開關(guān)電源的原理
開關(guān)電源主要包括輸入電網(wǎng)濾波器、輸入整流濾波器、變換器、輸出整流濾波器、控制電路、保護(hù)電路。它們的功能是：
- 輸入電網(wǎng)濾波器：消除來自電網(wǎng)，如電動機(jī)的啟動、電器的開關(guān)、雷擊等產(chǎn)生的干擾，同時也防止開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻噪聲向電網(wǎng)擴(kuò)散。
- 輸入整流濾波器：將電網(wǎng)輸入電壓進(jìn)行整流濾波，為變換器提供直流電壓。
- 變換器：是開關(guān)電源的關(guān)鍵部分。它把直流電壓變換成高頻交流電壓，并且起到將輸出部分與輸入電網(wǎng)隔離的作用。
- 輸出整流濾波器：將變換器輸出的高頻交流電壓整流濾波得到需要的直流電壓，同時還防止高頻噪聲對負(fù)載的干擾。
- 控制電路：檢測輸出直流電壓，并將其與基準(zhǔn)電壓比較，進(jìn)行放大。調(diào)制振蕩器的脈沖寬度，從而控制變換器以保持輸出電壓的穩(wěn)定。
- 保護(hù)電路：當(dāng)開關(guān)電源發(fā)生過電壓、過電流短路時，保護(hù)電路使開關(guān)電源停止工作以保護(hù)負(fù)載和電源本身。
有的讀者會產(chǎn)生這樣的疑問，先把220V的交流變成了直流，然后通過變換器把直流變成交流，最后又把交流變成直流輸出，兜了這么大的一個圈子，干嗎不把220V的交流電直接變成所需要的直流呢？其實(shí)，交流市電先由電源變壓器變壓，整流濾波后得到未穩(wěn)定的直流電壓，再經(jīng)過調(diào)整后得到所需要的直流電壓，這種電源技術(shù)很成熟，可以達(dá)到很高的穩(wěn)定度，波紋也很小，而且沒有開關(guān)電源具有的干擾與噪音。但是它的缺點(diǎn)是需要龐大而笨重的功頻變換器，所需的濾波電容的體積和重量也相當(dāng)大，而且調(diào)整管是工作在線性狀態(tài)，調(diào)整管上有一定的電壓降，在輸出較大工作電流時，致使調(diào)整管的功耗太大，轉(zhuǎn)換效率低，還要安裝很大的散熱片。總之這種電源不適合計算機(jī)用。
開關(guān)電源主要有以下特點(diǎn)：
- 體積小、重量輕：由于沒有工頻變壓器，所以體積和重量只有線性電源的20～30%。
- 功耗小、效率高：功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，所以晶體管上的功耗小，轉(zhuǎn)化效率高，一般為60～70%，而線性電源只有30～40%。
1、電子產(chǎn)品，特別是穩(wěn)壓電源的設(shè)計是一個系統(tǒng)工程，不但要考慮電源本身參數(shù)設(shè)計，還要考慮電氣設(shè)計、電磁兼容設(shè)計、熱設(shè)計、安全性設(shè)計、三防設(shè)計等方面。因?yàn)槿魏畏矫婺桥率禽^微小的疏忽，都可能導(dǎo)致整個電源的崩潰，所以我們應(yīng)充分認(rèn)識到電源產(chǎn)品可靠性設(shè)計的重要性。
開關(guān)電源電氣可靠性設(shè)計
（1）供電方式的選擇
集中式供電系統(tǒng)各輸出之間的偏差以及由于傳輸距離的不同而造成的壓差降低了供電質(zhì)量，而且應(yīng)用單臺電源供電，當(dāng)電源發(fā)生故障時可能導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。分布式供電系統(tǒng)因供電單元靠近負(fù)載，改善了動態(tài)響應(yīng)特性，供電質(zhì)量好，傳輸損耗小，效率高，節(jié)約能源，可靠性高，容易組成N＋1冗余供電系統(tǒng)，擴(kuò)展功率也相對比較容易。所以采用分布式供電系統(tǒng)可以滿足高可靠性設(shè)備的要求。
（2） 電路拓?fù)涞倪x擇開關(guān)電源一般采用單端正激式、單端反激式、雙管正激式、雙單端正激式、雙正激式、推挽式、半橋、全橋等八種拓?fù)�。單端正激式、單端反激式、雙單端正激式、推挽式的開關(guān)管的承壓在兩倍輸入電壓以上，如果按60％降額使用，則使開關(guān)管不易選型。在推挽和全橋拓?fù)渲锌赡艹霈F(xiàn)單向偏磁飽和，使開關(guān)管損壞，而半橋電路因?yàn)榫哂凶詣涌共黄胶饽芰Γ跃筒粫霈F(xiàn)這個問題。雙管正激式和半橋電路開關(guān)管的承壓僅為電源的最大輸入電壓，即使按60％降額使用，選用開關(guān)管也比較容易。在高可靠性工程上一般選用這兩類電路拓?fù)洹?
