什么是開關(guān)電源

開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和**，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地**。目前，開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應(yīng)用幾乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。

根據(jù)開關(guān)電源的輸入和輸出類型可以分為：AC-DC、DC-DC、 DC-AC等。

開關(guān)電源的作用，例如 AC-DC電源：

整流：將輸入交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號；

電壓轉(zhuǎn)換：輸出要求的電壓幅度；

濾波：將輸入整流的電壓進行平滑；

調(diào)整：控制輸出電壓使得幅度恒定；

隔離：將輸入與輸出部分進行電氣隔離；

保護：防止浪涌等有害電壓到達輸出部分，造成設(shè)備損壞。

開關(guān)電源產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化控制、**設(shè)備、科研設(shè)備、LED照明、工控設(shè)備、通訊設(shè)備、電力設(shè)備、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體制冷制熱、空氣凈化器，電子冰箱，液晶顯示器，LED燈具，通訊設(shè)備，視聽產(chǎn)品，安防監(jiān)控， 電腦機箱，數(shù)碼產(chǎn)品和儀器類等領(lǐng)域。

圖1 各種類型的開關(guān)電源

開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)

圖2 開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)

　 典型的AD-DC開關(guān)電源結(jié)構(gòu)如上圖2所示。

輸入的交流電進入電源后，首先經(jīng)過前級整流電路進行整流，經(jīng)過全橋式整流二級管整流后，電壓全部變成正相電壓。不過此時得到的電壓仍然存在較大的起伏，這就必須使用高壓濾波電容進行初步穩(wěn)壓，將波形修正為起伏較小的波形。

　 把直流電轉(zhuǎn)化為高頻率的脈動直流電，這一步由控制電路來完成。輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路，控制電路用來調(diào)整高頻開關(guān)元件的開關(guān)時間比例，以達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。控制電路目前已集成化，制成了各種開關(guān)電源用集成電路。

把得到的脈動直流電，送到高頻開關(guān)變壓器進行降壓。再由二極管和濾波電容組成的低壓濾波電路進行整流和濾波就得到了設(shè)備上使用的純靜的低壓直流電。

理想的開關(guān)電源，電源的工作方式應(yīng)與設(shè)計和建模的性能一模一樣：提供穩(wěn)定，平滑的輸出電壓，無論輸入，負(fù)載或者環(huán)境溫度如何變化，并且有100％的能量轉(zhuǎn)換效率。但事實上，各種元件都是不**的：負(fù)載會變化，電源可能會失真，環(huán)境變化會影響性能。此外提高性能、改善效率、縮小尺寸和降低成本的需求，則進一步提高了電源設(shè)計的復(fù)雜性。

當(dāng)前開關(guān)電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠性、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化，其中關(guān)鍵技術(shù)是高頻化，改善二次整流器件的損耗。

開關(guān)電源的測試和指標(biāo)

對于工作中的開關(guān)電源，設(shè)備負(fù)載和需求在不同時間之間可能會大幅度變化。即使是商用開關(guān)電源也必須能夠承受突然出現(xiàn)的遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過平均工作電流的峰值電流。設(shè)計電源的工程師或使用電源的系統(tǒng)需要了解電源在各種條件下的工作狀態(tài)，并需要對開關(guān)電源進行詳盡的測試和驗證，例如電源輸入電能質(zhì)量的測試，輸入波動對輸出影響的測試，負(fù)載變動對輸出影響的測試，此外整體能效的測試和評估都是非常必要的。

開關(guān)電源的測試參數(shù)主要包括輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)和能效參數(shù)的測試。

輸入?yún)?shù)

開關(guān)電源的輸入?yún)?shù)包括了以下的主要指標(biāo)：

輸入電壓：開關(guān)電源輸入的電壓幅值；

輸入電流：開關(guān)電源輸入的電流幅值；

輸入功率：開關(guān)電源輸入的功率值；

輸入頻率：開關(guān)電源輸入的電壓頻率；

輸入電流諧波\電壓諧波；

• 諧波畸變：交流量中諧波含量的均方根值與基波分量之百分比。

圖3 開關(guān)電源輸入?yún)?shù)的測試示例

輸出參數(shù)

開關(guān)電源的輸出參數(shù)包括了以下的主要指標(biāo)：

1．反映輸入電壓對輸出電壓影響的指標(biāo)

輸入電壓影響輸出電壓的幾個指標(biāo)形式：

**穩(wěn)壓系數(shù) S=△Uo/Uo / △Ui/Ui；

電網(wǎng)調(diào)整率： 輸入電網(wǎng)電壓由額定值變化+-10%時，穩(wěn)壓電源輸出電壓的相對變化量△Uo/Uo ，有時也以**值表示；

電壓穩(wěn)定度：負(fù)載電流保持為額定范圍內(nèi)的任何值，輸入電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)變化所引起的輸出電壓相對變化△Uo/Uo（百分值），稱為穩(wěn)壓器的電壓穩(wěn)定度。

圖4 輸入電壓的波動對輸出電壓的影響

2．反映輸入電壓對輸出電流影響的指標(biāo)

輸入電壓影響輸出電流的幾個指標(biāo)形式：

**穩(wěn)壓系數(shù) S=△Io/Io / △Ui/Ui；

電網(wǎng)調(diào)整率： 輸入電網(wǎng)電壓由額定值變化+-10%時，穩(wěn)壓電源輸出電壓的相對變化量△ Io/Io ，有時也以**值表示；

