開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作原理

線性穩(wěn)壓電源，雖然電特性優(yōu)良，但由于功率調(diào)整器件串聯(lián)在負載回路里，而且工作在線性區(qū)，因此功率轉(zhuǎn)換效率比較低。為了提高效率，就必須使功率調(diào)整器件處于開關(guān)工作狀態(tài)。作為開關(guān)而言，導(dǎo)通時壓降很小，幾乎不消耗能量，關(guān)斷時漏電流很小，也幾乎不消耗能量，所以開關(guān)穩(wěn)壓電源的功率轉(zhuǎn)換效率可達80％以上。 開關(guān)電源(Switch Mode Power Supply，簡稱SMPS)被譽為高效節(jié)能電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。目前，開關(guān)電源正進入一個蓬勃發(fā)展的新時期，各種新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，新工藝被普遍采用，新產(chǎn)品層出不窮。突出表現(xiàn)在以下幾個方面：開關(guān)電源正朝著短、小、輕、薄、單片集成化、智能化、高效節(jié)能、綠色環(huán)保的方向發(fā)展，開關(guān)電源的保護電路日趨完善，其電磁兼容性設(shè)計也取得突破性進展。 近20多年來，集成開關(guān)電源沿著下述兩個方向不斷發(fā)展?？壳皞€發(fā)展方向是對開關(guān)電源的核心單元-控制電路實現(xiàn)集成化。首先研制成功PWM(脈沖寬度調(diào)制，以下簡稱脈寬調(diào)制)控制器集成電路。第二個發(fā)展方向則是對中、小功率開關(guān)電源實現(xiàn)單片集成化?，F(xiàn)都已在電子產(chǎn)品中獲得了廣泛的應(yīng)用。
一、 開關(guān)電源的簡要工作原理
開關(guān)電源的基本組成如圖3-1-1所示。

開關(guān)S以一定的時間間隔重復(fù)地接通和斷開，在開關(guān)S接通時，輸入電源Ui通過開關(guān)S和電感L濾波電路提供給負載RL，在整個開關(guān)接通期間，電源Ui向負載提供能量，同時電感L儲存能量；當開關(guān)S斷開時，儲存在電感L中的能量通過二極管VD釋放給負載，使負載得到連續(xù)而穩(wěn)定的能量。在濾波電路AB間得到的電壓平均值UAB可用下式表示：

式中，ton為開關(guān)每次接通的時間，T為開關(guān)通斷的工作周期(即開關(guān)接通時間ton和關(guān)斷時間tOFF之和)。由式可知，改變開關(guān)接通時間和工作周期的比例，AB間電壓的平均值也隨之改變。因此，隨著負載及輸入電源電壓的變化自動調(diào)整ton和T的比例便能使輸出電壓Uo維持不變。改變開關(guān)接通時間ton和工作周期T的比例亦即改變脈沖的占空比，這種方法稱為“時間比率控制”。
按時間比率控制原理，開關(guān)電源有三種調(diào)制方式，即脈沖寬度調(diào)制方式、脈沖頻率調(diào)制方式和混合調(diào)制方式。
①脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)
脈沖寬度調(diào)制方式指開關(guān)周期恒定，通過改變脈沖寬度來改變占空比的方式。因為周期恒定，濾波電路的設(shè)計容易。但受最小未通時間的限制，輸出端需接假負載。
②脈沖頻率調(diào)制(Pulse Frequency Modulation，PFM)
脈沖頻率調(diào)制方式是指導(dǎo)通脈沖寬度恒定，通過改變開關(guān)工作頻率來改變占空比的方式。因為tON／T可以在很寬的范圍內(nèi)變化，輸出電壓的可調(diào)范圍也較PWM方式大，同時，只需極小的假負載。當然，濾波電路要能在較寬的頻率范圍內(nèi)正常工作，因而，濾波器體積較大是其不足之處。 ③混合調(diào)制
混合調(diào)制方式是指導(dǎo)通脈沖寬度和開關(guān)工作頻率均不固定，彼此都能改變的方式，它是以上兩種方式的混合。ton和T相對地發(fā)生變化，在頻率變化不大的情況下，可以得到非常大的可調(diào)范圍的輸出電壓，因此，用來制作要求能在寬范圍調(diào)節(jié)輸出電壓的實驗室用電源非常合適。

