通常我們都知道，在電源電路設計過程當中離不開開關電源和線性電源，那二者的區(qū)別是什么吶?開關電源是將交流電先整流成直流電，在將直流逆變成交流電，在整流輸出成所需要的直流電壓。這樣開關電源省去下線性電源中的變壓器，以及電壓反饋電路。而開關電源中的逆變電路完全是數(shù)字調整，同樣能達到非常高的調整精度。線性電源是先將交流電經(jīng)過變壓器變壓，再經(jīng)過整流電路整流濾波得到未穩(wěn)定的直流電壓，要達到高精度的直流電壓，必須經(jīng)過電壓反饋調整輸出電壓，這種電源技術很成熟，可以達到很高的穩(wěn)定度，波紋也很小，而且沒有開關電源具有的干擾與噪音。

一、線性電源的原理

線性電源主要包括工頻變壓器、輸出整流濾波器、控制電路、保護電路等。

圖1

線性電源是先將交流電經(jīng)過變壓器變壓，再經(jīng)過整流電路整流濾波得到未穩(wěn)定的直流電壓，要達到高精度的直流電壓，必須經(jīng)過電壓反饋調整輸出電壓，這種電源技術很成熟，可以達到很高的穩(wěn)定度，波紋也很小，而且沒有開關電源具有的干擾與噪音。但是它的缺點是需要龐大而笨重的變壓器，所需的濾波電容的體積和重量也相當大，而且電壓反饋電路是工作在線性狀態(tài)，調整管上有一定的電壓降，在輸出較大工作電流時，致使調整管的功耗太大，轉換效率低，還要安裝很大的散熱片。這種電源不適合計算機等設備的需要，將逐步被開關電源所取代。

二、開關電源的原理：

開關電源主要包括輸入電網(wǎng)濾波器、輸入整流濾波器、逆變器、輸出整流濾波器、控制電路、保護電路。

圖2

它們的功能是：

1.輸入電網(wǎng)濾波器：消除來自電網(wǎng)，如電動機的啟動、電器的開關、雷擊等產(chǎn)生的干擾，同時也防止開關電源產(chǎn)生的高頻噪聲向電網(wǎng)擴散。

2.輸入整流濾波器：將電網(wǎng)輸入電壓進行整流濾波，為變換器提供直流電壓。

3.逆變器：是開關電源的關鍵部分。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。

4.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載的干擾。

5.控制電路：檢測輸出直流電壓，并將其與基準電壓比較，進行放大。調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。

6.保護電路：當開關電源發(fā)生過電壓、過電流短路時，保護電路使開關電源停止工作以保護負載和電源本身。

開關電源的主要優(yōu)點：體積小、重量輕(體積和重量只有線性電源的20～30%)、效率高(一般為60～70%，而線性電源只有30～40%)、自身抗干擾性強、輸出電壓范圍寬、模塊化。

開關電源的主要缺點：由于逆變電路中會產(chǎn)生高頻電壓，對周圍設備有一定的干擾。需要良好的屏蔽及接地。

交流電經(jīng)過整流，可以得到直流電。但是，由于交流電壓及負載電流的變化，整流后得到的直流電壓通常會造成20%到40%的電壓變化。為了得到穩(wěn)定的直流電壓，必須采用穩(wěn)壓電路來實現(xiàn)穩(wěn)壓。按照實現(xiàn)方法的不同，穩(wěn)壓電源可分為三種：線性穩(wěn)壓電源、相控穩(wěn)壓電源、開關穩(wěn)壓電源。其中開關電源代表低碳環(huán)保和先進電源的發(fā)展趨勢。

