開關模式電源 (SMPS) 如何工作?

開關模式電源 (SMPS) 如何工作?

開關模式電源 (SMPS) 如何工作?

正在尋找可以將功率從 AC 或 DC 轉換為一個或多個 DC 級別的電源?那么您需要一個開關模式電源。以下是其工作原理。

通常稱為“轉換開關”,這些設備每秒數次打開和關閉其電源。這種開關操作產生一個有效的輸入頻率,并且通常達到兆赫范圍。

什么是“開關模式”?

開關電源中的“開關”其實是一個半導體(一個要么關閉要么打開的 MOSFET),該半導體被驅動進入飽和范圍,在幾乎零電阻下轉換功率。它每秒做幾千次這種轉換,產生高頻 AC 介質。由于該半導體已被驅動進入飽和,所以它幾乎沒有任何阻力,實現了高效率和極少的熱量生成。另一方面,還有一種線性電源,它之所以得名,是因為其整流器在線性范圍內工作。這意味著,當它們傳導功率時,要抵抗電阻傳導,過程中必不可少伴隨有功率浪費和熱量產生。

無論該半導體在什么頻率下開關,兩次“開”脈沖開始間隔的時間都被定義為開關周期。“開”時間占開關周期的一小部分,稱為工作周期。通過改變工作周期,可以控制輸出電壓。改變“the fly”上的工作周期可保持目標電壓。

開關電源 (SMPS) 有哪些優點?

高效率 – 產生熱量很少。低功耗元器件通常不需要隔熱罩,這意味著可以直接將它們安裝在 PCB 上。

緊湊外形 – 由于轉換開關在較高的頻率下工作,所以其與濾波電容器和電感器相關的值和大小將減小,整個元器件將占用更少的空間。

多功能設計 – 根據應用的要求,可以將轉換開關設計為升壓 (Boost) 或降壓 (Buck) 。

開關模式電源設計

術語

通常用全磚、半磚和四分之一磚這種術語來描述轉換開關。全磚的尺寸為 4.6 x 2.4 x 0.5,半磚為 2.3 x 2.4 x 0.35,四分之一磚為 2.3 x 1.45 x 0.35,均以英寸為單位。這些定義雖然被廣泛接受,但未得到一致遵守。規范還包括引腳。所以當使用符合標準的轉換開關時,如果設計人員需要或選擇替換產品,就很容易做到。更新型號的四分之一磚電源可以提供 250 瓦特和更高的電功率。相比之前功率需要的空間量,這可謂一大進步,騰出的空間可用來在產品設計中包括更多的功能。

構建

描述轉換開關物理學的方程式看似簡單。處理安培(跟大多數電氣工程師通常處理微安時相反)的現實情況會導致延遲,增加費用,甚至產品徹底出現故障。所以,轉換開關設計最好還是留給電源專家去做,即,這種情況下買總比自己去構建要強。

工程師在設計開關電源時有兩個主要選擇。第一個是單一電源,為需要供電的系統生成所需的所有電壓。第二個涉及到一個與外部 AC 連接的元器件,但只有一個 DC 輸出,通常為 12、24 或 48 伏。在此情形下,主電源產生的電壓最高,即是需要的電壓。如果系統中某處需要一個較低的電壓,則可利用 buck 轉換器來完成所需的 DC 到 DC 向下轉換。

buck 轉換器極其高效,功率損失只有5%,甚至更低。它們有時也被描述為開關穩壓器。buck轉換器在某種意義上類似所有轉換開關,其中心是一個半導體開關,每秒數千次或更多次地開關源電壓。

由于其設計上的優勢,開關電源已迅速成為除最嚴格技術性應用之外所有應用的標準。設計工作一直在向更高效、小型、輕量的方向不斷邁進。正在尋找更多電源技巧?我們的開關直流到直流轉換器頂級類型有更深入的介紹。另外,您還可以查看何時使用不間斷電源以及如何選擇合適的交流到直流解決方案。

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