二、開關(guān)電源的基本組成
開關(guān)電源的基本組成框圖如圖3-1-2所示，有進線濾波器、整流器、功率因素校正電路（PFC）、DC/DC變換器等四部分組成。

進線濾波器的作用是不讓外線的開擾進入開關(guān)電源，同時也使開關(guān)電源的高頻脈沖不能進入外線，即應(yīng)具備雙向濾波功能。功率因素校正電路的主要作用是提高開關(guān)電源的功率因素，因為開關(guān)電源的功率因素較低，一般在0.6∼0.7的范圍內(nèi)，通過PFC電路的校正后，可達到0.95以上
但是該電路還具備有輸入直流電壓在大范圍內(nèi)變化時，輸出電壓基本不變的功能，如PFC控制芯片L6562的規(guī)格書介紹，它能做到當交流輸入電壓從85伏變化到265伏的寬范圍內(nèi)，其輸出電壓能穩(wěn)定在395伏左右。DC/DC變換器的功能是將一種直流電壓變換成一種或多種直流電壓，同時應(yīng)具備穩(wěn)壓功能。

三、PWM控制模式及其特點
在開關(guān)電源三種調(diào)制方式中，脈沖寬度調(diào)制(PWM)方式應(yīng)用最普遍，因此，現(xiàn)介紹如下幾種常用PWM控制模式及其特點。
1、電壓型PWM控制
電壓型PWM控制基本原理是：電壓型PWM控制是20世紀60年代后期開關(guān)穩(wěn)壓電源剛剛開始發(fā)展時所采用的靠前種控制方法。該方法與一些必要的過電流保護電路相結(jié)合，至今仍然在工業(yè)界廣泛應(yīng)用。
電壓型PWM控制只有一個電壓反饋閉環(huán)，采用脈沖寬度調(diào)制法，即將電壓誤差放大器采樣放大的慢變化的直流信號Ue與恒定頻率的三角波電壓Us上斜坡相比較，通過脈沖寬度調(diào)制原理，得到當時的脈沖寬度ton，該信號經(jīng)過驅(qū)動電路功率放大得到開關(guān)管控制信號Ug。逐個脈沖的限流保護電路必須另外附加。當輸入電壓突然變小或負載阻抗突然變小時，因為主電路有較大的輸出電容C及電感L的相移延時作用，輸出電壓的變小也延時滯后。輸出電壓變小的信息還要經(jīng)過電壓誤差放大器的補償電路延時滯后，才能傳至PWM比較器將脈寬展寬。這兩個延時滯后作用是暫態(tài)響應(yīng)慢的主要原因。
電壓型PWM控制的優(yōu)點是：單一反饋電壓閉環(huán)設(shè)計、調(diào)試比較容易；對輸出負載的變化有較好的響應(yīng)調(diào)節(jié)；PWM三角波幅值較大，脈沖寬度調(diào)節(jié)時具有較好的抗噪聲裕量；對于多路輸出電源，它們之間的交互調(diào)節(jié)效應(yīng)較好。 電壓型PWM控制的缺點是：對輸入電壓的變化動態(tài)響應(yīng)較慢；補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計本來就較為復(fù)雜，閉環(huán)增益隨輸入電壓變化而變化，使其更為復(fù)雜；輸出LC濾波器給控制環(huán)增加了雙極點，在補償設(shè)計誤差放大器時，需要將主極點低頻衰減，或者增加一個零點進行補償。

2、峰值電流型PWM控制 峰值電流型PWM控制基本原理是：峰值電流型PWM控制(Peak Current-mode Control PWM)簡稱電流型控制，其控制原理如圖3-1-3所示，誤差電壓信號Ue送至PWM比較器后，與合成波形信號U∑比較，而合成波形信號U∑要有斜坡補償信號與實際電感電流信號兩部分合成才能構(gòu)成，所以電流型控制并不是像電壓型那樣與振蕩電路產(chǎn)生的固定三角波狀電壓斜坡比較，而是與一個變化的，其峰值代表輸出電感電流峰值的三角波形或梯形尖角狀合成波形信號U∑相比較，然后得到PWM脈沖關(guān)斷時刻。因此，電流型控制是一種固定時鐘開啟，峰值電流關(guān)斷的控制方法，先直接控制輸出側(cè)電感電流峰值的大小，然后間接地控制PWM脈沖寬度。