常用的低壓直流開關電源就是將220V交流電經(jīng)過EMI濾波器后直接整流成300V左右的直流電，通過電路控制開關管進行高速的道通與截止再轉化為高頻率的交流電提供給變壓器進行變壓，從而產(chǎn)生所需要的一組或多組電壓，而后再整流成所需要電壓的直流電。轉化為高頻交流電的原因是高頻交流在變壓器變壓電路中的效率要比50Hz高很多，所以主變壓器可以做的很小，且使用磁芯,它工作時也不是很熱;另外，在高頻下，貯存能量和濾波電容和電感要比50Hz 下小很多，成本很低。如果不將50Hz 變?yōu)楦哳l那開關電源就沒有意義!開關變壓器也不神秘，就是一個普通的磁芯變壓器!這就是開關電源。

開關電源，是通過電子技術實現(xiàn)的，主要環(huán)節(jié)：整流成直流電——逆變成所需電壓的交流電(主要來調整電壓)——再經(jīng)過整流成直流電壓輸出。

開關電源的結構中由于中間沒有笨重的變壓器和散熱片，因而體積非常小。同時，開關電源內部都是電子元件，效率高、發(fā)熱小。雖然，具有電磁干擾大等缺點，但現(xiàn)在歐美日本土銷售和中國制造但沒有偷工減料的開關電源抗電磁干擾濾波器和屏蔽技術已經(jīng)非常到位。

開關電源大體可以分為隔離和非隔離兩種，隔離型的必定有開關變壓器，而非隔離的未必一定有。

簡單地說,開關電源的工作原理是:

1.交流電源輸入經(jīng)整流濾波成直流;

2.通過高頻PWM(脈沖寬度調制)或者脈沖頻率調制(PFM)控制開關管，將那個直流加到開關變壓器初級上;

3.開關變壓器次級感應出高頻電壓,經(jīng)整流濾波供給負載;

4.輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路,控制PWM占空比,以達到穩(wěn)定輸出的目的.

交流電源輸入時一般要經(jīng)過電感電容濾波器一類的東西，過濾掉電網(wǎng)上的干擾，同時也過濾掉電源對電網(wǎng)的干擾;在功率相同時，開關頻率越高，開關變壓器的體積就越小，但對開關管的要求就越高;開關變壓器的次級可以有多個繞組或一個繞組有多個抽頭，以得到需要的輸出;一般還應該增加一些保護電路，比如空載、短路等保護, 否則可能會燒毀開關電源。

以上說的就是開關電源的大致工作原理。

其實現(xiàn)在已經(jīng)有了集成度非常高的專用芯片，可以使外圍電路非常簡單，甚至做到免調試。

例如TOP系列的開關電源芯片(或稱模塊)，只要配合一些阻容元件，和一個開關變壓器，就可以做成一個基本的開關電源。

開關電源&線性電源

普通半橋開關電源的主要工作原理就是上橋和下橋的開關管(頻率高時開關管為VMOS)輪流導通，首先電流通過上橋開關管流入，利用電感線圈的存儲功能，將電能集聚在線圈中，最后關閉上橋開關管，打開下橋的開關管，電感線圈和電容持續(xù)給外部供電。然后又關閉下橋開關管，再打開上橋讓電流進入，就這樣重復進行，因為要輪流開關兩開關管，所以稱為開關電源。

而線性電源就不一樣了，由于沒有開關介入，使得上水管一直在放水，如果有多的，就會漏出來，這就是我們經(jīng)?？吹降哪承┚€性電源的調整管發(fā)熱量很大，用不完的電能，全部轉換成了熱能。從這個角度來看，線性電源的轉換效率就非常低了，而且熱量高的時候，元件的壽命勢必要下降，影響最終的使用效果 。

開關電源和線性電源的區(qū)別主要是他們的工作方式。

線性電源的功率調整管總是工作在放大區(qū)，流過的電流是連續(xù)的。由于調整管上損耗較大的功率，所以需要較大功率調整管并裝有體積很大的散熱器，發(fā)熱嚴重，效率很低。一般在40%~60%，還得說他是很好的線性電源。線性電源的工作方式，使他從高壓變低壓必須有將壓裝置，一般的都是變壓器，也有別的像KX電源，再經(jīng)過整流輸出直流電壓。這樣一來他的體積也就很大，比較笨重，效率低、發(fā)熱量也大。他也有他的優(yōu)點：紋波小，調整率好，對外干擾小。適合用與模擬電路，各類放大器等。

