎo)通-截止和截止-導(dǎo)通的開關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)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(dá)到80%。
[2].體積小，重量輕。從開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理框圖可以清楚地看到這里沒有采用笨重的工頻變壓器。由于調(diào)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，所以開關(guān)穩(wěn)壓電源的體積小，重量輕。
[3].穩(wěn)壓范圍寬。從開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓是由激勵信號的占空比來調(diào)節(jié)的，輸入信號電壓的變化可以通過調(diào)頻或調(diào)寬來進(jìn)行補(bǔ)償，這樣，在工頻電網(wǎng)電壓變化較大時，它仍能夠保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。所以開關(guān)電源的穩(wěn)壓范圍很寬，穩(wěn)壓效果很好。此外，改變占空比的方法有脈寬調(diào)制型和頻率調(diào)制型兩種。這樣，開關(guān)穩(wěn)壓電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，而且實現(xiàn)穩(wěn)壓的方法也較多，設(shè)計人員可以根據(jù)實際應(yīng)用的要求，靈活地選用各種類型的開關(guān)穩(wěn)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。開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作頻率目前基本上是工作在50kHz，是線性穩(wěn)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，采用開關(guān)穩(wěn)壓電源時，濾波電容的容量只是線性穩(wěn)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(diào)寬型和調(diào)頻型，有單端式和雙端式等等，設(shè)計者可以發(fā)揮各種類型電路的特長，設(shè)計出能滿足不同應(yīng)用場合的開關(guān)穩(wěn)壓電源。
開關(guān)穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn)
開關(guān)穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn)是存在較為嚴(yán)重的開關(guān)干擾。開關(guān)穩(wěn)壓電源中，功率調(diào)整開關(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，就會嚴(yán)重地影響整機(jī)的正常工作。此外由于開關(guān)穩(wěn)壓電源振蕩器沒有工頻變壓器的隔離，這些干擾就會串入工頻電網(wǎng)，使附近的其他電子儀器、設(shè)備和家用電器受到嚴(yán)重的干擾。
目前，由于國內(nèi)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(jī)電一體化儀器中，開關(guān)穩(wěn)壓電源還不能得到十分廣泛的普及及使用。特別是對于無工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源中的高壓電解電容器、高反壓大功率開關(guān)管、開關(guān)變壓器的磁芯材料等器件，在我國還處于研究、開發(fā)階段。在一些技術(shù)先進(jìn)國家，開關(guān)穩(wěn)壓電源雖然有了一定的發(fā)展，但在實際應(yīng)用中也還存在一些問題，不能十分令人滿意。這暴露出開關(guān)穩(wěn)壓電源的又一個缺點(diǎn)，那就是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高，維修麻煩。對此，如果設(shè)計者和制造者不予以充分重視，則它將直接影響到開關(guān)穩(wěn)壓電源的推廣應(yīng)用。當(dāng)今，開關(guān)穩(wěn)壓電源推廣應(yīng)用比較困難的主要原因就是它的制作技術(shù)難度大、維修麻煩和造價成本較高。
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開關(guān)穩(wěn)壓電源的發(fā)展
[1] 國際發(fā)展?fàn)顩r
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(xiàn)出來，從而取代了早期采用的壽命短、可靠性差、轉(zhuǎn)換效率低的旋轉(zhuǎn)和機(jī)械振子示換流設(shè)備。由于晶體管直流變換器中的功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，所以由此而制成的穩(wěn)壓電源輸出的組數(shù)多、極性可變、效率高、體積小、重量輕，因而當(dāng)時被廣泛地應(yīng)用于航天及軍事電子設(shè)備。由于那時的微電子設(shè)備及技術(shù)十分落后，不能制作出耐壓高、開關(guān)速度較高、功率較大的晶體管，所以這個時期的直流變換器只能采用低電壓輸入，并且轉(zhuǎn)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(xiàn)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(kuò)大了它的應(yīng)用范圍,并在此基礎(chǔ)上誕生了無工頻降壓變壓器的開關(guān)電源。省掉了工頻變壓器，又使開關(guān)穩(wěn)壓電源的體積和重量大為減小，開關(guān)穩(wěn)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、開關(guān)二極管、開關(guān)變壓器的鐵芯等元件也不斷地研制和生產(chǎn)出來，使無工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源得到了飛速的發(fā)展，并且被廣泛地應(yīng)用于電子計算機(jī)、通信、航天、彩色電視機(jī)等領(lǐng)域，從而使無工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源成為各種電源的佼佼者。
