开关型稳压电源

1.1.1  开关型稳压电源

线性稳压电源的动态响应非常快，稳压性能好，只可惜功率转换效率太低。要提高效率，就必须使图2-1中的功率调整器件处于开关工作状态，电路相应地稍加变化即成为开关型稳压电源。转变后的原理框图如图2-2所示。调整管作为开关而言，导通时（压降小）几乎不消耗能量，关断时漏电流很小，也几乎不消耗能量，从而大大提高了转换效率，其功率转换效率可达80%以上。

在图2-2中，波动的直流电压Ui输入高频变换器（即为开关管Q和二极管D），经高频变换器转变为高频（≥20kHz）脉冲方波电压，该脉冲方波电压通过滤波器（电感L和电容C）变成平滑的直流电压供给负载。高频变换器和输出滤波器一起构成主回路，完成能量处理任务。而稳定输出电压的任务是靠控制回路对主回路的控制作用来实现的。控制回路包括采样部分、基准电压部分、比较放大器（误差放大器）、脉冲/电压转换器等。

开关电源稳定输出电压的原理可以直观理解为是通过控制滤波电容的充、放电时间来实现的。具体的稳压过程如下：

当开关稳压电源的负载电流增大或输入电压Ui降低时，输出电压Uo轻微下降，控制回路就使高频变换器输出的脉冲方波的宽度变宽，即给电容多充点电（充电时间加长），少放点电（放电时间减短），从而使电容C上的电压（即输出电压）回升，起到稳定输出电压的作用。反之，当外界因素引起输出电压偏高时，控制电路使高频变换器输出脉冲方波的宽度变窄，即给电容少充点电，从而使电容C上的电压回落，稳定输出电压。

                                                                                                                                                                           图1-1 降压型开关电源原理图

开关稳压电源与线性稳压电源的主要性能比较

开关稳压电源和线性稳压电源相比，功率转换效率高，可达65%~90%，发热少，体积小、重量轻，功率体积系数可达60~100W/dm3，对电网电压大范围变化具有很强的适应性，电压、负载稳定度高，输出电压保持时间长达20ms。但是线路复杂，电磁干扰和射频干扰大。具体性能指标对比如表2-1所示。

和相控稳压电源相比，开关电源不需要工频变压器，工作频率高，所需的滤波电容、电感小，因而体积小，重量轻，动态响应速度快。开关电源的开关频率都在20kHz以上，超出人耳的听觉范围，没有令人心烦的噪声。开关电源可以采用有效的功率因数较正技术，使功率因数达0.9以上，高的甚至达到0.99（安圣的HD4850整流模块）。这些使得开关电源的性能几乎全面超过相控电源，在通信电源领域已大量取代相控电源。

开关电源的线路复杂，这种电路问世之初，其控制线路都是由分立元件或运算放大器等集成电路组成。由于元件多，线路复杂以及随之而来的可靠性差的原因，严重影响了开关电源的广泛应用。

开关电源的发展依赖于元器件和磁性材料的发展。70年代后期，随着半导体技术的高度发展，高反压快速功率开关管使无工频变压器的开关稳压电源迅速实用化。而集成电路的迅速发展为开关稳压电源控制电路的集成化奠定了基础。陆续涌现出的开关稳压电源专用的脉冲调制电路如SG3526和TL494等为开关稳压电源提供了成本低、性能优良可靠、使用方便的集成控制电路芯片，从而使得开关电源的电路由复杂变为简单。目前，开关稳压电源的输出纹波已可达100mV以下，射频干扰和电磁干扰也被抑制到很低的水平上。总之，随着电技术的发展，开关稳压电源的缺点正逐步被克服，其优点也得以充分发挥。尤其在当前能源比较紧张的情况下，开关稳压电源的高效率能够在节能上做出很大的贡献。正因为开关电源具有这些优点，它得到了蓬勃的发展。

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