開關電源。它的功率器件工作在開關狀態(tài)，在電壓調整時能量是通過電感線圈來臨時貯存，這樣他的損耗就小，效率也就高，對散熱的要求低，但它對變壓器和貯能電感也有了更高的要求，要用低損耗高磁導率的材料來做。它的變壓器就是一個字小。總效率在 80%～98%，開關電源的效率高但體積小，但是和線性電源比他的紋波，電壓電流調整率就有一定的折扣了 。

業(yè)余電臺等無線電通信專用電源交流電源的特殊要求：

1、電臺使用比較規(guī)范的室外天饋系統(tǒng)，同軸電纜屏蔽層不參與無線電收發(fā)時主要考慮電源的ESD和電源穩(wěn)壓部分的抗干擾能力。原因是發(fā)射時電源負載阻抗瞬時變化很大，如果處理不當會造成穩(wěn)壓系統(tǒng)取樣和執(zhí)行紊亂，因此須在穩(wěn)壓系統(tǒng)取樣與輸出間加裝低通濾波器。

2、電臺使用很隨意的室外天饋系統(tǒng)，同軸電纜屏蔽層參與無線電收發(fā)。此時此刻還需要在220V輸入端加裝低通濾波器抑制干擾。

3、使用昂貴的電臺，因維修費用高，須加裝并聯(lián)型限壓電路以確保在任何時候電臺得到的電壓不超過額定電壓25%。

開關電源設計的各項指標概念和定義

一. 描述輸入電壓影響輸出電壓的幾個指標形式

1. 絕對穩(wěn)壓系數(shù)

A.絕對穩(wěn)壓系數(shù)：表示負載不變時，穩(wěn)壓電源輸出直流變化量△U0 與輸入電網(wǎng)變化量△Ui 之比。即：K= U0/ Ui 。

B.相對穩(wěn)壓系數(shù)：表示負載不變時，穩(wěn)壓器輸出直流電壓 Uo 的相對變化量△Uo 與輸出電網(wǎng) Ui 的相對變化量△Ui之比。即：S= Uo/Uo / Ui/Ui

2. 電網(wǎng)調整率

它表示輸入電網(wǎng)電壓由額定值變化±10%時，穩(wěn)壓電源輸出電壓的相對變化量，有時也以絕對值表示。

3. 電壓穩(wěn)定度

負載電流保持為額定范圍內的任何值，輸入電壓在規(guī)定的范圍內變化所引起的輸出電壓相對變化△Uo/Uo(百分值)，稱為穩(wěn)壓器的電壓穩(wěn)定度。

二. 負載對輸出電壓影響的幾種指標形式

1. 負載調整率(也稱電流調整率)

在額定電網(wǎng)電壓下，負載電流從零變化到最大時，輸出電壓的最大相對變化量，常用百分數(shù)表示，有時也用絕對變化量表示。

2. 輸出電阻(也稱等效內阻或內阻)

在額定電網(wǎng)電壓下，由于負載電流變化△IL 引起輸出電壓變化△Uo，則輸出電阻為Ro=| Uo/ IL| 歐。

三. 紋波電壓的幾個指標形式

1. 最大紋波電壓

在額定輸出電壓和負載電流下，輸出電壓的紋波(包括噪聲)的絕對值的大小，通常以峰峰值或有效值表示。

2. 紋波系數(shù) Y(%)