電流穩(wěn)定度：負(fù)載電流保持為額定范圍內(nèi)的任何值，輸入電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)變化所引起的輸出電流相對變化△ Io/Io （百分值），稱為穩(wěn)壓器的電流穩(wěn)定度。

圖5 輸入電壓的波動對輸出電流的影響

3．反映負(fù)載對輸出電壓影響的指標(biāo)

負(fù)載對輸出電壓影響的幾種指標(biāo)形式：

負(fù)載調(diào)整率（也稱電流調(diào)整率）

• 在額定電網(wǎng)電壓下，負(fù)載電流從零變化到*大時，輸出電壓的*大相對變化量△Uo/Uo ，常用百分?jǐn)?shù)表示，有時也用**變化量表示。

• 在額定電網(wǎng)電壓下，額定負(fù)載、空載或者*小負(fù)載時，輸出電流的*大相對變化量△ Io/Io ，常用百分?jǐn)?shù)表示，有時也用**變化量表示。

圖6 負(fù)載的波動對輸出電壓電流的影響

4．紋波電壓

在額定輸出電壓和負(fù)載電流下，輸出電壓的紋波（包括噪聲）的**值的大小，通常以峰峰值或有效值表示。

紋波系數(shù)Y（%）；

• 在額定負(fù)載電流下，輸出紋波電壓的有效值Urms與輸出直流電壓Uo之比，即 y=Urms/Uo×100%

噪聲不同于紋波。紋波是出現(xiàn)在輸出端子間的一種與輸入頻率和開關(guān)頻率同步的成分，用峰-峰（peak to peak）值表示，一般在輸出電壓的0.5%以下；噪聲是出現(xiàn)在輸出端子間的紋波以外的一種高頻成分，也用峰-峰（peak to peak）值表示，一般在輸出電壓的1%左右。紋波噪聲是二者的合成，用峰-峰（peak to peak）值表示，一般在輸出電壓的2%以下 。

5．響應(yīng)時間

響應(yīng)時間是指負(fù)載電流突然變化時，穩(wěn)壓器的輸出電壓從開始變化到達新的穩(wěn)定值的一段調(diào)整時間。

在直流穩(wěn)壓器中，則是用在矩形波負(fù)載電流時的輸出電壓波形來表示這個特性，稱為過度特性。

6．失真：

這是交流穩(wěn)壓器特有的。是指輸出波形不是正弦波形，產(chǎn)生波形畸變，稱為畸變。

輸出波形畸變主要是因為信號中存在諧波。

諧波會對連接到電源線路上的設(shè)備造成影響。

7．溫度漂移和溫度系數(shù)

溫度漂移：環(huán)境溫度的變化影響元器件的參數(shù)的變化，從而引起穩(wěn)壓器輸出電壓變化。常用溫度系數(shù)表示溫度漂移的大小。

**溫度系數(shù)：溫度變化1攝氏度引起輸出電壓值的變化△UoT，單位是V/℃或mV/℃；

相對溫度系數(shù)：溫度變化1攝氏度引起輸出電壓相對變化△UoT/Uo，單位是V/℃；

只在精度較高的穩(wěn)壓器中，才有溫度系數(shù)和溫漂兩項指標(biāo)。

8．漂移

穩(wěn)壓器在輸入電壓、負(fù)載電流和環(huán)境溫度保持一定的情況下，元件參數(shù)的穩(wěn)定性也會造成輸出電壓的變化，慢變化叫漂移，快變化叫噪聲，介于兩者之間叫起伏。

表示漂移的方法有兩種：

在指定的時間內(nèi)輸出電壓值的變化△Uot；

在指定時間內(nèi)輸出電壓的相對變化△Uot/Uo；

考察漂移的時間可以定為1分鐘、10分鐘、1小時、8小時或更長。

能效指標(biāo)

開關(guān)電源的能效指標(biāo)是其很重要的一類測試指標(biāo)，是開關(guān)電源的市場準(zhǔn)入的必要條件。能效指標(biāo)包括以下的指標(biāo)：

效率

• Po為輸出功率，Pi為輸入功率

• 多路輸出功率值為各路輸出的總功率

• 效率為輸出功率和輸入功率的比值：η = Po/Pi

功率因素：在交流電路中，電壓與電流之間的相位差(Φ)的余弦叫做功率因數(shù)，用符號cosΦ表示，在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，即λ=P/S。

待機功耗：電源輸入端連接到電網(wǎng)上,輸出端不連接負(fù)載不消耗功率狀態(tài)下的輸入有功功率。

針對不同應(yīng)用的開關(guān)電源，需要符合一定的能效標(biāo)準(zhǔn)。能效標(biāo)準(zhǔn)即能源利用效率標(biāo)準(zhǔn)，是對用能產(chǎn)品的能源利用效率水平或在一定時間內(nèi)能源消耗水平進行規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。能效標(biāo)準(zhǔn)具有較高的社會和經(jīng)濟效益。目前的能效標(biāo)準(zhǔn)主要包括：

歐盟市場

• ErP Directive

• Eco-Label

• Energy Efficiency Class Label

北美市場

• Energy Star

• CEC

澳洲市場

• MEPS

• Energy Rating Label

中國市場

• 能效等級標(biāo)簽

圖7 不同的能效標(biāo)準(zhǔn)

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