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直流穩壓電源類型分析



摘要 :直流穩壓電源是指電子設備用的直流穩壓器一類。穩壓的方式可歸納為三大類:線性電源、鐵磁諧振電源、開關電源。而第一代線性電源和第三代新型開關電源使用的則最為廣泛,尤其是新型開關電源是現代直流穩壓電源的主流。 

  

關鍵詞 直流穩壓電源;線性電源;開關電源 


1.線性直流穩壓電源 

  

1)晶體管串聯式直流穩壓電源:晶體管串聯式直流穩壓電源工作在線性放大狀態,因而具有反應迅速,電壓穩定度和負載穩定度高,輸出紋波電壓小,噪聲小。在電路技術方面,其控制電路所用的元件少。對調整管的開關特性,濾波器的高頻性能等無特別要求,所以可靠性高。 

  

串聯式穩壓電源的嚴重缺點是效率低。要提高效率就必須降低調整管上的壓降,減少在調整管上的損耗。解決的辦法:①PNP和NPN晶體管互補:串聯式穩壓電源輸出電源電流較大時,通常調整管都要接成共集電極的達林頓組合管。因為在晶體管電參數相同情況下在保持電流放大倍數相等的情況下,互補連接的組合調整管的集射極壓降減少了,因而電源的效率得到提高;②偏置法:一般共集電極組合管集射間的壓降一定程度上取決偏置電流。采用偏置連接法當輸出電流一定時可以有效的提高電源效率;③開關穩壓器作前置予調節:在輸入-輸出電壓差比較大,輸出電流也比較大的場合,采用開關穩壓器作串聯式穩壓器的前置予調節也是提高電源效率的有效辦法。開關予調節還可以設置在電源變壓器的原邊。 

  

2)集成線性穩壓器發展:早期市場集成穩壓器的廠家很多,產量大、應用廣泛。主要有半導體單片式集成穩壓器和混合式集成穩壓器兩大類。它們的電路形式、封裝、電壓及電流的規格都是多種多樣的。集成穩壓器可分為定電壓的,可調的,跟蹤的和浮動的。但是不管哪一種形式,它們通常由基準電壓源,比較放大器,調整元件即功率晶體三極管和某種形式的限流電路組成。有些集成穩壓器內部還有邏輯關閉電路和熱截止電路。集成穩壓器與由分立元件組成的穩壓器比較,集成穩壓器的優點非常明顯,成本低,體積小,使用方便,性能好,可靠性高。 

  

3)恒流源網絡穩壓電源技術:采用恒流網絡穩壓是目前串聯穩壓電源的有一特點。采用恒流網絡可以有效地提高電源的穩定性。集成穩壓器中普遍采用了恒流網絡。分立元件組成的串聯穩壓器也愈來愈多地運用恒流技術。使用晶體管場效應管和恒流二極管等元件可以實現恒流。恒流二極管在分立元件的串聯穩壓器中使用更為方便。 


2. 開關直流穩壓電源 

  

開關式直流穩壓電源指其功率調整元件以“開”、“關”方式工作的一種直流穩壓電源。早期的磁放大器開關直流穩壓電源是利用鐵芯的“飽和”、“非飽和”兩種狀態進行“開”、“關”控制,那是一種低頻磁放大器。在此過程中出現的可控硅相控整流穩壓電源也屬于開關直流穩壓電源。隨后,高頻開關功率變換技術得到了快速發展,這主要是指變換器方式的高頻開關直流穩壓電源。上個世紀90年代電力電子技術、PWM等技術的日趨成熟,直流開關電源和交流開關電源已成為主導市場。電力電子技術是利用電力電子技術對電能進行控制和轉換的學科。它包括電力電子器件 、變流電路和控制電路三個部分,是電力、電子、控制三大電氣工程技術領域之間的交叉學科。隨著科學技術的發展,電力電子技術由于和現代控制理論、材料科學、電機工程、微電 子技術等許多領域密切相關,已逐步發展成為一門多學科相互滲透的綜合性技術學科。 

  

1)無工頻變壓器化:省掉工頻電源變壓器而采用直接從電網整流輸入方式是開關電源減少體積和重量的一個重要措施。無工頻變壓器化已成為當代先進開關電源的一個特點。無工頻變壓器的開關電源與各種有工頻變壓器的直流穩壓電源相比,其突出優點是體積小、重量、效率高。開關電源的電路形式已多種多樣了。就調制技術而言有脈寬調制型、頻率調制型、混合調制型,其中脈寬調制占絕大多數。目前出現了完全無變壓器的開關電源,即連高頻變換器都不需要。這種電源的最大特點是體積還可比現在的無工頻變壓器開關電源小的多,而且沒有繞制的變壓器這一類器件,可以集成電路工藝制作。 

  

2)開關電源高頻化:現代開關電源的一個顯著特點是開關頻率不斷提高,不管是晶體管開關電源、可控硅開關電源還是場效應管開關電源都是向高頻化方向發展。隨著功率IGBT和MOSFET的出現,開關電源的工作頻率已從早期典型的20KHz逐步提高到兆赫范圍甚至G赫范圍。

  

3)控制電路集成化:早期開關電源的控制電路是用分立元件構成的。這樣,電路設計復雜,調試維修麻煩,影響開關電源的推廣應用。為了適應開關電源的迅速發展,集成化的開關電源控制電路被研制成功,而且功能愈加完善。開關電源控制電路集成化,大大簡化了開關電源的設計,提高了開關電源的電性能和可靠性,而且體積小,降低成本。 

  

4)主要元器件高頻化:為了適應開關電源迅速發展的需要,開關電源所用的主要元器件的發展也很快,其主要目標是高頻化。開關電源中的開關元件-功率晶體管、可控硅和場效應管都在提高看工作頻率方面取得了成績。但是最引人注目的是功率管IGBT復合管,MOSFET場效應管的出現,它不僅開關頻率提高到1MHz-1GHz,而且開關特性好,所需驅動功率小,不存在二次就穿,能防止熱奔等特殊優點。另外大電流肖特基勢壘的出現大大改善了低電壓電流開關電源的整流效率,它具有開關速度快、反向恢復時間短,正向壓降地等優點。在濾波過程中,電容器等器件也要在材料、結構工藝諸方面進行研制,以適應開關電源高頻化的要求。 

  

5)全數字化控制:開關電源的控制已經由模擬控制,模數混合控制,進入到全數字控制階段。全數字控制是一個新的發展趨勢,已經在許多功率變換設備中得到應用。但是過去數字控制在DC/DC變換器中用得較少。近兩年來,開關電源的高性能全數字控制芯片已經開發,費用也已降到比較合理的水平,歐美已有多家公司開發并制造出開關變換器的數字控制芯片及軟件。全數字控制的優點是:數字信號與混合模數信號相比可以標定更小的量,芯片價格也更低廉;對電流檢測誤差可以進行精確的數字校正,電壓檢測也更精確;可以實現快速,靈活的控制設計。 




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