分析仪器常用部件 —— 开关电源

安平

2024/08/16
红小豆

私聊

其他色谱仪综合讨论

分析仪器常用部件 —— 开关电源

概述

开关电源被誉为高效节能电源，代表着稳压电源的发展方方向，现在已经成为稳压电源的主流产品。开关电源的内部关键元器件工作与高频开关状态，本山消耗能量很低，电源效率可以达到70-90%，比标准先行稳压电源提高一倍。开关电源的缺点是稳压性能不如线性电源好，电压调整率、负载调整率、输出噪声以及纹波都比较大，容易对其他电子设备产生干扰，必须采取相应的措施加以解决。

开关电源工作原理

开关电源的工作原理，如图1所示。输入电压Vi经由开关S连接至输出端。S是受开关信号控制的调节器。S按照控制信号的要求改变导通和截止的时间，可以吧输入电压变成矩形脉冲电压。将此电压进行平滑滤波，就可以得到稳定的直流输出电压Vo。

图1 开关电源工作原理

开关导通的时间为Ton，

定义占空比为：D=Ton/T

图2 占空比

电源系统可以通过改变占空比PWM、脉冲宽度不变的情况下改变脉冲频率PFM或同时改变Ton和T实现输出电压的调节PWM/PFW。

开关电源的组成

开关电源的组成如图3所示，大致由整流滤波部件、DC-DC变换器、比较放大、采样反馈、基准电压和信号源组成。来自实验室的单相220V交流电源Ui经过整流滤波后，变换成直流电压Vi。当输出电压Vo增大，采样反馈单元将此变化传输给比较放大单元，比较放大单元将此信号与基准电压进行比较，输出信号控制DC-DC变换器。通过改变控制信号占空比或者频率的方式，最终使得输出电压降低至设定值。

与线性电源不同，通过不同的电路设计，可以使电源系统的输入和输出部分实现完全的电气隔离。

图3 开关电源的组成结构

开关电源的分类

常见的开关电源分为串联调整型和变换型两大类。

1、串联调整型

开关控制部分串联在电源回路中，主要有升压型、降压型和反相型。

升压型：输出电压大于等于输入电压。

降压型：输出电压小于等于输入电压。

反相型：输出电压与输入电压相位相反。

2、变换型

电源输出回路中对高频输出变压器极性频率变换以控制优化功率和效率。

单端反激型

单端正激型

双端反激型

开关电源的特点

电源变换效率高，在输入电压大范围变化的情况下，仍可以达到80%以上

与线性电源相比，同功率的电源体积和重量较小，功率耗散低。

由于采用高频调控方式，开关电源容易产生高频干扰

控制精度总体不如线性电源精密。

负载发生迅速变化的情况下，开关电源输出电压的恢复速度一般低于线性电源。

一般情况下，输出功率较高的电源（大于20W），一般使用开关电源。输出功率较低、稳定性要求较高的电源，一般采用线性电源。

20kHz开关电源与线性电源的性能比较

参数	开关电源	线性电源
电源效率	高	低
单位体积下的输出功率（W/cm3）	0.12	0.03
单位质量下的输出功率（W/kg）	88	22
电压调整率（%）	0.1-1	0.02-0.1
负载调整率（%）	1-5	0.5-2
输出纹波电压（mV）	50	5
输出噪声电压（mV）	50-200	极小
瞬态响应时间（us）	100-1000	20
断电后输出电压的保持时间（ms）	20-30	1-2