在額定負載電流下，輸出紋波電壓的有效值Urms與輸出直流電壓Uo之比，即：y=Umrs/Uo x100%

3. 紋波電壓抑制比

在規(guī)定的紋波頻率(例如 50HZ)下，輸出電壓中的紋波電壓 Ui~與輸出電壓中的紋波電壓 Uo~之比，即：紋波電壓抑制比=Ui~/Uo~ 。

這里聲明一下：噪聲不同于紋波。紋波是出現(xiàn)在輸出端子間的一種與輸入頻率和開關頻率同步的成分，用峰-峰(peak to peak)值表示，一般在輸出電壓的 0.5%以下;噪聲是出現(xiàn)在輸出端子間的紋波以外的一種高頻成分，也用峰-峰(peak to peak)值表示，一般在輸出電壓的 1%左右。紋波噪聲是二者的合成，用峰-峰(peak to peak)值表示，一般在輸出電壓的 2%以下。

四. 沖擊電流

沖擊電流是指輸入電壓按規(guī)定時間間隔接通或斷開時，輸入電流達到穩(wěn)定狀態(tài)前所通過的最大瞬間電流。一般是 20A～30A。

五. 過流保護

是一種電源負載保護功能，以避免發(fā)生包括輸出端子上的短路在內的過負載輸出電流對電源和負載的損壞。過流的給定值一般是額定電流的 110%～130%。

六. 過壓保護

是一種對端子間過大電壓進行負載保護的功能。一般規(guī)定為輸出電壓的 130%～150%。

七. 輸出欠壓保護

當輸出電壓在標準值以下時，檢測輸出電壓下降或為保護負載及防止誤操作而停止電源并發(fā)出報警信號，多為輸出電壓的 80%～30%左右。

八. 過熱保護

在電源內部發(fā)生異?；蛞蚴褂貌划敹闺娫礈厣瑯藭r停止電源的工作并發(fā)出報警信號。

九. 溫度漂移和溫度系數(shù)

溫度漂移：環(huán)境溫度的變化影響元器件的參數(shù)的變化，從而引起穩(wěn)壓器輸出電壓變化。常用溫度系數(shù)表示溫度漂移的大小。絕對溫度系數(shù)：溫度變化1℃引起輸出電壓值的變化△UoT，單位是 V/℃或毫伏每攝氏度。相對溫度系數(shù)：溫度變化1℃引起輸出電壓相對變化△UoT/Uo，單位是 V/℃。

十. 漂移

穩(wěn)壓器在輸入電壓、負載電流和環(huán)境溫度保持一定的情況下，元件參數(shù)的穩(wěn)定性也會造成輸出電壓的變化，慢變化叫漂移，快變化叫噪聲，介于兩者之間叫起伏。

表示漂移的方法有兩種：

1. 在指定的時間內輸出電壓值的變化△Uot。

2. 在指定時間內輸出電壓的相對變化△Uot/Uo。

考察漂移的時間可以定為 1 分鐘、10 分鐘、1 小時、8 小時或更長。只在精度較高的穩(wěn)壓器中，才有溫度系數(shù)和溫漂兩項指標。

十一. 響應時間

是指負載電流突然變化時，穩(wěn)壓器的輸出電壓從開始變化到達新的穩(wěn)定值的一段調整時間。在直流穩(wěn)壓器中，則是用在矩形波負載電流時的輸出電壓波形來表示這個特性，稱為過度特性。

十二. 失真

這是交流穩(wěn)壓器特有的。是指輸出波形不是正 波形，產(chǎn)生波形畸變，稱為畸變。

十三. 噪聲

按 30HZ～18kHZ 的可聽頻率規(guī)定，這對開關電源的轉換頻率不成問題，但對帶風扇的電源要根據(jù)需要加以規(guī)定。

十四.輸入噪聲

為使開關電源工作保持正常狀態(tài)，要根據(jù)額定輸入條件，按由允許輸入外并疊加于工業(yè)用頻率的脈沖狀電壓(0～peak)制定輸入噪聲指標。一般外加脈沖寬度為 100～800us，外加電壓 1000V。

十五. 浪涌

這是在輸入電壓，以 1 分鐘以上的間隔按規(guī)定次數(shù)加一種浪涌電壓，以避免發(fā)生絕緣破壞、閃絡、電弧等異?，F(xiàn)象。通信設備等規(guī)定的數(shù)值為數(shù)千伏，一般為 1200V。

