開關(guān)電源概述

開關(guān)模式電源（Switch Mode Power Supply，簡稱SMPS），又稱交換式電源、開關(guān)變換器，是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置，是電源供應(yīng)器的一種。其功能是將一個(gè)位準(zhǔn)的電壓，透過不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為用戶端所需求的電壓或電流。開關(guān)電源的輸入多半是交流電源（例如市電）或是直流電源，而輸出多半是需要直流電源的設(shè)備，例如個(gè)人電腦，而開關(guān)電源就進(jìn)行兩者之間電壓及電流的轉(zhuǎn)換。

開關(guān)電源不同于線性電源，開關(guān)電源利用的切換晶體管多半是在全開模式（飽和區(qū)）及全閉模式（截止區(qū)）之間切換，這兩個(gè)模式都有低耗散的特點(diǎn)，切換之間的轉(zhuǎn)換會(huì)有較高的耗散，但時(shí)間很短，因此比較節(jié)省能源，產(chǎn)生廢熱較少。理想上，開關(guān)電源本身是不會(huì)消耗電能的。電壓穩(wěn)壓是透過調(diào)整晶體管導(dǎo)通及斷路的時(shí)間來達(dá)到。相反的，線性電源在產(chǎn)生輸出電壓的過程中，晶體管工作在放大區(qū)，本身也會(huì)消耗電能。開關(guān)電源的高轉(zhuǎn)換效率是其一大優(yōu)點(diǎn)，而且因?yàn)殚_關(guān)電源工作頻率高，可以使用小尺寸、輕重量的變壓器，因此開關(guān)電源也會(huì)比線性電源的尺寸要小，重量也會(huì)比較輕。

若電源的高效率、體積及重量是考慮重點(diǎn)時(shí)，開關(guān)電源比線性電源要好。不過開關(guān)電源比較復(fù)雜，內(nèi)部晶體管會(huì)頻繁切換，若切換電流尚加以處理，可能會(huì)產(chǎn)生噪聲及電磁干擾影響其他設(shè)備，而且若開關(guān)電源沒有特別設(shè)計(jì)，其電源功率因數(shù)可能不高。

開關(guān)電源的主要用途

開關(guān)電源產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制、軍工設(shè)備、科研設(shè)備、LED照明、工控設(shè)備、通訊設(shè)備、電力設(shè)備、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體制冷制熱、空氣凈化器，電子冰箱，液晶顯示器，LED燈具，通訊設(shè)備，視聽產(chǎn)品，安防監(jiān)控，LED燈帶，電腦機(jī)箱，數(shù)碼產(chǎn)品和儀器類等領(lǐng)域。

開關(guān)電源的噪音來源

噪音來源于PCB設(shè)計(jì)、電路振蕩和磁元件三方面：

1、電路震蕩

電源輸出有很大的低頻穩(wěn)波。多是電路穩(wěn)定余度不夠引起。理論上可以用系統(tǒng)控制理論中的頻域法/時(shí)域法或勞斯判據(jù)做理論分析。現(xiàn)在，可以用計(jì)算機(jī)仿真方法方便的驗(yàn)證電路穩(wěn)定性，以避免自激振蕩發(fā)生，有多款軟件可以用。對于已經(jīng)做好的電路，可以增加輸出濾波電容或電感、改變信號反饋位置、增加PI調(diào)節(jié)的積分電容、減少開環(huán)放大倍數(shù)等方法改善。

2、PCB設(shè)計(jì)

主要是EMI噪音引起，射頻噪音調(diào)整PI調(diào)節(jié)器，使輸出誤差信號中包含擾動(dòng)。主要查看高頻電容是否離開關(guān)元件太遠(yuǎn)，是否有大的C形環(huán)繞布線等。

開關(guān)電源,噪音

控制電路的PCB線至少有兩點(diǎn)以上和功率電路共用。PCB覆銅線并非理想導(dǎo)體，它總是可以等效成電感或電阻體，當(dāng)功率電流流過了和控制回路共用的PCB線，在PCB上產(chǎn)生電壓降落，控制電路各節(jié)點(diǎn)分散在不同位置時(shí)，功率電流引起的電壓降對控制網(wǎng)絡(luò)家入了擾動(dòng)，使電路發(fā)出噪音。這顯現(xiàn)多發(fā)生在功率地線上，注意單點(diǎn)接地可以改善。

3、磁元件

磁材有磁至應(yīng)變的特點(diǎn)，漆包線也會(huì)在泄露磁場中受到電動(dòng)力的左右，這些因素的共同作用下，局部會(huì)發(fā)生泛音或1/N頻率的共振。改變開關(guān)頻率和磁元件浸漆可以改善。

噪音干擾源

由以上分析可以知道開關(guān)電源中的噪聲干擾源很多,干擾途徑是多種多樣的,影響較大的噪聲干擾源可以歸納為以下三種：

1、二極管的反向恢復(fù)時(shí)間引起的干擾。

2、開關(guān)管工作時(shí)產(chǎn)生的諧波干擾。

功率開關(guān)管在導(dǎo)通時(shí)流過較大的脈沖電流，在截止期間，高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變，也會(huì)產(chǎn)生尖峰干擾。

