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(jìn)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(jìn)行電氣隔離；

保護(hù)：防止浪涌等有害電壓到達(dá)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(jī)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(jìn)入電源后，首先經(jīng)過前級整流電路進(jìn)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(jìn)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(dá)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(jìn)行降壓。再由二極管和濾波電容組成的低壓濾波電路進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(jī)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(jìn)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(jì)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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