開關(guān)電源,亦稱交換式電源或開關(guān)變換器,是一種實(shí)現(xiàn)電能高頻轉(zhuǎn)換的裝置,屬于電源供應(yīng)器的一種。其核心工作原理是借助開關(guān)管的高頻開關(guān)動(dòng)作,將輸入電壓轉(zhuǎn)換為高頻脈沖信號。后續(xù)經(jīng)變壓器或電感器進(jìn)行電壓變換,再通過濾波電路處理,最終輸出穩(wěn)定的直流電壓。
開關(guān)電源的分類
按輸入電源類型分類
AC-DC 開關(guān)電源 :可將交流電轉(zhuǎn)換為直流電,常見于各類電子設(shè)備的電源適配器,如筆記本電腦充電器、手機(jī)充電器等,為設(shè)備提供所需的直流電源。
DC-DC 開關(guān)電源 :用于將一種直流電壓轉(zhuǎn)換為另一種直流電壓,廣泛應(yīng)用于汽車電子設(shè)備、通信基站等場景,實(shí)現(xiàn)不同直流電壓之間的轉(zhuǎn)換,滿足設(shè)備對不同電壓值的需求。
按工作方式分類
單端開關(guān)電源 :僅采用一個(gè)開關(guān)管,適用于低功率應(yīng)用場合。其電路結(jié)構(gòu)相對簡單,成本較低,在一些小型電子設(shè)備和低功耗系統(tǒng)中較為常見,如小型玩具、便攜式電子設(shè)備等。
雙端開關(guān)電源 :配備兩個(gè)開關(guān)管,適用于高功率應(yīng)用。通過兩個(gè)開關(guān)管的協(xié)同工作,能夠處理更大的功率,提高電源的轉(zhuǎn)換效率和輸出功率,常用于高功率的工業(yè)電源、大型服務(wù)器電源等場景。
按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類
常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括 Buck(降壓)、Boost(升壓)、Buck-Boost(降壓 - 升壓)、Flyback(反激)、Forward(正激)、Two-Transistor Forward(雙晶體管正激)、Push-Pull(推挽)、Half Bridge(半橋)、Full Bridge(全橋)等。
正激式開關(guān)電源
正激式開關(guān)電源結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,但輸出功率較高,通常適用于 100W-300W 的開關(guān)電源,尤其在低壓、大電流的應(yīng)用場景中較為廣泛,如通信電源、工業(yè)控制電源等。
其工作原理是,當(dāng)開關(guān)管接通時(shí),輸出變壓器作為介質(zhì)直接耦合磁場能量,實(shí)現(xiàn)電能與磁能的相互轉(zhuǎn)化,使輸入輸出過程同步進(jìn)行。然而,正激式開關(guān)電源也存在一些不足之處。例如,為了防止變壓器初級線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢擊穿開關(guān)管,需要增加反電動(dòng)勢繞組;同時(shí),次級通常需要額外添加一個(gè)電感進(jìn)行儲能濾波。這些額外的組件導(dǎo)致其成本相對較高,且正激式開關(guān)電源變壓器的體積也比反激式開關(guān)電源變壓器更大。


反激式開關(guān)電源
反激式開關(guān)電源采用反激高頻變壓器隔離輸入輸出回路。該變壓器不僅承擔(dān)變換電壓和傳輸能量的任務(wù),還兼具儲能電感的功能,因此反激式變壓器的設(shè)計(jì)類似于電感。這種電路結(jié)構(gòu)較為簡單,易于控制,在 5W-100W 的小功率應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛,如消費(fèi)電子設(shè)備、小型家電等。
在反激式開關(guān)電源中,當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí),變壓器原邊電感電流上升。由于反激電路輸出線圈同名端相反,輸出二極管截止,此時(shí)變壓器儲存能量,負(fù)載由輸出電容提供能量。而當(dāng)開關(guān)管截止時(shí),變壓器原邊電感感應(yīng)電壓反向,輸出二極管導(dǎo)通,變壓器儲存的能量通過二極管釋放給負(fù)載,同時(shí)對電容進(jìn)行充電。


從工作原理來看,正激式開關(guān)電源的變壓器主要承擔(dān)變壓功能,整體電路可以視為一個(gè)帶有變壓器的 Buck 電路。而反激式開關(guān)電源的變壓器則相當(dāng)于一個(gè)帶有變壓功能的電感,其電路特性更接近于 Buck-Boost 電路。正激式開關(guān)電源在工作時(shí),初級和次級同時(shí)工作,當(dāng)次級不工作時(shí)有續(xù)流電感續(xù)流,通常工作在 CCM(連續(xù)導(dǎo)通模式)模式下,其功率因數(shù)一般不高,且輸入輸出電壓與變比占空比成正比。反激式開關(guān)電源在工作時(shí),初級和次級獨(dú)立運(yùn)作,通常在 DCM(不連續(xù)導(dǎo)通模式)模式下,變壓器的電感值相對較小,且為了滿足儲能需求,通常需要在變壓器中添加氣隙,因此更適合中小功率的應(yīng)用場景。
正激變壓器可被視為理想的變壓器,不承擔(dān)儲能功能,但由于勵(lì)磁電感存在有限值,勵(lì)磁電流會導(dǎo)致磁芯尺寸較大。為了避免磁通飽和,正激變壓器需要輔助繞組來實(shí)現(xiàn)磁通復(fù)位。而反激變壓器的工作形式類似于耦合電感,電感先儲能再放能。由于反激變壓器的輸入、輸出電壓極性相反,當(dāng)開關(guān)管斷開時(shí),次級能夠提供磁芯復(fù)位電壓,因此反激變壓器無需額外增加磁通復(fù)位繞組。
推挽式開關(guān)電源
推挽式開關(guān)電源屬于雙端式變換電路,其典型電路包含兩個(gè)開關(guān)管 VT1 和 VT2。高頻變壓器的磁芯工作在磁滯回線的兩側(cè),兩個(gè)開關(guān)管在外部激勵(lì)方波信號的控制下交替導(dǎo)通與截止。在變壓器次級繞組中得到方波電壓,經(jīng)整流濾波后轉(zhuǎn)換為所需的直流電壓。


推挽式開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)在于兩個(gè)開關(guān)管易于驅(qū)動(dòng),能夠?qū)崿F(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換效率和較大的輸出功率,一般適用于 100-500W 的功率范圍,常用于中等功率的電源系統(tǒng),如服務(wù)器電源、通信電源等。然而,其主要缺點(diǎn)是開關(guān)管的耐壓要求較高,需要達(dá)到兩倍電路峰值電壓,這增加了對開關(guān)管性能的要求和成本。
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