（3）控制策略的選擇
在中小功率的電源中，電流型PWM控制是大量采用的方法，它較電壓控制型有如下優(yōu)點(diǎn)：逐周期電流限制，比電壓型控制更快，不會因過流而使開關(guān)管損壞，大大減小過載與短路的保護(hù)；優(yōu)良的電網(wǎng)電壓調(diào)整率；迅捷的瞬態(tài)響應(yīng)；環(huán)路穩(wěn)定，易補(bǔ)償；紋波比電壓控制型小得多。生產(chǎn)實(shí)踐表明電流控制型的50W開關(guān)電源的輸出紋波在25mV左右，遠(yuǎn)優(yōu)于電壓控制型。
硬開關(guān)技術(shù)因開關(guān)損耗的限制，開關(guān)頻率一般在350kHz以下，軟開關(guān)技術(shù)是應(yīng)用諧振原理，使開關(guān)器件在零電壓或零電流狀態(tài)下通斷，實(shí)現(xiàn)開關(guān)損耗為零，從而可將開關(guān)頻率提高到兆赫級水平，這種應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)的變換器綜合了PWM變換器和諧振變換器兩者的優(yōu)點(diǎn)，接近理想的特性，如低開關(guān)損耗、恒頻控制、合適的儲能元件尺寸、較寬的控制范圍及負(fù)載范圍，但是此項(xiàng)技術(shù)主要應(yīng)用于大功率電源，中小功率電源中仍以PWM技術(shù)為主。
（4）元器件的選用
因?yàn)樵骷苯記Q定了電源的可靠性，所以元器件的選用非常重要。元器件的失效主要集中在以下四個方面：
1)制造質(zhì)量問題
質(zhì)量問題造成的失效與工作應(yīng)力無關(guān)。質(zhì)量不合格的可以通過嚴(yán)格的檢驗(yàn)加以剔除，在工程應(yīng)用時應(yīng)選用定點(diǎn)生產(chǎn)廠家的成熟產(chǎn)品，不允許使用沒有經(jīng)過認(rèn)證的產(chǎn)品。
2)元器件可靠性問題
元器件可靠性問題即基本失效率的問題，這是一種隨機(jī)性質(zhì)的失效，與質(zhì)量問題的區(qū)別是元器件的失效率取決于工作應(yīng)力水平。在一定的應(yīng)力水平下，元器件的失效率會大大下降。為剔除不符合使用要求的元器件，包括電參數(shù)不合格、密封性能不合格、外觀不合格、穩(wěn)定性差、早期失效等，應(yīng)進(jìn)行篩選試驗(yàn)，這是一種非破壞性試驗(yàn)。通過篩選可使元器件失效率降低1～2個數(shù)量級，當(dāng)然篩選試驗(yàn)代價(時間與費(fèi)用)很大，但綜合維修、后勤保障、整架聯(lián)試等還是合算的，研制周期也不會延長。電源設(shè)備主要元器件的篩選試驗(yàn)一般要求：
①電阻在室溫下按技術(shù)條件進(jìn)行100％測試，剔除不合格品。
②普通電容器在室溫下按技術(shù)條件進(jìn)行100％測試，剔除不合格品。
③接插件按技術(shù)條件抽樣檢測各種參數(shù)。
④半導(dǎo)體器件按以下程序進(jìn)行篩選：
