开关电源原理的基本特征

　　开关电源与线形电源相比，其优点是小型轻量、效率高。开关电源的这种优点适应电子设备的轻、薄、短、小与节能等的要求，其应用范围迅速扩大。

　　表1示出了开关电源与线性电源性能的比较。开关电源的优点不仅是小型轻量，而且容易对应较宽的输入电压范围，通过改变变压器的抽头与电路元器件常数来设计的开关电源，也可以在输入电压不同的国家中使用。

　　表1开关电源与线性电源性能的比较

　　另外，电信机房中很多通信设备的电源经常采用直流电源，移动或可搬运型设备的电源采用干电池与蓄电池等直流电源，对于这些电源中的直流一直流（DC－DC）变换器，开关电源是其不可缺少的部分。

　　开关电源的缺点是开关晶体管、整流二极管、变压器与扼流圈等产生噪声，这些噪声影响了其他电子设备的正常工作。然而，通过电路方式的改进、滤波与屏蔽措施的采用，开关电源的这种缺点有可能被克服。

　　理论上，开关电源的稳定性有可能与线性电源相同，但纹波与噪声影响了开关电源的稳定性，为了提高其稳定性，有必要采取措施消除这些影响。然而，对于一般的使用方法其稳定性不会有问题。

　　开关电源的元器件较多，因此，可靠性也比线性电源低。然而，对于通常设计的开关电源，电解电容器的寿命极大地影响了它的可靠性，温度越高，电解电容器的寿命越短。因此，对于同样尺寸的开关电源，效率高的开关电源其温升较低，可以提高可靠性。但由于开关电源的元器件更小而使其过于小型化，为了平衡内部损耗其温升会较高，有可能制作一个可靠性低的开关稳压电源，因此，要注意这一点。尤其是近，不仅是开关元器件等性能得到改善，而且开关频率也在高频化，这样，较容易实现开关电源的小型化。然而，降低损耗比小型化的困难要多，因此，在进行散热设计的同时，选择在高温下可靠性也不会降低的元器件非常重要。

　　开关电源的固定元器件中寿命非常短的电解电容器，近其寿命也有所延长；由于高频化的原因，滤波电容器的容量也有可能减小，于是可以选用叠层陶瓷电容器。这样，有可能制作出不用电解电容器的高可靠性的开关稳压电源。另外，对于交流输入的开关电源，因电压与容量关系，难以除掉电解电容器的输入滤波部分，通过采用以全渡整流的脉动电流工作的升压型开关电源，可以除掉电解电容器的同时，还可以改善输人功率因数。

　　线性电源有串联与并联方式，但多数采用串联方式，因此，本文所介绍的线性电源指的是串联线性稳压电源。图1示出了串联线性电源与开关电源的原理图。图1（a）是串联线性稳压电源的原理图，由于串联晶体管（Tr）将无用功率以热量的形式散发掉，因此，效率低，还需要较大的散热器，而且产生的损耗还随输入电压与输出电压值的不同发生较大变化。另外还需要接入如图1所示的工频变压器，这样，就提高电源的质量并增大了其尺寸，同时，也降低了电源的效率。

　　图1（b）是开关电源的原理图，开关晶体管（Tr）为开关工作方式。因此，功率损耗小；变压器也采用高频变压器，可实现小型化；同时绕组匝数也可大幅度地减少，相应降低了铜损，这样，可以设计出制作损耗较低的稳压电源。另外，开关电源是通过开关元件的通一断比来控制输出电压，因此，损耗受输入、输出电压的影响较小，且电源的效率也不会降低。

　　在图1（b）所示的开关电源的典型构成中，电路中开关晶体管Tr由脉宽调制电路的电压进行驱动，将直流电压变为交流，脉冲电压加到高频变压器上。该脉冲电压经变压器变压，再经过二次电路的整流器与平滑电路变换为直流电压，作为开关稳压电源的输出电压。这时，平滑电路将变压器正向期间时的二次电压平均化，通过这种作用得到输出电压，该电压与1个周期内电压积分的平均值成比例，因此，可以得到与脉冲宽度成比例的输出电压。

　　反馈放大器A将输出电压与基准电压进行比较，其输出加到光耦合器中的光电二极管上。反馈放大器A的输出通过光耦合器（PC）的隔离被脉宽调制电路所接收，输出电压高时，脉宽调制电路的脉宽变窄；反之，脉宽变宽。这样，由被控制的脉宽驱动开关晶体管（Tr），再将与该脉宽成比例的脉冲加到高频变压器上，控制输出电压使其保持稳定。