电子电路 - 开关电源

---

---

到目前为止讨论的主题代表了电源单元的不同部分。所有这些部分共同构成了线性电源。这是从输入交流电源获得直流输出的传统方法。

线性电源

线性电源（LPS）是一种稳压电源，它在串联电阻中耗散大量热量以调节输出电压，该电压具有低纹波和低噪声。这种LPS有很多应用。

线性电源需要更大的半导体器件来调节输出电压，并产生更多热量，导致能量效率降低。线性电源的瞬态响应时间比其他电源快100倍，这在某些专业领域非常重要。

LPS的优点

• 电源是连续的。
• 电路简单。
• 这些是可靠的系统。
• 该系统动态响应负载变化。
• 改变电路电阻以调节输出电压。
• 由于元件在线性区域工作，因此噪声很低。
• 输出电压中的纹波非常低。

LPS的缺点

• 使用的变压器更重且更大。
• 散热更多。
• 线性电源的效率为40%到50%。
• 功率在LPS电路中以热量的形式浪费。
• 获得单一输出电压。

我们已经了解了线性电源的不同部分。线性电源的框图如下所示。

尽管存在上述缺点，线性电源仍广泛用于低噪声放大器、测试设备和控制电路中。此外，它们还用于数据采集和信号处理。

所有需要简单调节且效率不是问题的情况下，都使用LPS电路。由于电噪声较低，因此LPS用于为敏感的模拟电路供电。但为了克服线性电源系统的缺点，使用了开关电源（SMPS）。

开关电源 (SMPS)

通过实现开关电源克服了LPS的缺点，例如效率低、需要大容量电容来减少纹波以及变压器笨重且成本高等。

SMPS 的工作原理很简单，只需了解 LPS 中使用的晶体管用于控制压降，而 SMPS 中的晶体管用作受控开关即可。

工作原理

SMPS 的工作原理可以通过下图了解。

让我们尝试了解 SMPS 电路的每个阶段发生了什么。

输入级

将 50Hz 的交流输入电源信号直接提供给整流器和滤波器电路组合，无需使用任何变压器。此输出将存在许多变化，电容器的电容值应更高，以处理输入波动。此非稳压直流电被提供给 SMPS 的中央开关部分。

开关部分

本节采用快速开关器件，例如功率晶体管或 MOSFET，根据变化情况打开和关闭，并将此输出提供给本节中存在的变压器初级绕组。此处使用的变压器比用于 60Hz 电源的变压器小得多、轻得多。这些效率更高，因此功率转换比更高。

输出级

开关部分的输出信号再次进行整流和滤波，以获得所需的直流电压。这是一个稳压输出电压，然后提供给控制电路（反馈电路）。在考虑反馈信号后获得最终输出。

控制单元

该单元是反馈电路，它包含许多部分。让我们从下图中清楚地了解这一点。

上图解释了控制单元的内部部分。输出传感器感测信号并将其连接到控制单元。信号与其他部分隔离，以便任何突然的尖峰都不会影响电路。参考电压与信号一起作为输入提供给误差放大器（比较器），该误差放大器将信号与所需的信号电平进行比较。

通过控制斩波频率来保持最终电压电平。这是通过比较提供给误差放大器的输入来控制的，其输出有助于决定是增加还是减少斩波频率。PWM 震荡器产生标准的 PWM 波固定频率。

通过查看下图，我们可以更好地了解 SMPS 的完整功能。

SMPS 主要用于电压开关根本不是问题并且系统效率确实很重要的场合。关于 SMPS，需要注意以下几点：

• SMPS 电路通过开关操作，因此电压持续变化。

• 开关器件在饱和或截止模式下工作。

• 输出电压由反馈电路的开关时间控制。

• 通过调节占空比来调节开关时间。

• SMPS 的效率很高，因为它不是将多余的功率作为热量耗散，而是不断切换其输入来控制输出。

缺点

SMPS 有一些缺点，例如：

• 由于高频开关，存在噪声。
• 电路复杂。
• 它会产生电磁干扰。

优点

SMPS 的优点包括：

• 效率高达 80% 到 90%。
• 发热少；功率浪费少。
• 减少回馈到电源线的谐波。
• 设备紧凑且体积小。
• 降低制造成本。
• 提供所需数量电压的规定。

应用

SMPS 有许多应用。它们用于计算机的主板、手机充电器、HVDC 测量、电池充电器、中央配电、汽车、消费电子产品、笔记本电脑、安全系统、空间站等。

SMPS 的类型

SMPS 是开关电源电路，设计用于从非稳压直流或交流电压获得稳压直流输出电压。SMPS 主要有四种类型，例如：

• DC-DC 转换器
• AC-DC 转换器
• 反激式转换器
• 正激式转换器

输入部分的交流-直流转换部分使交流-直流转换器和直流-直流转换器之间有所不同。反激式转换器用于低功率应用。SMPS 类型中还有降压转换器和升压转换器，根据要求降低或提高输出电压。其他类型的 SMPS 包括自激反激式转换器、降压升压转换器、Cuk、Sepic 等。