峰值電流型PWM控制是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，電壓外環(huán)控制電流內(nèi)環(huán)。電流內(nèi)環(huán)是瞬時快速按照逐個脈沖工作的。功率級是由電流內(nèi)環(huán)控制的電流源，而電壓外環(huán)控制此功率級電流源。在該雙環(huán)控制中，電流內(nèi)環(huán)只負責(zé)輸出電感的動態(tài)變化，因而電壓外環(huán)僅需控制輸出電容，不必控制LC儲能電路。因此，峰值電流型PWM控制具有比電壓型控制大得多的帶寬。 峰值電流型PWM控制的優(yōu)點是：暫態(tài)閉環(huán)響應(yīng)較快，對輸入電壓的變化和輸出負載的變化的瞬態(tài)響應(yīng)也較快；控制環(huán)易于設(shè)計；輸入電壓的調(diào)整技術(shù)可與電壓型控制的輸入電壓前饋技術(shù)相媲美；具有瞬時峰值電流限流功能，即內(nèi)在固有的逐個脈沖限流功能；具有自動均流并聯(lián)功能。 峰值電流型PWM控制的缺點是：峰值電流與平均電流的誤差難以校正；抗噪聲性差，容易發(fā)生次諧波振蕩。電流信號上的較小的噪聲就很容易使得開關(guān)器件改變關(guān)斷時刻，使系統(tǒng)進入次諧波振蕩；對多路輸出電源的交互調(diào)節(jié)性能不好；只能用于個別電路拓撲。
3、平均電流型PWM控制
平均電流型PWM控制如圖3-1-4為平均電流型PWM控制的原理圖。將誤差電壓Ue接至電流誤差信號放大器(c／a)的同相端，作為輸出電感電流的控制基準信號Ucp帶有鋸齒紋波狀分量的輸出電感電流信號Ui 接至電流誤差信號放大器(c／a)的反相端，UI與Ucp的差值經(jīng)過電流誤差信號放大器(c／a)放大后，得到平均電流跟蹤誤差信號Ucao再由Uc：及三角鋸齒波信號UT或Us通過比較器比較得到PWM關(guān)斷時刻。

Uca的波形與電流波形Ul反相，所以是由Uca的下斜坡(對應(yīng)于開關(guān)器件導(dǎo)通時期)與三角波UT或Us的上斜坡比較產(chǎn)生關(guān)斷信號。顯然，這就無形中增加了一定的斜坡補償。為了避免次諧波振蕩，Uca的上斜坡不能超過三角鋸齒波信號UT或Us的上斜坡。
平均電流型控制的優(yōu)點是：平均電感電流能夠高度精確地跟蹤電流基準信號；不需要斜坡補償；調(diào)試好的電路抗噪聲性能優(yōu)越；適合于任何電路拓撲對輸入或輸出電流的控制；易于實現(xiàn)均流。 平均電流型控制的缺點是：電流放大器在開關(guān)頻率處的最大增益有限制；雙閉環(huán)放大器帶寬、增益等配合參數(shù)設(shè)計調(diào)試復(fù)雜。

四、開關(guān)電源主要技術(shù)指標
1．輸入電壓 輸入電源一般為單相2線制和3相3線制，還有單相3線制及3相4線制等。輸入電源的額定電壓因各國或地區(qū)不同而異，例如，美國規(guī)定的交流輸入電源電壓為120V，歐洲為220～240V， 日本為100V及200V，我國為220V及380V。輸入電壓的變化范圍一般為±10％，加上配線路徑及各地的具體情況，輸入電壓的變化范圍多為-15％～+10％。[Page]
2、電壓或電流的穩(wěn)定度
輸出電壓或電流的穩(wěn)定度，通常以輸出電壓或電流的變化量(△Uo、△Io)相對于輸出電壓或電流(Uo、Io)的比值來表示。電壓變化的相對值，稱為電壓穩(wěn)定度，以Su表示；電流變化的相對值，稱為電流穩(wěn)定度，以SI表示。穩(wěn)定度Su、SI按上述定義可分別表示為


