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開關(guān)電源的基礎(chǔ)知識(shí)講解:隔離與非隔離式
點(diǎn)擊次數(shù):2837 更新時(shí)間:2022-01-27

  開關(guān)電源的基礎(chǔ)知識(shí)講解:隔離與非隔離式。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(shí)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)展和創(chuàng)新,使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新。

  一、開關(guān)電源大致由主電路、 控制電路、檢測(cè)電路、輔助電源四大部份組成。

  1、主電路

  沖擊電流限幅:限制接通電源瞬間輸入側(cè)的沖擊電流。

  輸入濾波器:其作用是過濾電網(wǎng)存在的雜波及阻礙本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋回電網(wǎng)。

  整流與濾波:將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電。

  逆變:將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電,這是高頻開關(guān)電源的核心部分。

  輸出整流與濾波:根據(jù)負(fù)載需要,提供穩(wěn)定可靠的直流電源。

  2、控制電路

  一方面從輸出端取樣,與設(shè)定值進(jìn)行比較,然后去控制逆變器,改變其脈寬或脈頻,使輸出穩(wěn)定,另一方面,根據(jù)測(cè)試電路提供的數(shù)據(jù),經(jīng)保護(hù)電路鑒別,提供控制電路對(duì)電源進(jìn)行各種保護(hù)措施。

  3、檢測(cè)電路

  提供保護(hù)電路中正在運(yùn)行中各種參數(shù)和各種儀表數(shù)據(jù)。

  4、輔助電源

  實(shí)現(xiàn)電源的軟件(遠(yuǎn)程)啟動(dòng),為保護(hù)電路和控制電路(PWM等芯片)工作供電。

  二、隔離電源與非隔離電源的概念及特點(diǎn)

  隔離式開關(guān)電源

  隔離式開關(guān)電源需要高頻變壓器來進(jìn)行DC-DC轉(zhuǎn)換,輸入和輸出通過變壓器進(jìn)行物理性的隔離,安全性會(huì)更高。

  輸入的交流電經(jīng)過整流橋整流和濾波后變?yōu)楦邏褐绷麟姡_關(guān)電源控制芯片再把高壓直流電轉(zhuǎn)換為高頻的脈動(dòng)直流電輸入到高頻變壓器的初級(jí),通過電磁感應(yīng),高頻變壓器的次級(jí)就可以得到低壓的脈動(dòng)直流電,低壓的脈動(dòng)直流電再經(jīng)過整流和濾波便可以得到直流電。

  開關(guān)電源控制芯片會(huì)根據(jù)輸出的電壓和電流需求,自動(dòng)調(diào)整開關(guān)頻率和占空比,獲得較高的能量轉(zhuǎn)換率。

  非隔離式開關(guān)電源

  非隔離式開關(guān)電源沒有變壓器的物理隔高,輸入端和輸出端有一端是連接在一起的。

  非隔離式開關(guān)電源沒有高頻變壓器的參與,直接把高壓直流電通過高速的開關(guān)控制,得到低壓直流電,轉(zhuǎn)換過程,開關(guān)電源控制芯片有較高的壓降,所以沒辦法得到較大的輸出電流。

  此類方案輸出電流一般不超過300mA。一般用于輸出電流較小,體積要求小,成本要求低的應(yīng)用場(chǎng)合。

  開關(guān)電源中的高頻鐵氧體變壓器是高頻能量轉(zhuǎn)換的重要器件。

  開關(guān)電源采用的鐵芯為鐵氧體材料,而普通硅鋼片在高頻條件下,損耗太大而不能夠滿足高頻條件下的工作環(huán)境。

  220V交流電,經(jīng)過BD1橋式整流,再通過C1、L1、C2組成的π行濾波器,將其整流后直流電壓穩(wěn)定在300V左右。R2、R3兩只串聯(lián)電阻將啟動(dòng)微弱電流送給3腳INV,建立振蕩頻率,來控制MOS管的導(dǎo)通。

  另外,一旦建立振蕩后,初級(jí)上的另一個(gè)輔助繞組提供控制MOS管的穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)電流繼續(xù)不斷工作。

  三、隔離電源與非隔離電源對(duì)比分析

  由上述概念可知,對(duì)于常用的電源拓?fù)涠?,非隔離電源主要有:Buck、Boost、Buck-Boost等;而隔離電源主要有各種帶隔離變壓器的反激、正激、半橋、LLC等拓?fù)洹?/span>

  結(jié)合常用的隔離與非隔離電源,我們從直觀上就可得出它們的一些優(yōu)缺點(diǎn),兩者的優(yōu)缺點(diǎn)幾乎是相反的。

  四、隔離與非隔離電源的應(yīng)用場(chǎng)合

  通過了解隔離與非隔離電源的優(yōu)缺點(diǎn)可知,它們各有優(yōu)勢(shì),對(duì)于一些常用的嵌入式供電選擇,我們已可做成準(zhǔn)確的判斷:

  1、 系統(tǒng)前級(jí)的電源,為提高抗干擾性能,保證可靠性,一般用隔離電源。

  2、 電路板內(nèi)的IC或部分電路供電,從性價(jià)比和體積出發(fā),優(yōu)先選用非隔離的方案。

  3、 對(duì)安全有要求的場(chǎng)合,如需接市電的AC-DC,或醫(yī)療用的電源,為保證人身的安全,必須用隔離電源,有些場(chǎng)合還必須用加強(qiáng)隔離的電源。

  4、 對(duì)于遠(yuǎn)程工業(yè)通信的供電,為有效降低地電勢(shì)差和導(dǎo)線耦合干擾的影響,一般用隔離電源為每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)單獨(dú)供電。

  5、 對(duì)于采用電池供電,對(duì)續(xù)航力要求嚴(yán)苛的場(chǎng)合,采用非隔離供電。

  五、選擇開關(guān)電源

  選開關(guān)電源時(shí),要考慮輸入電壓范圍、合適的功率、負(fù)載特性、工作環(huán)境溫度。

  1、選用合適的輸入電壓范圍。以交流輸入為例,常用的輸入電壓規(guī)格有110V,220V,所以相應(yīng)就有了110V、220V交流切換,以及通用輸入電壓(AC:85V-264V)三種規(guī)格。應(yīng)根據(jù)使用地區(qū)選定輸入電壓規(guī)格。

  2、選擇合適的功率。開關(guān)電源在工作時(shí)會(huì)消耗一部分功率,并以熱量的形式釋放出來。為了使電源的壽命增長(zhǎng),建議選用多30%輸出功率額定的機(jī)種。

  3、考慮負(fù)載特性。為了提高系統(tǒng)的可靠性,建議開關(guān)電源工作在50%-80%負(fù)載為佳,即假設(shè)所用功率為20W,應(yīng)選用輸出功率為25W-40W的開關(guān)電源。

  如果負(fù)載是馬達(dá)、燈泡或電容性負(fù)載,當(dāng)開機(jī)瞬間時(shí)電流較大,應(yīng)選用合適電源以免過載。如果負(fù)載是馬達(dá)時(shí)應(yīng)考慮停機(jī)時(shí)電壓倒灌。

  4、此外尚需考慮電源的工作環(huán)境溫度,及有無額外的輔助散熱設(shè)備,在過高a的環(huán)溫電源需減額輸出。需參考環(huán)溫對(duì)輸出功率的減額曲線。


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