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开关电源的基础知识讲解:隔离与非隔离式
点击次数:287 发布时间:2021-07-21

开关电源的基础知识讲解:隔离与非隔离式。开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源,开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术也在不断地创新。

一、开关电源大致由主电路、 控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成。

1、主电路

冲击电流限幅:限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。

输入滤波器:其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。

整流与滤波:将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。

逆变:将整流后的直流电变为高频交流电,这是高频开关电源的核心部分。

输出整流与滤波:根据负载需要,提供稳定可靠的直流电源。

2、控制电路

一方面从输出端取样,与设定值进行比较,然后去控制逆变器,改变其脉宽或脉频,使输出稳定,另一方面,根据测试电路提供的数据,经保护电路鉴别,提供控制电路对电源进行各种保护措施。

3、检测电路

提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。

4、辅助电源

实现电源的软件(远程)启动,为保护电路和控制电路(PWM等芯片)工作供电。

二、隔离电源与非隔离电源的概念及特点

隔离式开关电源

隔离式开关电源需要高频变压器来进行DC-DC转换,输入和输出通过变压器进行物理性的隔离,安全性会更高。

输入的交流电经过整流桥整流和滤波后变为高压直流电,开关电源控制芯片再把高压直流电转换为高频的脉动直流电输入到高频变压器的初级,通过电磁感应,高频变压器的次级就可以得到低压的脉动直流电,低压的脉动直流电再经过整流和滤波便可以得到直流电。

开关电源控制芯片会根据输出的电压和电流需求,自动调整开关频率和占空比,获得较高的能量转换率。

非隔离式开关电源

非隔离式开关电源没有变压器的物理隔高,输入端和输出端有一端是连接在一起的。

非隔离式开关电源没有高频变压器的参与,直接把高压直流电通过高速的开关控制,得到低压直流电,转换过程,开关电源控制芯片有较高的压降,所以没办法得到较大的输出电流。

此类方案输出电流一般不超过300mA。一般用于输出电流较小,体积要求小,成本要求低的应用场合。

开关电源中的高频铁氧体变压器是高频能量转换的重要器件。

开关电源采用的铁芯为铁氧体材料,而普通硅钢片在高频条件下,损耗太大而不能够满足高频条件下的工作环境。

220V交流电,经过BD1桥式整流,再通过C1、L1、C2组成的π行滤波器,将其整流后直流电压稳定在300V左右。R2、R3两只串联电阻将启动微弱电流送给3脚INV,建立振荡频率,来控制MOS管的导通。

另外,一旦建立振荡后,初级上的另一个辅助绕组提供控制MOS管的稳定驱动电流继续不断工作。

三、隔离电源与非隔离电源对比分析

由上述概念可知,对于常用的电源拓扑而言,非隔离电源主要有:Buck、Boost、Buck-Boost等;而隔离电源主要有各种带隔离变压器的反激、正激、半桥、LLC等拓扑。

结合常用的隔离与非隔离电源,我们从直观上就可得出它们的一些优缺点,两者的优缺点几乎是相反的。

四、隔离与非隔离电源的应用场合

通过了解隔离与非隔离电源的优缺点可知,它们各有优势,对于一些常用的嵌入式供电选择,我们已可做成准确的判断:

1、 系统前级的电源,为提高抗干扰性能,保证可靠性,一般用隔离电源。

2、 电路板内的IC或部分电路供电,从性价比和体积出发,优先选用非隔离的方案。

3、 对安全有要求的场合,如需接市电的AC-DC,或医疗用的电源,为保证人身的安全,必须用隔离电源,有些场合还必须用加强隔离的电源。

4、 对于远程工业通信的供电,为有效降低地电势差和导线耦合干扰的影响,一般用隔离电源为每个通信节点单独供电。

5、 对于采用电池供电,对续航力要求严苛的场合,采用非隔离供电。

五、选择开关电源

选开关电源时,要考虑输入电压范围、合适的功率、负载特性、工作环境温度。

1、选用合适的输入电压范围。以交流输入为例,常用的输入电压规格有110V,220V,所以相应就有了110V、220V交流切换,以及通用输入电压(AC:85V-264V)三种规格。应根据使用地区选定输入电压规格。

2、选择合适的功率。开关电源在工作时会消耗一部分功率,并以热量的形式释放出来。为了使电源的寿命增长,建议选用多30%输出功率额定的机种。

3、考虑负载特性。为了提高系统的可靠性,建议开关电源工作在50%-80%负载为佳,即假设所用功率为20W,应选用输出功率为25W-40W的开关电源。

如果负载是马达、灯泡或电容性负载,当开机瞬间时电流较大,应选用合适电源以免过载。如果负载是马达时应考虑停机时电压倒灌。

4、此外尚需考虑电源的工作环境温度,及有无额外的辅助散热设备,在过高a的环温电源需减额输出。需参考环温对输出功率的减额曲线。

 

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