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通信电源:开关电源的基础工作原理

2019-07-28  thchen0103

当我们走进通信机房,我们肯定可以看到这样的设备:

通信电源:开关电源的基础工作原理

图1 开关电源柜

我们把这样的设备叫作直流开关电源柜。它的作用就是市电交流电转换成直流电,供通信设备、蓄电池充电使用。

通信电源:开关电源的基础工作原理

图2 开关电源柜原理图

开关电源系统的主要功能是将电网送来的交流电变换成稳定的低压直流电,它适合与蓄电池组一起构成全浮充供电方式不间断地给需要稳定直流电的负载使用。它的核心是一种智能型高频开关式整流稳压器。

开关电源不仅仅用在通信行业,也广泛应用于我们的台式机电源,数码产品电源,医疗设备,工业自动化控制等领域。

通信电源:开关电源的基础工作原理

图3 开关电源

本文我们就来聊一聊一种典型的开关电路。

电容与电感的预备知识,参考附录。

开关电源电路1

通信电源:开关电源的基础工作原理

图4 电路1

输入电压为Ui,为直流电压;开关K;电阻RL代表负载。如果我们此时不停的对K进行开和关,而且很快速的。

通信电源:开关电源的基础工作原理

图5 开关电路

那么负载RL上的电压Uo,在开关闭合时等于Ui;在开关断开时等于0;

此时如图4所示,我们获得了一个直流脉冲信号Uo。

但是,我们知道开关电路的目的是要获得一个直流电压。

电路2

在电路1的基础上,我们在负载RL旁边并联一个电容:

通信电源:开关电源的基础工作原理

图6 电路2

我们知道电容是不允许两端的电压的突变的,所以一旦闭合开关K,那么电容就会充电,两端的电压逐渐上升;还没来得及充满,断开K,此时电容已有一定的电荷,此时其会对负载RL进行放电,电压逐渐下降。

我们为什么要并联一个电阻R呢?

就是防止闭合开关K的瞬间,电容瞬间电压变化太大,电容充电电流过大。

但是串联这个电阻R将带来另外一个问题,就是电阻是有功元件,即它将消耗一部分能量。我们知道,我们希望输入的能量尽可能多的到输出端。这就是我们常说的效率。

为了提高效率?

我们需要把电阻换成一个无功元件。

无功元件有2种,一种是电容,一种是电感。

如果串联一个电容。我们知道电容是通交流阻直流的,此时电路中输入为直流电压,那么只有在K闭合的瞬间,有充电电流,其后就没有任何电流流过负载RL了,这显然不合适。

那么此时,我们串联一个电感L。

电路3

通信电源:开关电源的基础工作原理

图7 电路3

电感L当中的电流是阻高频通低频,阻交流通直流。

当输入电压为直流电压的时候,只要开关K闭合后,电流可以从小到大,逐渐增加,一方面给电容C充电,一方面给负载供电。

在开关K闭合的时候,也不会有很大的电流流过L给C充电。因为电容L当中的电流是不能突变的,只能够线性或者逐渐增加。

把电阻R换成电感L是开关电源提高效率的重要措施。也可以说,这时开关电源和普通的串并联稳压电压的主要区别。

到目前为止开关电源的雏形就出现了!

如果此时,你兴奋的把上述电路付诸实践,拿起电络铁,焊起来.....那么往往结果是:

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图8 烧毁的电路

没错,烧糊!

我们先看下电路4

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图9 电路4

电路4相比电路3,添加了一个二极管。

电磁感应定律告诉我们,电流流过电感线圈L后,就会在电感线圈中形成磁场,当开关K闭合后,电流逐渐增大,磁场逐渐增强,必然会在电感线圈中产生一个感应电动势,这就是自感现象。

从能量角度看,电源Ui的能量,有一部分能量存储在电感中。能量不会无缘无故消失,那么电感线圈的能量要到哪里去呢?

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图10 电路4中的感应电动势

如果在开关K断开的瞬间,似断非断的时刻,此时由于感应电动势的存在E,此时加在开关K两端的电压为Ui+E。

由于开关断开的瞬间,自感电动势E非常巨大,此时会把K击穿或者产生电火花。就像图8一样。

所以电路4中引入了一个二极管VD来解决这个问题。

开关断开的时候,电感L产生了很高的自感电动势,端电压是右边+左边-。

加入二极管之后,L中的电流不能够流过开关K,但可以流过二极管VD。这样在电感线圈就不会产生很高的电动势。

电感线圈中存储的磁场能量,通过二极管VD,形成回路,继续向负载RL供电。

二极管VD启到了很关键的作用,任何一个开关电源都有一个这样的二极管。

这个二极管也叫作续流二极管。

续流二极管(flyback diode),有时也称为飞轮二极管或是snubber二极管,是一种配合电感性负载使用的二极管,当电感性负载的电流有突然的变化或减少时,电感二端会产生突变电压,可能会破坏其他元件。配合续流二极管时,其电流可以较平缓地变化,避免突波电压的发生。

到目前为止,已经能够解决一个开关电源的一般性问题了。

我们知道三极管、mos管都具有开关的作用,那么我们把开关K换成这些元件,就可以不用手动闭合、切断开关了,从而实现高频率的开关!

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图11 一种典型的开关电路

总结

文中介绍了简易的开关电源工作原理,仅仅是帮助同学们了解电路的分析过程与LC特性。

其实这个电路还有许多问题需要解决,如输入电压与输出电压的隔离,如何得到不同的输出电压,即实现调压功能等等。感兴趣的同学可以自行学习。

附录:电容与电感

针对电容、电感、电阻,其特性可由下面的三个公式表达:

通信电源:开关电源的基础工作原理

电阻最熟悉与简单。欧姆定律,电阻R等于电压除以电流。

电容的两端电压U不能突变,因为当通电后,电荷会逐步向电容的两个极板聚合,这个聚合的过程就是充电的过程,也是电荷的移动就是电流。

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图12 电容的充电过程

当断开开关后,电容器两端极板上的电荷就会释放,释放的过程就是放电,电荷的流动就是电流。

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图13 电容的放电过程

我们知道i=Cdu/dt,其中C称为电容,表征电容元件特性的参数,当U的单位为伏特(V),i的单位为安培(A)时,C的单位为法拉,简称法(F)。电容元件的电流i与其两端的电压变化率成正比。

也就是说电压变化越快,电流越大,当电压不变时,如直流电压,电流为零。所以电容有隔直通交的功能。

电容元件两端的电压不能跃变,这是电容元件的一个重要性质。

电感

任何导体当有电流通过时,在导体周围就会产生磁场;如果电流发生变化,磁场也随着变化,而磁场的变化又引起感应电动势的产生。这种感应电动势是由于导体本身的电流变化引起的,称为自感

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图14 磁场的变化,感应电动势的产生

当电感线圈中的电流增大时,自感电动势的方向与线圈中的电流方向相反,用来阻止电流的增大;当线圈中的电流减小时,自感电动势的方向和线圈中的电流方向相同,以阻止电流的减小。总之当线圈中的电流发生变化时,自感电动势总是阻止电流的变化。这就是楞次定律。

同样的,电感元件的电流是不能突变的,两端的电压与电流的变化率成正比,电流变化越快(高频率),电压越高;电流不变时,即直流电流,电压为零。

电感元件中的电流不能跃变,这是电感元件的一个重要性质。

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