開關電源如何分類？開關電源有哪些基本類型

　　開關電源如何分類？

　　串聯型、并聯型和變壓器耦合（并聯）型開關電源

　　按開關管與負載的連接方式分類，開關電源可分為串聯型、并聯型和變壓器耦合（并聯）型3種類型。

　　串聯型。圖1所示的開關電源基本形式即是串聯型開關電源，其特點是開關調整管VT與負載R1串聯。因此，開關管和續流二極管的耐壓要求較低。且濾波電容在開關管導通和截止時均有電流，故濾波性能好，輸出電壓嘰的紋波系數??；要求儲能電感鐵心截面積也較小。其缺點為：輸出直流電壓與電網電壓之間沒有隔離變壓器，即所謂“熱底盤”，不夠安全；若開關管內部短路，則全部輸入電壓直接加到負載上，會引起負載過壓或過流，損壞元件。因此輸出端一般需加穩壓管加以保護。

　　圖1 開關電源基本電路及工作波形

　　并聯型。并聯型開關穩壓電源基本電路如圖2所示，其工作波形與串聯電路基本相同，因開關管VT與負載RL并聯而稱為并聯型。此外，二極管YD通常稱為脈沖整流管，C為濾波電容。

　　當開關管基極輸人開關控制脈沖時，開關管周期性地導通與截止。當開關管飽和導通時，輸入電壓Ui加在儲能電感L兩端。此時電感中的電流線性上升，二極管VD反偏而截止，電感L儲存能量，此時負載RL所需的電流由前一段時間電容上所充的電壓供給。當開關管截止時，VD導通，通過電感上的電流線性下降，感應電壓為左負右正，輸入電壓Ui和電感L上的感應電壓同極性串聯，電源輸人Ui和電感L所釋放的能量同時給負載RL提供電流，并向電容C充電。同樣，達到動態平衡時，電感L在開關管飽和時增加的電流量（能量）與開關管截止時減小的電流量（能量）相等，即電感上能量保持一個恒量，故

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　　圖2 并聯型開關電源基本電路

　　可見，并聯型開關穩壓電源同樣可通過控制δ來穩定或調整輸出電壓，同時還可以看出，由于δ＜1，這種并聯型開關電源屬于升壓型電源，開關管所承受的最大反向電壓Uce max＝Uo（＞Ui）。而圖1所示的串聯型開關電源屬降壓型電源，開關管所承受的最大反向電壓Uce max＝Ui。

　　脈沖變壓器耦合（并聯）型。變壓器耦合（并聯）型開關電源（自激式）基本電路如圖3所示。開關器件可以是雙極型晶體管，也可以是場效應管，T為開關（脈沖）變壓器，VD為脈沖整流二極管，C為濾波電容，RL為負載。這里脈沖變壓器的初級繞組起儲能電感作用，脈沖變壓器通過電感耦合傳輸能量，可使輸入端與穩壓輸出端之間互相隔離，實現機殼（底板）不帶電，同時還可便利地得到多種直流電壓，給制作和維修帶來方便，因此，大多數彩電都采用變壓器耦合型開關電源。

　　如果將脈沖變壓器視為初、次級匝數比為n：1的理想變壓器，把次級參數等效至初級，可畫成圖2所示并聯型的電路形式，只是用nUo代替圖2中的Uo。對圖3電路，可得

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　　圖3 變壓器耦合型開關電源基本電路

　　由于n＞1，變壓器型開關電源一般均為降壓輸出。開關電源中開關管所承受的最大脈沖電壓為Uce max=Ui+nUo。

　　開關電源一般有三種工作模式：頻率、脈沖寬度固定模式，頻率固定、脈沖寬度可變模式，頻率、脈沖寬度可變模式。前一種工作模式多用于DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換；后兩種工作模式多用于開關穩壓電源。另外，開關電源輸出電壓也有三種工作方式：直接輸出電壓方式、平均值輸出電壓方式、幅值輸出電壓方式。同樣，前一種工作方式多用于DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換；后兩種工作方式多用于開關穩壓電源。

　　開關電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類，DC/DC變換器現已實現模塊化，且設計技術及生產工藝在國內外均已成熟和標準化；AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進程中，遇到較為復雜的技術和工藝制造問題。