十六. 靜電噪聲

指在額定輸入條件下，外加到電源框體的任意部分時，全輸出電路能保持正常工作狀態(tài)的一種重復脈沖狀的靜電。一般保證 5～10KV 以內。

十七. 穩(wěn)定度

允許使用條件下，輸出電壓最大相對變化△Uo/Uo 。

十八. 電氣安全要求(GB 4943-90)

1. 電源結構的安全要求

1) 空間要求。UL、CSA、VDE 安全規(guī)范強調了在帶電部分之間和帶電部分與非帶電金屬部分之間的表面、空間的距離要求。UL、CSA 要求：極間電壓大于等于 250VAC 的高壓導體之間，以及高壓導體與非帶電金屬部分之間(這里不包括導線間)，無論在表面間還是在空間，均應有 0.1 英寸的距離;VDE 要求交流線之間有 3mm 的徐變或2mm 的凈空隙;IEC 要求：交流線間有 3mm 的凈空間隙及在交流線與接地導體間的 4mm 的凈空間隙。另外，VDE、IEC 要求在電源的輸出和輸入之間，至少有 8mm 的空間間距。

2) 電介質實驗測試方法(打高壓：輸入與輸出、輸入和地、輸入 AC 兩級之間)。

3) 漏電流測量。漏電流是流經(jīng)輸入側地線的電流，在開關電源中主要是通過靜噪濾波器的旁路電容器泄露電流。UL、CSA 均要求暴露的不帶電的金屬部分均應與大地相接，漏電流測量是通過將這些部分與大地之間接一個 1.5K歐的電阻，其漏電流應該不大于 5 毫安。VDE 允許：用 1.5K 歐的電阻與 150nP 電容并接。并施加 1.06 倍額定使用電壓，對數(shù)據(jù)處理設備，漏電流應不大于 3.5 毫安。一般是 1 毫安左右。

4) 絕緣電阻測試。

VDE 要求：輸入和低電壓輸出電路之間應有 7M 歐的電阻，在可接觸到的金屬部分和輸入之間，應有 2M 歐的電阻或加 500V 直流電壓持續(xù) 1 分鐘。

5) 印制電路板要求。要求是 UL 認證的 94V-2 材料或比此更好的材料。

2. 對電源變壓器結構的安全要求

1) 變壓器的絕緣。變壓器的繞組使用的銅線應為漆包線，其他金屬部分應涂有瓷、漆等絕緣物質。

2) 變壓器的介電強度。在實驗中不應出現(xiàn)絕緣層破裂和飛弧現(xiàn)象。

3) 變壓器的絕緣電阻。變壓器繞組間的絕緣電阻至少為 10M 歐，在繞組與磁心、骨架、屏蔽層間施加 500 伏直流電壓，持續(xù) 1 分鐘，不應出現(xiàn)擊穿、飛弧現(xiàn)象。

4) 變壓器濕度電阻。變壓器必須在放置于潮濕的環(huán)境之后，立即進行絕緣電阻和介電強度實驗，并滿足要求。潮濕環(huán)境一般是：相對濕度為 92%(公差為 2%)，溫度穩(wěn)定在 20 到 30 攝氏度之間，誤差允許 1%，需在內放置至少48 小時之后，立即進行上述實驗。此時變壓器的本身溫度不應該較進入潮濕環(huán)境之前測試高出 4 攝氏度。

5) VDE 關于變壓器溫度特性的要求。

6) UL、CSA 關于變壓器溫度特性的要求。

3.　功率因數(shù)校正要求

為減少開關電源對電網(wǎng)的污染，國際電工委員會和一些國家與地區(qū)推出了IEC1000-3-2和EN61000-3-2等標準，對電流諧波作出了限量規(guī)定。為滿足輸入電流諧波限制要求，最有效的技術手段就有源功率因數(shù)校正(有源PFC)。