任務一 開關電源的概述

學習目標

◆ 掌握開關電源的概念。

◆ 了解開關電源的分類。

◆ 理解開關電源的結構框圖。

一、開關電源概念的引入

借助于實際生活中的例子——筆記本計算機的電源適配器（見圖1-1）來闡述開關電源的作用，即為什么要用適配器，筆記本計算機才能工作。

如果用電池給計算機供電，供電的時間是有限的，電池電量用完了，計算機就不能工作了，怎么辦？——適配器的作用之一：給電池充電。適配器的輸入電壓為AC 220V，而電池電壓為DC 20V，也就是AC 220V經過適配器變換得到DC 20V之后才能給電池充電。

如果不用電池給計算機供電，直接用適配器給計算機供電，那么AC 220V經過適配器變換得到DC 20V，才能給筆記本計算機供電。若計算機工作需要消耗65W（輸出20V/3.25A）的能量，假設整個電路的效率為85%，那么輸入端就需要75W的能量。適配器的作用之二：把交流AC 220V變換成計算機工作時需要的直流電壓20V和傳遞能量。

二、開關電源的定義

如果采用一般的電源，如市電、干電池或者蓄電池作為原始電源，通常不能直接為設備供電，也就是設備工作時需要的電壓與原始電源電壓不同，因此原始電源必須經過轉換才能達到用電設備所需要的電壓，其功率變換的結構框圖如圖1-2所示。

廣義地說，凡是采用半導體功率器件作為開關管，通過對開關管的高頻開通與關斷控制，將一種電能形態轉換成為另一種電能形態的裝置，叫作開關變換器。以開關變換器為主要組成部分，利用閉環自動控制穩定輸出電壓，并在電路中加入保護環節的電源，叫作開關電源（Switching Mode Power Supply，SMPS）。如果用直流-直流（DC-DC）變換器作為開關電源的開關變換器時，稱為直流開關電源。也就是說DC-DC變換器是開關電源轉換的核心，是開關電源主電路的主要組成部分。

三、開關電源的分類

開關電源是現代電子電器和電子設備（如電視機、VCD、計算機、測試儀器、生物醫學儀器等）的心臟和動力。現代開關電源分為直流開關電源和交流開關電源，前者輸出質量較高的直流電，后者輸出質量較高的交流電。開關電源的核心是電力電子變換器。電力電子變換器是利用電力電子器件將一種電能轉變為另一種或多種形式電能的裝置，按轉換電能的種類，可分為四種類型：①直流-直流（DC-DC）變換器，它是將一種直流電能轉換成另一種或多種直流電能的變換器，是直流開關電源的主要部件；②逆變器（DC-AC），是將直流電轉換為交流電的電能變換器，是交流開關電源和不間斷電源UPS的主要部件；③整流器（AC-DC），是將交流電轉換為一種或者多種直流電的電能變換器，又稱為離線式變換器；④交-交（AC-AC）變頻器，是將一種頻率的交流電直接轉換為另一種恒定頻率或可變頻率的交流電，或是將變頻交流電直接轉換為恒頻交流電的電能變換器。這四類變換器可以是單向變換的，也可以是雙向變換的。單向電能變換器只能使電能從輸入端流向輸出端；雙向電能變換器可實現電能的雙向流動。

四、直流開關電源的結構框圖

直流開關電源按照輸入和輸出之間是否采用電氣隔離措施，可分為兩大類：①非隔離式直流開關電源；②隔離式直流開關電源。非隔離式直流開關電源基本電路結構框圖如圖1-3a所示；隔離式直流開關電源基本電路結構框圖如圖1-3b所示。在設計時可以根據不同的使用場合和使用要求，選用不同的DC-DC變換器。

直流開關電源基本電路結構框圖，由以下部分組成：一是市電輸入整流濾波電路，其作用是將市電輸入的交流電壓V_ac轉換成紋波較小的直流電壓V_dc；二是開關電源的核心部分DC-DC變換器，其作用是將市電輸入電壓經過整流濾波后的直流電壓V_dc，進行PWM控制和DC-DC轉換，得到另一種數值的直流穩定電壓V_o；三是檢測控制電路，其作用是通過R₁和R₂組成的分壓器檢測輸出電壓V_o，將V_o與參考電壓V_ref比較，放大后得到誤差值V_ea，再將V_ea通過PWM比較器與鋸齒波電壓進行比較，得到PWM矩形波脈沖列（如果是隔離式變換器，V_ea須經過光耦隔離后，通過PWM比較器與鋸齒波電壓進行比較，得到PWM矩形波脈沖列），此脈沖列通過控制器并以負反饋的方式對DC-DC變換器進行PWM控制，將V_dc轉換成另一種數值的直流穩定電壓V_o，達到穩定輸出電壓的目的；四是開關電源的保護電路（在圖1-3中未畫出來），其作用是保護開關電源能夠安全穩定地工作。