目前正在克服的困難
隨著半導(dǎo)體技術(shù)和微電子技術(shù)的高速發(fā)展，集成度高、功能強(qiáng)大的大規(guī)模集成電路的不斷出現(xiàn)，使得電子設(shè)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)的人們對開關(guān)穩(wěn)壓電源中的開關(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、重量更輕的開關(guān)變壓器或者通過別的途經(jīng)取代開關(guān)變壓器，使之能夠滿足電子儀器和設(shè)備微小型化的需要，這是從事開關(guān)穩(wěn)壓電源研制的科技人員目前正在克服的一個困難。
開關(guān)穩(wěn)壓電源的效率是與開關(guān)管的變換速度成正比的，并且開關(guān)穩(wěn)壓電源中由于采用了開關(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)一步提高開關(guān)穩(wěn)壓電源的效率，就必須提高電源的工作頻率。但是，當(dāng)頻率提高以后，對整個電路中的元器件又有了新的要求。例如，高頻電容、開關(guān)管、開關(guān)變壓器、儲能電感等都會出現(xiàn)新的問題。進(jìn)一步研制適應(yīng)高頻率工作的有關(guān)電路元器件，是從事開關(guān)穩(wěn)壓電源研制科技人員要解決的第二個問題。
工作在線性狀態(tài)的線性穩(wěn)壓電源，具有穩(wěn)壓和濾波的雙重作用，因而串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源不產(chǎn)生開關(guān)干擾，且波紋電壓輸出較小。但是在開關(guān)穩(wěn)壓電源中的開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，其交變電壓和電流會通過電路中的元件產(chǎn)生較強(qiáng)的尖峰干擾和諧振干擾。這些干擾就會污染市電電網(wǎng)，影響鄰近的電子儀器及設(shè)備的正常工作。隨著開關(guān)穩(wěn)壓電源電路和抑制干擾措施的不斷改進(jìn)，開關(guān)穩(wěn)壓電源的這一缺點(diǎn)得到了一定的克服，可以達(dá)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，由于開關(guān)穩(wěn)壓電源的這一缺點(diǎn)，卻使它得不到使用。所以，克服開關(guān)穩(wěn)壓電源的這一缺點(diǎn)，進(jìn)一步提高它的使用范圍，是從事開關(guān)穩(wěn)壓電源研制科技人員要解決的第三個問題。
[2] 國內(nèi)發(fā)展情況
我國的晶體管直流變換器及開關(guān)穩(wěn)壓電源研制工作開始于60年代初期，到60年代中期進(jìn)入實用階段，70年代初期開始研制無工頻降壓變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源。1974年研制成功了工作頻率為10kHz、輸出電壓為5V的無工頻降壓變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源。近10多年來，我國的許多研究所、工廠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以下的無工頻降壓變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源，并應(yīng)用于電子計算機(jī)、通信、電視等方面，取得了較好的效果。工作頻率為100kHz-200kHz的高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源于80年代初期就已開始試制， 90年代初期就已試制成功。目前正在走向?qū)嵱秒A段和再進(jìn)一步提高工作頻率。許多年來，雖然我國在無工頻降壓開關(guān)穩(wěn)壓電源方面作了巨大的努力，并取得了可喜的成果，但是，目前我國的開關(guān)穩(wěn)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，我國雖然把無工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作頻率從數(shù)十kHz提高到了數(shù)百kHz，把輸出功率由數(shù)十瓦提高到了數(shù)百瓦甚至數(shù)千瓦，但是，由于我國半導(dǎo)體技術(shù)與工藝跟不上時代的發(fā)展，導(dǎo)致我們自己研制和生產(chǎn)出的無工頻變壓器開關(guān)電源中的開關(guān)管大部分采用的仍是進(jìn)口的晶體管。所以我國的開關(guān)穩(wěn)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(dǎo)體技術(shù)和工藝。
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開關(guān)穩(wěn)壓電源的種類
現(xiàn)在，電子技術(shù)和應(yīng)用迅速地發(fā)展，對電子儀器和設(shè)備的要求是：性能上，更加安全可靠，在功能上，不斷地增加。在使用上自動化程度越來越高。在體積上，要日趨小型化。這使采用具有眾多優(yōu)點(diǎn)的開關(guān)穩(wěn)壓電源就顯得更加重要了。所以，開關(guān)穩(wěn)壓電源在計算機(jī)、通信、航天、彩色電視等方面都得到了越來越廣泛的應(yīng)用，發(fā)揮了巨大的作用，這大大促進(jìn)了開關(guān)穩(wěn)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，開關(guān)穩(wěn)壓電源的品種和類型也越來越多。下面的組圖給出了各種類型開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理圖。
(1)按激勵方式劃分
