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      開關電源科普知識

      點擊次數:更新時間:2014-04-23

      開關電源就是用通過電路控制開關管進行高速的道通與截止.將直流電轉化為高頻率的交流電提供給變壓器進行變壓,從而產生所需要的一組或多組電壓!轉華為高頻交流電的原因是高頻交流在變壓器變壓電路中的效率要比50Hz高很多.所以開關變壓器可以做的很小,而且工作時不是很熱!成本很低.如果不將50Hz變為高頻那開關電源就沒有意義。
        開關電源大體可以分為隔離和非隔離兩種,隔離型的必定有開關變壓器,而非隔離的未必一定有。
        開關電源的工作原理是:
        1.交流電源輸入經整流濾波成直流;
        2.通過高頻PWM(脈沖寬度調制)信號控制開關管,將那個直流加到開關變壓器初級上;
        3.開關變壓器次級感應出高頻電壓,經整流濾波供給負載;
        4.輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路,控制PWM占空比,以達到穩定輸出的目的.
        交流電源輸入時一般要經過厄流圈一類的東西,過濾掉電網上的干擾,同時也過濾掉電源對電網的干擾;
        在功率相同時,開關頻率越高,開關變壓器的體積就越小,但對開關管的要求就越高;
        開關變壓器的次級可以有多個繞組或一個繞組有多個抽頭,以得到需要的輸出;
        一般還應該增加一些保護電路,比如空載、短路等保護,否則可能會燒毀開關電源
        ATX電源的主要組成部分
        EMI濾波電路:EMI濾波電路主要作用是濾除外界電網的高頻脈沖對電源的干擾,同時也起到減少開關電源本身對外界的電磁干擾,在優質電源中一般都有兩極EMI濾波電路。擁有數千種高科技含量的(AC-DC、DC-DC、DC-AC)高頻開關電源、模塊電源。
        一級EMI電路:交流電源插座上焊接的是一級EMI電源濾波器電路,這是一塊獨立的電路板,是交流電輸入后所經過的第一組電路,這個由扼流圈和電容組成的低通網絡能濾除電源線上的高頻雜波和同相干擾信號,同時也將電源內部的干擾信號屏蔽起來,構成了電源抗電磁干擾的第一道防線。
        二級EMI電路:市電進入電源板后先通過電源保險絲,然后再次經過由電感和電容組成的第二道EMI電路以充分濾除高頻雜波,然后再經過限流電阻進入高壓整流濾波電路。保險絲能在電源功率太大或元件出現短路時熔斷以保護電源內部的元件,而限流電阻含有金屬氧化物成分,能限制瞬間的大電流,減少電源對內部元件的電流沖擊。
        橋式整流器和高壓濾波:經過EMI濾波后的市電,再經過全橋整流和電容濾波后就變成了高壓的直流電。將輸入端的交流電轉變為脈沖直流電,目前有兩種形式,一種是全橋就是把四個二極管封裝在一起,一種是用4個分立的二極管組成橋式整流電路,作用相同,效果也一樣。
        一般說來,在全橋附近應該有兩個或更多的高大桶狀元件,即高壓電解電容,其作用是將脈動的直流電濾除交流成分而輸出比較平穩的直流電。高壓電解電容的使用與開關電路的設計有密切關系,其容量往往是以往電源評測時的焦點,但實際上它的容量和電源的功率毫無關系,不過增大它的容量會減小電源的紋波干擾,提高電源的電流輸出質量。
        PFC電路:PFC電路稱為功率因素校正或補償電路,功率因素越高,電能利用率就越大。
        目前PFC電路有兩種方式,一種是無源式PFC,又稱被動式PFC,一種是有源式PFC,又稱主動式PFC。無源式PFC是通過一個工頻電感來補償交流輸入的基波電流與電壓的相位差,迫使電流與電壓相位一致,無源PFC效率較低,一般只有65%-70%,且所用的工頻電感又大又笨重,但由于成本低,仍有許多ATX電源采用這種方式。有源PFC是由電子元器件組成的,體積小,重量輕,通過專用的IC去調整電流波形的相位,效率大大提高,達95%以上,但由于成本較高,通常只能在高級應用場合才能看到。
        開關三極管與開關變壓器:開關電源顧名思義其核心就是開關二字。開關三極管和開關變壓器是開關電源的核心部件,通過自激式或他激式使開關管工作在飽和、截止(即開、關)狀態,從而在開關變壓器的副繞組上感應出高頻電壓,再經過整流、濾波和穩壓后輸出各種直流電壓。開關三極管和開關變壓器是ATX電源的核心部件,其質量直接影響電源的好壞和使用壽命,尤其是開關三極管,工作在高反壓狀態下,沒有足夠的保護電路,很容易擊穿燒毀。開關管的品質直接決定了電源的穩定性,它也是電源中主要的發熱元件,拆開電源后看到的主散熱片上的兩個晶體管就是開關管。
        影響高頻開關變壓器性能的因素包括鐵氧體的效率、磁芯截面積的大小和磁隙的寬度,截面積過小的變壓器容易產生磁飽和而無法輸出較大的功率,各個繞組的匝數直接影響輸出的電壓,通常我們無法具體的掌握這些參數,所以無法準確的判斷變壓器到底能輸出多大的功率,只有通過電子負載機測量才能知道,另外,開關變壓器的輸出端雖然很多,但其中的某些輸出端使用的卻是相同的繞組,比如+3.3VDC和+5VDC就是這樣,所以當+3.3VDC輸出最大電流時+5VDC就無法輸出很大的電流了,所以我們不能將電源各個輸出端的功率進行簡單的累加。
        除主變壓器外,一般電源內還應有兩個小變壓器,其中一個將開關電路控制信號進行放大以驅動開關管進行工作,同時還可以將開關管工作的高壓區和集成電路工作的低壓區進行物理隔離。另外一個完全是一套獨立的小型開關電源,這就是我們所說的待機電路,其輸出的電壓為電源的主電路供電,同時通過+5VStandBy端輸出到主板來實現喚醒功能。
        低壓整流濾波電路:經過高頻開頭變壓器降壓后的脈動電壓同樣要使用二極管和電容進行整流和濾波,只是此時整流時的工作頻率很高,必須使用具有快速恢復功能的肖特基整流二極管,普通的整流二極管難當此任,而整流部分使用的電容也不能有太大的交流阻抗,否則就無法濾除其中的高頻交流成分,因此選擇的電容不但容量要大,還要有較低的交流電阻才行,此外還能見到1、2個體積碩大的帶磁心的電感線圈,與濾波電容一起濾除高頻的交流成分,保證輸出純凈的直流電。
        由于低壓整流端需要輸出很大的電流,所以整流二極管同樣會產生大量的熱量,這些二極管與前面的開關管都需要單獨的散熱片進行散熱,電源中另一個散熱片上所固定的就是這些元件。從這些元件輸出的就是各種不同電壓的輸出電流了。
        穩壓和保護電路:穩壓電路通常是從電源輸出端的輸出電壓取樣出部分電壓與標準電壓作比較,比較出的差值經過放大后去驅動開關三極管,調節開關管的占空比,從而達到電壓的穩定。保護電路的作用是通過檢測各端輸出電壓或電流的變化,當輸出端發生短路、過壓、過流、過載、欠壓等到現象時,保護電路動作,切斷開關管的激勵信號,使開關管停振,輸出電壓和電流為零,起到保護作用。

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