輸出電壓或電流的穩(wěn)定度，通常以輸出電壓或電流的變化量(△Uo、△Io)相對于輸出電壓或電流(Uo、Io)的比值來表示。電壓變化的相對值，稱為電壓穩(wěn)定度，以Su表示；電流變化的相對值，稱為電流穩(wěn)定度，以SI表示。穩(wěn)定度Su、SI按上述定義可分別表示為 3、紋波 紋波用峰—峰值表示，一般為輸出電壓的0．5％以內(nèi)；噪聲用峰-峰值表示，一般為輸出電壓的1％，也包括與紋波沒有明確區(qū)分的部分。多數(shù)場合規(guī)定紋波、噪聲總和為輸出電壓的2％以內(nèi)。輸出紋波波形如圖3-1-5所示。圖中開關(guān)周期所指的三角形紋波是由開關(guān)電源工作引起的，該頻率與開關(guān)電源工作頻率相同；輸入工頻脈動電壓周期所指紋波是輸入工頻經(jīng)整流濾波后的紋波，一般為2倍工頻，即100Hz。

4、電源輸出內(nèi)阻(輸出阻抗)
電源的內(nèi)阻Ro表示為當輸入電壓、環(huán)境溫度等均不變的條件下，輸出電壓變化相對于負載電流變化的比值，即對于穩(wěn)壓電源，當負載電流變化時(∆Isc)，要求輸出電壓的變化(∆Uo)小，因此，穩(wěn)壓電源的內(nèi)阻一般在0．1Ω左右；對于穩(wěn)流電源，當輸出電壓變化時(∆Uo)，要求負載電流的變化(∆Io)小，因此，穩(wěn)流電源的內(nèi)阻應(yīng)是一較大的值，一般在104Ω)以上。

5．效率η
輸出有功功率PO與輸入有功功率Pi之比。 Ui、Ii為輸入電壓、電流的有效值，Uo、Io為開關(guān)電源輸出直流電壓、電流。效率的提高不僅意味著節(jié)約能源，也意味著損耗的減少—即發(fā)熱量的降低，從而促使開關(guān)電源可靠性或功率密度的提高。
6、保護功能指標
1)過電流保護 輸出短路或過負載時對電源或負載要進行保，即為過電流保護。過電流的設(shè)定值
一般為額定電流的110％～130％。但在不損壞電源與負載的范圍內(nèi)，不規(guī)定短路保護時的電流值的情況也很多。一般為自動恢復(fù)型。
2)過電壓保護 過電壓保護就是輸出端出現(xiàn)過大電壓時對負載進行保護的功能，過電壓保護值一般規(guī)定為額定輸出電壓的130％一150％。對于輸出電壓可調(diào)范圍比較大的電源，過電壓保護值規(guī)定為電壓上限時不會發(fā)生誤動作即可。當發(fā)生過電壓時使開關(guān)電源停振，斷開輸出?；謴?fù)的方法一般是再接通輸入電源或加復(fù)位信號使開關(guān)電源恢復(fù)正常的工作狀態(tài)。
3)欠壓保護 在輸出電壓達到規(guī)定值以下時，檢測輸出電壓下降值，為保護負載及防止負載誤動作，所以欠壓保護時使電源停止工作，并送出報警信號。
4)過熱保護 。 電源內(nèi)部異?；蚴褂梅椒ú划敚娫礈厣^規(guī)定值以上時，使電源停止工作，并送出報警信號。
7、平均無故障工作時間MTBF MTBF的定義為電子系統(tǒng)無故障工作時間的平均值。 對于一批(N臺)電子系統(tǒng)而言

式中 ti—第i個電子系統(tǒng)的無故障工作時間； N-電子系統(tǒng)的數(shù)量。