開(kāi)關(guān)電源調(diào)節(jié)器件如何以完全導(dǎo)通或關(guān)斷的方式工作

早在20世紀(jì)60年代，電源的開(kāi)關(guān)方式調(diào)試首先應(yīng)用在軍用電源的設(shè)計(jì)中。它的優(yōu)勢(shì)在于重量輕和效率高，可以控制均衡電量的加載，就是控制均衡電壓的供給，通過(guò)高速動(dòng)作的開(kāi)關(guān)量的開(kāi)和關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種不同于線性穩(wěn)壓方式的電源稱(chēng)開(kāi)關(guān)電源。

嵌入式控制系統(tǒng)的MCU一般都需要一個(gè)穩(wěn)定的工作電源才能可靠工作。而設(shè)計(jì)者多習(xí)慣采用線性穩(wěn)壓器件(如78xx系列三端穩(wěn)壓器件)作為電壓調(diào)節(jié)和穩(wěn)壓器件來(lái)將較高的直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)镸CU所需的工作電壓。這種線性穩(wěn)壓電源的線性調(diào)整工作方式在工作中會(huì)造成較大的“熱損失”(其值為V壓降X I符號(hào))，其工作效率僅為30%~50%。加之工作在高頻粉塵等惡劣境下往往將嵌入式工業(yè)控制系統(tǒng)置于密閉的容器中，不僅工作效率低，而且“熱損失”產(chǎn)生的熱量在密閉容器內(nèi)的聚集也加劇了MCU的惡劣工況，從而使嵌入式控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性能變得很差。

而開(kāi)關(guān)電源調(diào)節(jié)器件則以完全導(dǎo)通或關(guān)斷的方式工作。因此，工作時(shí)要么是大電流流過(guò)低導(dǎo)通電壓的開(kāi)關(guān)管、要么是完全截止無(wú)電流流過(guò)。因此。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的功耗極低，其平均工作效率可達(dá)70~90%。在相同電壓降的條件下，開(kāi)關(guān)電源調(diào)節(jié)器件與線性穩(wěn)壓器件相比具有少得多的“熱損失”。

而且開(kāi)關(guān)電源的變壓器體積比串聯(lián)穩(wěn)壓型電源的要小得多，電源電路比較整潔，整機(jī)重量也有所下降。因此，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源可大大減小散熱片體積和PCB板的面積，甚至在大多數(shù)情況下不需要加裝散熱片，從而減少了對(duì)MCU工作壞境的有害影響。

采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源來(lái)替代線性穩(wěn)壓電源作為MCU電源的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是：開(kāi)關(guān)管的高頻通斷特性以及串聯(lián)濾波電感的使用對(duì)來(lái)自電源的高頻干擾具有較強(qiáng)的抑制作用，此外由于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源“熱損失”的減少，設(shè)計(jì)時(shí)還可提高穩(wěn)壓電源的輸入電壓，這有助于提高交流電壓抗跌落干擾的能力。一、高頻開(kāi)關(guān)電源與普通電源不同之處

吉事勵(lì)普通電源的特點(diǎn)：

通常是線性電源，線性電源是指穩(wěn)壓器管以線性狀態(tài)工作的電源。但是，這與高頻開(kāi)關(guān)電源不同。開(kāi)關(guān)管(在開(kāi)關(guān)電源中通常將調(diào)整管稱(chēng)為開(kāi)關(guān)管)在兩種狀態(tài)下工作：開(kāi)-電阻非常小;關(guān)-阻力很大。

吉事勵(lì)高頻開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn)：

高頻開(kāi)關(guān)電源通常由(脈沖寬度調(diào)制)PWM控制IC和MOSFET組成。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，開(kāi)關(guān)電源主要應(yīng)用于體積小，重量輕，效率高等特點(diǎn)幾乎應(yīng)用到所有電子設(shè)備，其重要性是顯而易見(jiàn)的。

高頻開(kāi)關(guān)模式電源是一種相對(duì)新型的電源。它具有效率高，重量輕，電壓升高和降低以及輸出功率高的優(yōu)點(diǎn)。然而，由于電路在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下工作，噪聲相對(duì)較大。讓我們簡(jiǎn)短地討論一下降壓型開(kāi)關(guān)電源的工作原理。

該電路由一個(gè)開(kāi)關(guān)K(實(shí)際電路中的三極管或場(chǎng)效應(yīng)管)，續(xù)流二極管D，儲(chǔ)能電感器L，濾波電容C等組成。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電源將為電流通過(guò)開(kāi)關(guān)K和電感器L供電給負(fù)載，并且會(huì)將電流在電感器L和電容器C中存儲(chǔ)一部分電能。由于電感器L的自感，在接通開(kāi)關(guān)后電流會(huì)相對(duì)緩慢地增加，即輸出不能立即達(dá)到電源電壓值。一定時(shí)間后，開(kāi)關(guān)將關(guān)閉。由于電感器L的自感作用(可以更清楚地假設(shè)電感器中的電流具有慣性作用)，電路中的電流保持不變，即，它繼續(xù)從左向右流動(dòng)，該電流流過(guò)負(fù)載，從地線返回，流到續(xù)流二極管D的陽(yáng)極，流過(guò)二極管D，然后返回到電感器L的左端，形成一個(gè)環(huán)路?？梢酝ㄟ^(guò)控制開(kāi)關(guān)閉合和斷開(kāi)的時(shí)間(即PWM脈沖寬度調(diào)制)來(lái)控制輸出電壓。當(dāng)檢測(cè)到輸出電壓以控制導(dǎo)通和截止時(shí)間以保持輸出電壓恒定時(shí)，就達(dá)到了穩(wěn)壓的目的。

二、高頻開(kāi)關(guān)電源和普通電源的相同之處

在于它們具有電壓調(diào)節(jié)器，并使用反饋原理進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。不同之處在于，高頻開(kāi)關(guān)電源通過(guò)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行調(diào)整，而普通電源通常通過(guò)三極管的線性增益范圍進(jìn)行調(diào)諧。

相比之下，開(kāi)關(guān)電源的功耗小，交流電壓的應(yīng)用范圍廣，直流輸出的紋波系數(shù)更好。

普通半橋開(kāi)關(guān)電源的主要工作原理是上橋和下橋的開(kāi)關(guān)管(頻率高時(shí)，開(kāi)關(guān)管為VMOS)一一導(dǎo)通。首先，電流從上橋開(kāi)關(guān)管中流入，利用電感線圈的存儲(chǔ)功能來(lái)收集電能。在線圈中，上橋的開(kāi)關(guān)管關(guān)閉，下橋的開(kāi)關(guān)管打開(kāi)。電感線圈和電容器繼續(xù)向外部供電。然后關(guān)閉下橋開(kāi)關(guān)管并打開(kāi)上橋以允許電流進(jìn)入，就重復(fù)此過(guò)程。由于必須將兩個(gè)滅弧室一個(gè)接一個(gè)地接通和關(guān)斷，所以被稱(chēng)為開(kāi)關(guān)電源。

線性電源不同。由于沒(méi)有開(kāi)關(guān)動(dòng)作，因此上水管始終會(huì)排水。如果太多，水將漏出。當(dāng)某些線性功率調(diào)節(jié)器管產(chǎn)生大量熱量時(shí)，通常會(huì)發(fā)生這種情況，取之不盡的電能全部轉(zhuǎn)化為熱能。從這個(gè)角度來(lái)看，線性電源的轉(zhuǎn)換效率非常低，但是如果發(fā)熱量高，則組件的壽命將不可避免地減少，從而影響最終使用效果。