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《開關(guān)電源VS普通（線性）電源》

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發(fā)布時間：2024-05-21

作者：容祥安照明

《開關(guān)電源VS普通（線性）電源》

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，開關(guān)電源的技術(shù)水平正在不斷提高。可以預(yù)期，開關(guān)電源將以體積小、重量輕、轉(zhuǎn)換效率高、較寬的電壓輸入范圍、抗干擾能力強、穩(wěn)定性好和可靠性高等被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的電子設(shè)備。

開關(guān)電源是相對線性電源而言的，其輸入端通過整流橋?qū)⒔涣麟娬鞒筛邏褐绷麟姡缓笸ㄟ^電源驅(qū)動芯片、開關(guān)管等組成的高頻振蕩電路，使直流電壓轉(zhuǎn)換為高頻脈沖電壓，通過高頻變壓器轉(zhuǎn)換輸出交流電壓，而后經(jīng)過整流、濾波輸出高效、穩(wěn)定的低壓直流電。

因為變壓器的磁芯大小與開關(guān)電源作業(yè)頻率的平方成反比，頻率越高鐵心越小，這樣，就能夠大大縮小變壓器的尺寸，使得開關(guān)電源體積變小、重量減輕至普通（線性）電源的十分之一。而且因為它直接操控電流，使這種電源的效率比普通（線性）電源高出許多。

依據(jù)開關(guān)器件在電路中連接的方式，開關(guān)電源可分為串聯(lián)式開關(guān)電源、并聯(lián)式開關(guān)電源和變壓器式開關(guān)電源等三大類。其中，變壓器式開關(guān)電源又可進(jìn)一步分為推挽式、半橋式、全橋式等多種。依據(jù)變壓器的激勵和輸出電壓的相位關(guān)系，又可分為正激式、反激式、單激式和雙激式等多種。

普通電源的電壓反饋電路工作在線性區(qū)，其基本原理是先通過變壓器將高壓交流電降為較合適的低壓交流電，然后整流濾波成直流電壓，最后經(jīng)過穩(wěn)壓電路輸出穩(wěn)定的直流電壓。

普通電源轉(zhuǎn)換效率偏低、調(diào)整管發(fā)熱量大、體積大、較笨重，特別是變壓器體積大，還有濾波電容的體積和重量也很大，且只能降壓，不能升壓。

普通電源的電壓輸入范圍一般都是在200V-240V之間。一旦低于200V,其所輸出的電壓就會不夠；若是高于240V，則有電源燒壞的可能。

以降壓型開關(guān)電源為例說明：

電路由開關(guān)管（實際電路中為三極管或場效應(yīng)管）、續(xù)流二極管、儲能電感、濾波電容等構(gòu)成。

當(dāng)開關(guān)閉合時，電源通過開關(guān)、電感向負(fù)載供電，并將部分電能貯存在電感以及電容中。由于電感的自感，在開關(guān)接通后，電流增大得比較緩慢，即輸出不能立刻達(dá)到電壓要求值。

一定時間后，開關(guān)斷開，由于電感的自感作用（可以比較形象的認(rèn)為電感中的電流有慣性），將保持電路中的電流不變，即從左往右繼續(xù)流。這電流流過負(fù)載，從地線返回，流到續(xù)流二極管的正極，經(jīng)過二極管，回到電感的左端，從而形成了一個回路。

通過控開關(guān)閉合與斷開的時間（即PWM——脈沖寬度調(diào)制或PFM——脈沖頻率調(diào)制），就能夠操控輸出電壓。如果通過檢測輸出電壓來調(diào)控開關(guān)管的截止和開通時間，而得以保持輸出電壓不變，便實現(xiàn)了穩(wěn)壓的目的。

普通電源和開關(guān)電源相同的是，兩者都有電壓調(diào)整管，并利用反饋原理來進(jìn)行穩(wěn)壓。不同的是，開關(guān)電源利用開關(guān)管進(jìn)行調(diào)整，普通電源利用三極管的線性放大特性實施調(diào)整。比較而言，開關(guān)電源的能耗低，對輸入交流電壓的適應(yīng)范圍要寬，輸出直流的紋波系數(shù)要好，缺陷是開關(guān)脈沖干擾。

半橋開關(guān)電源的主要工作原理就是上橋和下橋的開關(guān)管(頻率高時開關(guān)管為VMOS)輪流導(dǎo)通，首先電流通過上橋開關(guān)管流入，利用電感線圈的存儲功能，將電能集聚在線圈中并關(guān)閉上橋開關(guān)管。接著打開下橋開關(guān)管，電感線圈和電容繼續(xù)給負(fù)載供電。然后又關(guān)閉下橋開關(guān)管，再打開上橋開關(guān)管讓電流進(jìn)入。就這樣重復(fù)進(jìn)行。因為要輪流開關(guān)兩開關(guān)管，所以稱為開關(guān)電源。

而普通電源就不同了，因為沒有開關(guān)介入，使得“上水管”一直在放水，如果有多的，就會溢出來，這便是我們經(jīng)常看到的現(xiàn)象：一些普通電源的調(diào)整管發(fā)熱量很大，用不完的電能，悉數(shù)轉(zhuǎn)化成了熱能。從這個角度來看，普通電源的轉(zhuǎn)化效率就非常低了，而且，工作在如此高熱量的環(huán)境下，元件的壽命勢必要下降，影響最終的使用效果。

普通電源的功率調(diào)整管總是工作在放大區(qū)，流過的電流是連續(xù)的。由于調(diào)整管自耗功率較大，效率很低（一般在40%-60%之間），且發(fā)熱嚴(yán)重，故，需要較大功率調(diào)整管并裝有體積很大的散熱器。

普通電源通過變壓器將高壓交流電變成低壓交流電，再經(jīng)過整流電路整流，然后通過濾波得到帶有微小紋波電壓的直流電壓，再通過三極管對輸出負(fù)載進(jìn)行分壓，最后通過輸出電壓分壓后反饋，來控制三極管實現(xiàn)輸出的穩(wěn)壓。

普通電源體積大、質(zhì)量大、紋波系數(shù)小、調(diào)整率好、對外干擾小，比較適用于對噪聲和穩(wěn)定性要求較高的低電壓低電流應(yīng)用。

開關(guān)電源的功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，在電壓調(diào)整時，能量通過電感線圈來暫時貯存，這樣他的損耗就小，效率也就高，對散熱的要求也就比較低。但它對變壓器和貯能電感的要求則比較高，需用低損耗、高磁導(dǎo)率的材料來做。

開關(guān)電源相較于普通電源，它的體積小很多，質(zhì)量輕很多，電源效率高很多（在80%～98%之間）。不過，由于頻繁開、關(guān)的原因，它在紋波系數(shù)、電壓線性調(diào)整率和噪聲方面的表理就要遜色于普通電源了。