目檢→初測→高溫貯存→高低溫沖擊→電功率老化→高溫測試→低溫測試→常溫測試 篩選結(jié)束后應(yīng)計算剔除率Q
- Q=(n / N)×100%
- 式中：N——受試樣品總數(shù)；
- n——被剔除的樣品數(shù)；
如果Q超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值，則本批元器件全部不準(zhǔn)上機(jī)，并按有關(guān)規(guī)定處理。
在符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定時，則將篩選合格的元器件打漆點(diǎn)標(biāo)注，然后入專用庫房供裝機(jī)使用。
3)設(shè)計問題
首先是恰當(dāng)?shù)剡x用合適的元器件：
①盡量選用硅半導(dǎo)體器件，少用或不用鍺半導(dǎo)體器件。
②多采用集成電路，減少分立器件的數(shù)目。
③開關(guān)管選用MOSFET能簡化驅(qū)動電路，減少損耗。
④輸出整流管盡量采用具有軟恢復(fù)特性的二極管。
⑤應(yīng)選擇金屬封裝、陶瓷封裝、玻璃封裝的器件。禁止選用塑料封裝的器件。
⑥集成電路必須是一類品或者是符合MIL－M－38510、MIL－S－19500標(biāo)準(zhǔn)B－1以上質(zhì)量等級的。
⑦設(shè)計時盡量少用繼電器，確有必要時應(yīng)選用接觸良好的密封繼電器。
⑧原則上不選用電位器，必須保留的應(yīng)進(jìn)行固封處理。
⑨吸收電容器與開關(guān)管和輸出整流管的距離應(yīng)當(dāng)很近，因流過高頻電流，故易升溫，所以要求這些電容器具有高頻低損耗和耐高溫的特性。 在潮濕和鹽霧環(huán)境下，鋁電解電容會發(fā)生外殼腐蝕、容量漂移、漏電流增大等情況，所以在艦船和潮濕環(huán)境，最好不要用鋁電解電容。由于受空間粒子轟擊時，電解質(zhì)會分解，所以鋁電解電容也不適用于航天電子設(shè)備的電源中。 鉭電解電容溫度和頻率特性較好，耐高低溫，儲存時間長，性能穩(wěn)定可靠，但鉭電解電容較重、容積比低、不耐反壓、高壓品種(>125V)較少、價格昂貴。
關(guān)于降額設(shè)計：
電子元器件的基本失效率取決于工作應(yīng)力(包括電、溫度、振動、沖擊、頻率、速度、碰撞等)。除個別低應(yīng)力失效的元器件外，其它均表現(xiàn)為工作應(yīng)力越高，失效率越高的特性。為了使元器件的失效率降低，所以在電路設(shè)計時要進(jìn)行降額設(shè)計。降額程度，除可靠性外還需考慮體積、重量、成本等因素。不同的元器件降額標(biāo)準(zhǔn)亦不同，實(shí)踐表明，大部分電子元器件的基本失效率取決于電應(yīng)力和溫度，因而降額也主要是控制這兩種應(yīng)力，以下為開關(guān)
電源常用元器件的降額系數(shù)：
①電阻的功率降額系數(shù)在0.1～0.5之間。
②二極管的功率降額系數(shù)在0.4以下，反向耐壓在0.5以下。
③發(fā)光二極管
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