任务一 开关电源的概述

学习目标

◆ 掌握开关电源的概念。

◆ 了解开关电源的分类。

◆ 理解开关电源的结构框图。

一、开关电源概念的引入

借助于实际生活中的例子——笔记本计算机的电源适配器（见图1-1）来阐述开关电源的作用，即为什么要用适配器，笔记本计算机才能工作。

如果用电池给计算机供电，供电的时间是有限的，电池电量用完了，计算机就不能工作了，怎么办？——适配器的作用之一：给电池充电。适配器的输入电压为AC 220V，而电池电压为DC 20V，也就是AC 220V经过适配器变换得到DC 20V之后才能给电池充电。

如果不用电池给计算机供电，直接用适配器给计算机供电，那么AC 220V经过适配器变换得到DC 20V，才能给笔记本计算机供电。若计算机工作需要消耗65W（输出20V/3.25A）的能量，假设整个电路的效率为85%，那么输入端就需要75W的能量。适配器的作用之二：把交流AC 220V变换成计算机工作时需要的直流电压20V和传递能量。

二、开关电源的定义

如果采用一般的电源，如市电、干电池或者蓄电池作为原始电源，通常不能直接为设备供电，也就是设备工作时需要的电压与原始电源电压不同，因此原始电源必须经过转换才能达到用电设备所需要的电压，其功率变换的结构框图如图1-2所示。

广义地说，凡是采用半导体功率器件作为开关管，通过对开关管的高频开通与关断控制，将一种电能形态转换成为另一种电能形态的装置，叫作开关变换器。以开关变换器为主要组成部分，利用闭环自动控制稳定输出电压，并在电路中加入保护环节的电源，叫作开关电源（Switching Mode Power Supply，SMPS）。如果用直流-直流（DC-DC）变换器作为开关电源的开关变换器时，称为直流开关电源。也就是说DC-DC变换器是开关电源转换的核心，是开关电源主电路的主要组成部分。

三、开关电源的分类

开关电源是现代电子电器和电子设备（如电视机、VCD、计算机、测试仪器、生物医学仪器等）的心脏和动力。现代开关电源分为直流开关电源和交流开关电源，前者输出质量较高的直流电，后者输出质量较高的交流电。开关电源的核心是电力电子变换器。电力电子变换器是利用电力电子器件将一种电能转变为另一种或多种形式电能的装置，按转换电能的种类，可分为四种类型：①直流-直流（DC-DC）变换器，它是将一种直流电能转换成另一种或多种直流电能的变换器，是直流开关电源的主要部件；②逆变器（DC-AC），是将直流电转换为交流电的电能变换器，是交流开关电源和不间断电源UPS的主要部件；③整流器（AC-DC），是将交流电转换为一种或者多种直流电的电能变换器，又称为离线式变换器；④交-交（AC-AC）变频器，是将一种频率的交流电直接转换为另一种恒定频率或可变频率的交流电，或是将变频交流电直接转换为恒频交流电的电能变换器。这四类变换器可以是单向变换的，也可以是双向变换的。单向电能变换器只能使电能从输入端流向输出端；双向电能变换器可实现电能的双向流动。

四、直流开关电源的结构框图

直流开关电源按照输入和输出之间是否采用电气隔离措施，可分为两大类：①非隔离式直流开关电源；②隔离式直流开关电源。非隔离式直流开关电源基本电路结构框图如图1-3a所示；隔离式直流开关电源基本电路结构框图如图1-3b所示。在设计时可以根据不同的使用场合和使用要求，选用不同的DC-DC变换器。

直流开关电源基本电路结构框图，由以下部分组成：一是市电输入整流滤波电路，其作用是将市电输入的交流电压V_ac转换成纹波较小的直流电压V_dc；二是开关电源的核心部分DC-DC变换器，其作用是将市电输入电压经过整流滤波后的直流电压V_dc，进行PWM控制和DC-DC转换，得到另一种数值的直流稳定电压V_o；三是检测控制电路，其作用是通过R₁和R₂组成的分压器检测输出电压V_o，将V_o与参考电压V_ref比较，放大后得到误差值V_ea，再将V_ea通过PWM比较器与锯齿波电压进行比较，得到PWM矩形波脉冲列（如果是隔离式变换器，V_ea须经过光耦隔离后，通过PWM比较器与锯齿波电压进行比较，得到PWM矩形波脉冲列），此脉冲列通过控制器并以负反馈的方式对DC-DC变换器进行PWM控制，将V_dc转换成另一种数值的直流稳定电压V_o，达到稳定输出电压的目的；四是开关电源的保护电路（在图1-3中未画出来），其作用是保护开关电源能够安全稳定地工作。