以通断代替持续耗散
开关电源,英文 switched-mode power supply,简称SMPS,是以功率半导体器件的开关状态控制能量传递的电源。它不是仅有一个机械开关的电源,也不是某一种固定的输入输出电压。降压、升压、反相及反激等结构都可采用开关方式,实现不同的电能变换。
线性降压稳压器让串联调整器件承担输入与输出间的电压差,主要耗散约为这个差值乘以负载电流。开关器件则力求在导通时压降低、关断时电流小,避免长期同时承受较大电压和电流。不过真实器件仍有导通电阻、开关过渡及驱动损耗,“开关”不意味着没有发热。
降压电路怎样连续供电
典型非同步降压变换器由受控开关、电感、续流二极管和输出电容等组成。开关导通时,输入通过电感向输出供能,电感电流上升;开关关断后,电感电流不能瞬间消失,便经续流二极管继续流向负载,同时逐渐下降。电容承接电感电流与负载电流之间的差额,减小输出电压变化。
因此,输出并非把输入简单切成有电、无电两段。电感与电容使脉动能量转换为较平稳的供电。同步降压结构用受控晶体管代替主要续流二极管,以降低某些工作条件下的导通损耗,但需要协调开关时序。电感电流在整个周期中不降到零,称为连续导通;轻载时也可能进入断续导通。
占空比只是模型中的一环
占空比是开关导通时间除以开关周期。理想降压电路在稳态连续导通条件下,平均输出电压等于输入电压乘以占空比。例如12伏输入、占空比四分之一,对应理想3伏输出。这来自一个周期内电感电压的伏秒平衡,而不是能量凭空损失了四分之三。
真实器件的压降、绕组电阻和工作模式会改变关系,不能只套理想比例便认定实际输出。稳压电源通常还测量输出,并与参考量比较,调节占空比或其他开关参数。以电压模式控制为例,输出偏高时减小占空比,使输出回落。反馈必须兼顾动态响应和稳定性,负载突变时输出仍可能短暂偏离目标。
效率、干扰与隔离边界
开关动作会带来电流纹波和高频干扰,输出滤波及电路布局因而不可省略。提高开关频率可减小某些储能元件,却往往增加开关损耗;增大滤波元件也涉及体积、成本和响应速度。选择电源要依据输入范围、负载变化、允许纹波和散热条件,不能只比较一个标称效率。
开关方式与电气隔离是两件事。普通降压结构并不因为高频开关就把输入、输出隔离;带独立绕组的反激等结构可以实现隔离,反馈通道也须保持隔离屏障。反过来,开关电源并非总比线性稳压器合适:压差小、负载轻或特别重视低噪声时,线性方案仍可能有优势。