3、交流輸入回路產(chǎn)生的干擾。

開關(guān)電源輸入端整流管在反向恢復(fù)期間也會(huì)引起高頻衰減振蕩產(chǎn)生干擾。一般整流電路后面總要接比較大的濾波電容，因而整流管的導(dǎo)通角較小，會(huì)引起很大的充電電流，使交流輸入側(cè)的交流電流發(fā)生畸變，影響了電網(wǎng)的供電質(zhì)量。另外，濾波電容的等效串聯(lián)電感對產(chǎn)生干擾也有較大的影響。

所有這些干擾按傳播途徑可以分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩類。開關(guān)電源產(chǎn)生的尖峰干擾和諧波干擾能量通過開關(guān)電源輸入輸出線傳播出去形成的干擾稱為傳導(dǎo)干擾。諧波和寄生振蕩的能量，通過輸入輸出線傳播時(shí)，在空間產(chǎn)生電場和磁場，這些通過電磁輻射產(chǎn)生的干擾稱為輻射干擾。

正因?yàn)殚_關(guān)電源本身就是一個(gè)強(qiáng)干擾源、所以除了電路上采取措施抑制其電磁干擾產(chǎn)生外，還應(yīng)對開關(guān)電源進(jìn)行有效的電磁屏蔽，濾波以及接地。

開關(guān)電源噪音抑制的方法

形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設(shè)備，因而，抑制電磁干擾也應(yīng)該從這三個(gè)方面著手。首先應(yīng)該抑制干擾源，直接消除干擾原因;其次是消除干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑;第三是提高受擾設(shè)備的抗擾能力，降低其對噪聲的敏感度。第三點(diǎn)不是本文討論的范圍。

采用功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)和軟開關(guān)功率變換技術(shù)能大大降低噪聲幅度。

1、電路上的措施

開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾的主要原因是電壓和電流的急劇變化，因此需要盡可能地降低電路中的電壓和電流的變化率（du/dt、di/dt）。采用吸收電路也是抑制電磁干擾的好辦法。吸收電路的基本原理就是開關(guān)斷開時(shí)為開關(guān)提供旁路，吸收蓄積在寄生分布參數(shù)中的能量，從而抑制干擾發(fā)生。常用的吸收電路有RC、RCD、LC無源吸收網(wǎng)絡(luò)和有源吸收網(wǎng)絡(luò)。

濾波是抑制傳導(dǎo)干擾的一種很好的方法。例如，在電源輸入端接上濾波器可以抑制開關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾，也可以抑制來自電網(wǎng)的噪聲對電源本身的侵害。在濾波電路中，還采用很多專用的濾波元件，如穿心電容器，三端電容器，鐵氧體磁環(huán)，他們能夠改善電路的濾波特性。恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)或選擇濾波器，并正確地安裝濾波器，是抗干擾技術(shù)的重要組成部分。

2、結(jié)構(gòu)上的措施：屏蔽

屏蔽是解決電磁兼容問題的重要手段之一，目的是切斷電磁波的傳播途徑。大部分電磁兼容問題都可以通過電磁屏蔽來解決。用電磁屏蔽的方法解決電磁干擾問題的最大好處是不會(huì)影響電路的正常工作。

屏蔽分為電屏蔽、磁屏蔽和電磁屏蔽。

對開關(guān)電源來說，主要是要做好機(jī)殼的屏蔽、高頻變壓器的屏蔽、開關(guān)管和整流二極管的屏蔽以及控制、驅(qū)動(dòng)電路的屏蔽等，并要通過各種方法提高屏蔽效能。

開關(guān)電源的工作原理詳解

開關(guān)電源的伯特圖

開關(guān)電源的工作過程相當(dāng)容易理解，在線性電源中，讓功率晶體管工作在線性模式，與線性電源不同的是，PWM開關(guān)電源是讓功率晶體管工作在導(dǎo)通和關(guān)斷的狀態(tài)，在這兩種狀態(tài)中，加在功率晶體管上的伏-安乘積是很小的（在導(dǎo)通時(shí)，電壓低，電流大；關(guān)斷時(shí)，電壓高，電流小）/功率器件上的伏安乘積就是功率半導(dǎo)體器件上所產(chǎn)生的損耗。

與線性電源相比，PWM開關(guān)電源更為有效的工作過程是通過“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實(shí)現(xiàn)的。

脈沖的占空比由開關(guān)電源的控制器來調(diào)節(jié)。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過變壓器來升高或降低。通過增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓值。最后這些交流波形經(jīng)過整流濾波后就得到直流輸出電壓。

控制器的主要目的是保持輸出電壓穩(wěn)定，其工作過程與線性形式的控制器很類似。也就是說控制器的功能塊、電壓參考和誤差放大器，可以設(shè)計(jì)成與線性調(diào)節(jié)器相同。他們的不同之處在于，誤差放大器的輸出（誤差電壓）在驅(qū)動(dòng)功率管之前要經(jīng)過一個(gè)電壓/脈沖寬度轉(zhuǎn)換單元。

開關(guān)電源有兩種主要的工作方式：正激式變換和升壓式變換。盡管它們各部分的布置差別很小，但是工作過程相差很大，在特定的應(yīng)用場合下各有優(yōu)點(diǎn)。
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