他激式
電路中轉(zhuǎn)設(shè)激勵信號的振蕩器，電路形式如圖6所示。
自激式
開關(guān)管兼作振蕩器中的振蕩管，電路形式如圖7所示。
(2)按調(diào)制方式劃分
脈寬調(diào)制型
振蕩頻率保持不變，通過改變脈沖寬度來改變和調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，有時通過取樣電路、耦合電路等構(gòu)成反饋閉環(huán)回路，來穩(wěn)定輸出電壓的幅度。
頻率調(diào)制型
占空比保持不變，通過改變振蕩器的振蕩頻率來調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓的幅度。
混合調(diào)制型
通過調(diào)節(jié)導(dǎo)通時間的振蕩頻率來完成調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓幅度的目的。
(3)按開關(guān)管電流的工作方式劃分
開關(guān)型
用開關(guān)晶體管把直流變成高頻標(biāo)準(zhǔn)方波，電路形式類似于他激式。
諧振型
開關(guān)晶體管與LC諧振回路將直流變成標(biāo)準(zhǔn)正弦波，電路形式類似于自激式。
(4)按開關(guān)晶體管的類型劃分
晶體管型
采用晶體管作為開關(guān)管，電路形式如圖6所示。
可控硅型
采用可控硅作為開關(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(fù)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
僅使用一個晶體管作為電路中的開關(guān)管，這種電路的特點(diǎn)是價格低，電路結(jié)構(gòu)簡單，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
使用兩個晶體管，將其連接成半橋形式。它的特點(diǎn)是適應(yīng)于輸入電壓較高的場合。電路形式如圖11。
全橋式
使用四個開關(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，實際就是并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源。
降壓式
輸出電壓比輸入電壓低，實際就是串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源。
(8)按工作方式劃分
可控整流型
所謂可控整流型開關(guān)穩(wěn)壓電源，是指采用可控硅整流元件作為調(diào)整開關(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。（這種供電方式在開關(guān)穩(wěn)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(nèi)，截去正弦曲線的前一部分，這一部分所占角度稱為截止角，導(dǎo)通的正弦曲線的后一部分稱為導(dǎo)通角。依靠調(diào)節(jié)導(dǎo)通角的大小，可達(dá)到調(diào)整輸出電壓和穩(wěn)定電壓的目的。其電路如圖10所式。
斬波型
斬波型開關(guān)穩(wěn)壓電源是指直流供電，輸入直流電壓加到開關(guān)電路上，在開關(guān)電路的輸出端得到單向的脈動直流，經(jīng)過濾波得到與輸入電壓不同的穩(wěn)定的直流電壓，電路還從輸出電壓取樣，經(jīng)過比較、放大、控制脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生的脈沖信號，用以控制調(diào)整開關(guān)的導(dǎo)通時間和截止時間的長短或開關(guān)的工作頻率，最后達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。電路的過壓保護(hù)電路也是依據(jù)這一部分提供的取樣信號來進(jìn)行工作的，斬波型電路形式如圖9所示。
隔離型
這種形式的開關(guān)電源是在輸入回路與逆變電路之間，經(jīng)過高頻變壓器（也可稱為開關(guān)變壓器），利用磁場的變化實現(xiàn)能量的傳遞，沒有電流間的直接流通，隔離型開關(guān)穩(wěn)壓電源采用直流供電，經(jīng)過開關(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(shù)值各不相同的多組直流輸出電壓。電路從輸出端取樣，經(jīng)放大后反饋至開關(guān)控制端，控制驅(qū)動電路的工作，最后達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。這種形式的開關(guān)穩(wěn)壓電源在實際穩(wěn)壓電源中應(yīng)用最為廣泛。
(9)按電路結(jié)構(gòu)劃分
散件式
整個開關(guān)穩(wěn)壓電源電路都是采用分立元器件組成的，它的電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，可靠性較差。
集成電路式
整個開關(guān)穩(wěn)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關(guān)晶體管，有的則不包括開關(guān)晶體管。這種電源的特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、可靠性高。彩色電視機(jī)中常采用這種開關(guān)電源。
以上五花八門的開關(guān)穩(wěn)壓電源的品種都是站在不同的角度，以開關(guān)穩(wěn)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(diào)節(jié)手段、儲能電感的連接方式、開關(guān)管器件種類以及串并聯(lián)結(jié)構(gòu)等各不相同，但是它們最后總可以歸結(jié)為串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源和并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源這兩大類。這兩大類也正是作者對開關(guān)穩(wěn)壓電源的劃分方法。
[ 完 ]
滬公網(wǎng)安備31010802001143號