　　（1）DC/DC變換

　　DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調制方式Ts不變，改變ton（通用），二是頻率調制方式，ton不變，改變Ts（易產生干擾）。其具體的電路由以下幾類：

　　A、Buck電路——降壓斬波器，其輸出平均電壓U0小于輸入電壓Ui，極性相同。

　　B、Boost電路——升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于輸入電壓Ui，極性相同。

　　C、Buck-Boost電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電感傳輸。

　　D、Cuk電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電容傳輸。

　　當今軟開關技術使得DC/DC發生了質的飛躍，美國VICOR公司設計制造的多種ECI軟開關DC/DC變換器，其最大輸出功率有300W、600W、800W等，相應的功率密度為（6.2、10、17）W/cm3，效率為（80～90）%。日本NemicLambda公司最新推出的一種采用軟開關技術的高頻開關電源模塊RM系列，其開關頻率為（200～300）kHz，功率密度已達到27W/cm3，采用同步整流器（MOS?FET代替肖特基二極管），使整個電路效率提高到90%。

　　（2）AC/DC變換

　　AC/DC變換是將交流變換為直流，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負載的稱為“整流”，功率流由負載返回電源的稱為“有源逆變”。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電，因必須經整流、濾波，因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的，同時因遇到安全標準（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、、FCC、CSA），交流輸入側必須加EMC濾波及使用符合安全標準的元件，這樣就限制AC/DC電源體積的小型化，另外，由于內部的高頻、高壓、大電流開關動作，使得解決EMC電磁兼容問題難度加大，也就對內部高密度安裝電路設計提出了很高的要求，由于同樣的原因，高電壓、大電流開關使得電源工作損耗增大，限制了AC/DC變換器模塊化的進程，因此必須采用電源系統優化設計方法才能使其工作效率達到一定的滿意程度。

　　AC/DC變換按電路的接線方式可分為，半波電路、全波電路。按電源相數可分為，單相、三相、多相。按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。

　　變壓器耦合（并聯）型開關電源的優點是：①通過附加一個次級繞組間接取樣的辦法或采用光耦合器實現電源隔離，使主電源電路與交流電網隔離，即所謂“冷底盤”電路；②若開關管內部短路，不會引起負載的過壓或過流；③容許輔助電源負載與主電源負載無關。即不接主電源負載，輔助電源仍可從主電源中得到。其缺點是：①對開關管和續流二極管的耐壓要求高；②輸出電壓紋波系數較高；③要求儲能電感量較大。

　　自激式和他激式開關電源

　　按開關器件的激勵方式，可分為自激式和他激式開關電源。自激式開關電源不需專設振蕩電路，用開關調整管兼做振蕩管，只需設置正反饋電路使電路起振工作，因而電路比較簡單。

　　他激式開關電源需專設振蕩器和啟動電路，電路結構比較復雜。

　　脈沖寬度調制式和脈沖頻率調制式開關穩壓電源

　　開關穩壓電源的輸出與開關管的導通時間有關，即決定于開關脈沖的占空比δ，穩壓控制也就是通過調制開關脈沖的占空比來實現的，控制方式有脈沖寬度調制（PWM）和脈沖頻率調制（PFM）兩種。脈沖寬度控制（調寬）式開關電源穩壓電路在通過改變開關脈沖寬度（控制開關管導通時間）來穩定輸出電壓的過程中，開關管的工作頻率不改變。脈沖頻率控制（調頻）式開關電源在穩壓控制過程中，改變開關脈沖的占空比的同時，開關管的工作頻率也隨著發生變化，故稱之為調頻－調寬式穩壓電源。

　　PWM方式和PFM方式的調制波形分別如圖4（a）、（b）所示，tp表示脈沖寬度（即功率開關管的導通時間 tON），T代表周期，從中很容易看出二者的區別。但它們也有共同之處：①均采用時間比率控制（TRC）的穩壓原理，無論改變tp還是T，最終調節的都是脈沖占空比。盡管采用的方式不同，但控制目標一致，可謂殊途同歸。②當負載由輕變重，或者輸入電壓從高變低時，分別通過增加脈寬、升高頻率的方法，使輸出電壓保持穩定。

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