226 开关电源

两北工业大学硕士学位 第一章 绪论 造成这些缺点的原因是:(1)从图1-1中可以看到，功率晶体管v在整个 工作过程中，一直工作在晶体管特征曲线的线性放大区。功率晶体管本身的功 耗与输出电流成正比。这样功率晶体管本身的功耗就会随电源的输出功率的增 大而增大。为保证功率晶体管能正常工作，除选用功率大的管子外，还必须给 管子加上较大的散热片。(2)线性稳压电源使用了50Hz工频降压变压器，它的 效率只有 80%-90%o。这样不但增加了电源的体积和重量，而且也大大降低了 电源的效率。(3)由于工作频率为 50Hz，所以要降低输出电压中纹波电压的峰 峰值，就必须增大滤波电容的容量。 1.1.2开关电源 图1-2 开关电源原理图 所谓开关电源是指调整功率管以开关方式进行工作的稳定电源，缩写为 SPS(Switching Power Supply)。图1-2给出了开关电源的原理框图。实际上， 开关电源的核心部分是一个直流变换器。利用直流变换器可以把一种直流电压 变成极性、数值不同的多种直流电压。 开关电源的优点: (1)功耗小，效率高。图1-2中，功率晶体管v在激励信号的激励下，交 替工作在导通一截止和截止一导通的开关状态，转换速度很快，频率一 般在几十到几百kHz。这就使得功率晶体管的损耗较小，电源的效率可 以大幅度地提高，其效率可以达到80%以上。 (2)体积小，重量轻。由于没有采用笨重的工频变压器，并且在功率晶体管 上的耗散功率大幅降低后，又省去了较大的散热片，因此开关稳压电源 的体积和重量都可以得到减小。 (3)稳压范围宽。开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比或者激励 信号的频率来调节的，输入电压的变化也可以通过变频或调宽来进行补 偿。在工频电网电压有较大变化或负载有较大变化时，它仍能保证有较 稳定的输出电压，所以稳压范围宽、稳压效果好。 西北丁业大学硕士学位论文 第一章 绪论 (4)滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减小。例如，若开 关稳压电源的工作频率为50kHz，是线性稳压电源频率的 1000倍，那 么滤波电容的容量可以相应的缩小 1000倍，这使滤波电路中元件的体 积和重量得以减小很多，同时电源的成本也得到降低。 开关电源也存在一些缺点: (1)存在较为严重的开关干扰。功率晶体管V工作在开关状态，它产生的交 流电压和电流会通过电路中的其它器件产生尖峰干扰和谐波干扰，这些 干扰如不能得到抑制、消除和屏蔽，就会严重地影响整个电源系统的正 常工作。此外由于没有工频变压器的隔离，这些干扰就会串入工频电网， 使附近的其它电子仪器、设备受到严重的干扰。 (2)电路结构相于线性电源复杂，故障率高，维修较困难。 1.2开关电源的发展 1.2.1起洲与发展 1955年美国科学家罗耶(G. H. Royer)首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行 自激振荡的晶体管直流变换器。此后，利用这一技术的各种形式的晶体管直流 变换器不断出现，从而取代了早期采用的可靠性差、转换效率低的旋转式和机 械振子式换流设备。由于设备和工艺的落后，那时还不能制作出开关速度快、 耐压高、功率大的晶体管，所以这个时期的直流变换器只能采用低电压输入。 60年代末，高反压的晶体管出现了，从此直流变换器就可以直接由市电经 整流、滤波后输入，不再需要笨重的工频变压器降压了。在此基础上，诞生了 无工频变压器的开关稳压电源，从而使电源的体积和重量大为减小，同时效率 得以提高。 70年代以后，与这种技术相关的高频高反压的功率晶体管、高频电容、开 关二极管、开关变压器铁芯等器件不断地被研制生产出来，使开关稳压电源得 到了很快发展，并且被广泛地应用于电子计算机、通信、航空、航天、家用电 器等领域内，从而使开关稳压电源成为了各种电源中的佼佼者。 为了在体积上能使电源跟上日益缩小的各种电子仪器仪表、通讯设备、家