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开关电源 (SMPS) 如何工作?

2017-12-13
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正在寻找可以将功率从 AC 或 DC 转换为一个或多个 DC 级别的电源?那么您需要一个开关模式电源。以下是其工作原理。


通常称为“转换开关”,这些设备每秒数次打开和关闭其电源。这种开关操作产生一个有效的输入频率,并且通常达到兆赫范围。


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什么是“开关模式”?



开关电源中的“开关”其实是一个半导体(一个要么关闭要么打开的 MOSFET),该半导体被驱动进入饱和范围,在几乎零电阻下转换功率。它每秒做几千次这种转换,产生高频 AC 介质。由于该半导体已被驱动进入饱和,所以它几乎没有任何阻力,实现了高效率和极少的热量生成。另一方面,还有一种线性电源,它之所以得名,是因为其整流器在线性范围内工作。这意味着,当它们传导功率时,要抵抗电阻传导,过程中必不可少伴随有功率浪费和热量产生。


无论该半导体在什么频率下开关,两次“开”脉冲开始间隔的时间都被定义为开关周期。“开”时间占开关周期的一小部分,称为工作周期。通过改变工作周期,可以控制输出电压。改变“the fly”上的工作周期可保持目标电压。


开关电源 (SMPS) 有哪些优点?

  • 高效率 – 产生热量很少。低功耗元器件通常不需要隔热罩,这意味着可以直接将它们安装在 PCB 上。

  • 紧凑外形 – 由于转换开关在较高的频率下工作,所以其与滤波电容器和电感器相关的值和大小将减小,整个元器件将占用更少的空间。

  • 多功能设计 – 根据应用的要求,可以将转换开关设计为升压 (Boost) 或降压 (Buck) 。


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开关模式电源设计



  • 术语

通常用全砖、半砖和四分之一砖这种术语来描述转换开关。全砖的尺寸为 4.6 x 2.4 x 0.5,半砖为 2.3 x 2.4 x 0.35,四分之一砖为 2.3 x 1.45 x 0.35,均以英寸为单位。这些定义虽然被广泛接受,但未得到一致遵守。规范还包括引脚。所以当使用符合标准的转换开关时,如果设计人员需要或选择替换产品,就很容易做到。更新型号的四分之一砖电源可以提供 250 瓦特和更高的电功率。相比之前功率需要的空间量,这可谓一大进步,腾出的空间可用来在产品设计中包括更多的功能。


  • 构建

描述转换开关物理学的方程式看似简单。处理安培(跟大多数电气工程师通常处理微安时相反)的现实情况会导致延迟,增加费用,甚至产品彻底出现故障。所以,转换开关设计最好还是留给电源专家去做,即,这种情况下买总比自己去构建要强。
 

工程师在设计开关电源时有两个主要选择。第一个是单一电源,为需要供电的系统生成所需的所有电压。第二个涉及到一个与外部 AC 连接的元器件,但只有一个 DC 输出,通常为 12、24 或 48 伏。在此情形下,主电源产生的电压最高,即是需要的电压。如果系统中某处需要一个较低的电压,则可利用 buck 转换器来完成所需的 DC 到 DC 向下转换。


buck 转换器极其高效,功率损失只有 5%,甚至更低。它们有时也被描述为开关稳压器。buck 转换器在某种意义上类似所有转换开关,其中心是一个半导体开关,每秒数千次或更多次地开关源电压。


由于其设计上的优势,开关电源已迅速成为除最严格技术性应用之外所有应用的标准。设计工作一直在向更高效、小型、轻量的方向不断迈进。

文章来源:Arrow


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