??高頻開關(guān)電源構(gòu)成與PWM原理
目前空間技術(shù)、計(jì)算機(jī)、通信及家用電器中的電源多采用高頻開關(guān)電源。開關(guān)電源的效率、體積、重量等指標(biāo)均優(yōu)于線性穩(wěn)壓電源。開關(guān)電源的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，損耗小，效率可達(dá)75%～95%；穩(wěn)壓電源體積小，重量輕；調(diào)整管功耗小，相應(yīng)散熱器的體積也小。另外，開關(guān)頻率工作在幾十千赫，濾波電感及電容可用較小數(shù)值的元件；允許的環(huán)境溫度也可以大大提高。但由于調(diào)整器件的控制電路比較復(fù)雜，輸出紋波電壓較高，所以開關(guān)電源的應(yīng)用也受到一定的限制。
電子設(shè)備小型輕量化的關(guān)鍵是供電電源的小型化，因此需要盡可能地降低電源電路中的損耗。開關(guān)電源中的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，也必然存在開關(guān)損耗，而且損耗隨開關(guān)頻率成比例地增加。另一方面，開關(guān)電源中的變壓器、電抗器等磁性元件以及電容元件，隨著頻率的提高，這些元件上的損耗也隨之增加。
目前市場上開關(guān)電源中的功率管采用雙極型晶體管的，開關(guān)頻率可達(dá)100kHz；采用MOSFET的開關(guān)頻率可達(dá)500kHz。為提高開關(guān)頻率必須減小開關(guān)損耗，需要采用高速開關(guān)器件。對于兆赫以上的開關(guān)頻率可利用諧振電路，這種工作方式稱為諧振開關(guān)方式。這種方式可以極大地提高開關(guān)速度，原理上開關(guān)損耗為零，噪聲也很小，這是提高開關(guān)電源工作頻率的一種有效方式。采用諧振開關(guān)方式的幾兆赫變換器已經(jīng)實(shí)用化。
開關(guān)電源的集成化與小型化正在變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，目前正在研制功率開關(guān)管與控制電路集成于同一芯片上的集成模塊。然而，把功率開關(guān)管與控制電路包括反饋電路都集成于同一芯片上，必須解決電氣隔離與熱絕緣等問題。
目前，世界各國正在大力研制新型開關(guān)電源，不斷地向高頻化、線路簡單化和控制電路集成化方向發(fā)展。
1.開關(guān)電源的基本構(gòu)成
開關(guān)電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)器件，通過周期性通斷工作，控制開關(guān)器件的時占空比來調(diào)整輸出電壓。開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)如圖3-35所示，其中DC/DC變換器進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換，它是開關(guān)電源的核心部分，此外還有啟動電路、過電流與過電壓保護(hù)電路、噪聲濾波器等部分組成。反饋回路(R1、R2)檢測輸出電壓變化，與基準(zhǔn)電壓Ur比較，其誤差電壓通過放大器放大及脈寬調(diào)制（PWM）電路，再經(jīng)過驅(qū)動器控制開關(guān)器件的通斷時間比，從而調(diào)整輸出電壓的大小。
2. 開關(guān)型穩(wěn)壓電源的分類
開關(guān)型穩(wěn)壓電源的電路結(jié)構(gòu)有多種：
①按驅(qū)動方式分：有自激式和他激式。
②按DC/DC變換器的工作方式分：有單端正激式和反激式、推挽式、半橋式、全橋式等；還可分為降壓型、升壓型和升降壓型等。
③按控制方式分：有諧振型和非諧振型。
④按控制方式分：有脈沖寬度調(diào)制(PWM)式，脈沖頻率調(diào)制(PFM)式，PWM與PFM混合式。
以上這些方式的組合可構(gòu)成多種方式的開關(guān)型穩(wěn)壓電源。因此設(shè)計(jì)者務(wù)必根據(jù)各種方式的特征進(jìn)行有效的組合，制作出高質(zhì)量的開關(guān)型穩(wěn)壓電源。
3. PWM工作原理
脈沖寬度調(diào)制(PWM)變換器就是通過重復(fù)通/斷開關(guān)工作方式把一種直流電壓(電流)變換為高頻方波電壓(電流)，再經(jīng)過整流平滑后變?yōu)榱硪环N直流電壓輸出。PWM變換器由功率開關(guān)管、整流二極管及濾波電路等組成。輸入與輸出間需要進(jìn)行電氣隔離時，可采用變壓器進(jìn)行隔離和升降壓。PWM變換器的工作原理如圖3-36所示。由于開關(guān)工作頻率的提高，濾波電感L，變壓器Tr等磁性元件以及濾波電容C等都可以小型化。
對于PWM變換器，加在開關(guān)管S兩端的電壓us及通過S的電流is的波形近似為方波，如圖3-37所示。占空比D定義為
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