简述开关电源和线性电源的区别

发布时间：2022-08-23 09:57
作者：Ameya360
来源：网络
阅读量：3286

    开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，为用电器提供所需要的稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制器和MOSFET构成。开关电源是一个系统。目前，开关电源由于其体积小，重量轻和效率高而被广泛用于几乎所有电子设备中，它是当今电子信息产业快速发展必不可少的电源方法。

简述开关电源和线性电源的区别

    普通电源通常是指线性电源，线性电源是指稳压管以线性状态工作的电源。开关电源是一种相对较新的电源。它具有效率高，重量轻，电压升高和降低以及输出功率高的优点。但是由于电路工作在开关状态，所以噪声比较大。由于变压器铁心的大小与开关电源的工作频率的平方成反比，因此频率越高，铁心越小。这样，可以大大减小变压器，并且可以减小电源的重量和体积。并且由于它直接控制直流电，因此电源的效率比线性电源的效率高得多。

    对比开关电源和线性电源的区别，简单来说，线性电源的调压可以看成调阻值，相当于通过调节滑动变阻器使电压发生改变，而开关电源是通过调节开关的频率使得电压发生变化。同时，开关电源与线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，只是二者增长速率各异。

    1、线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。

    因此，随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术不断突破与创新，这一个成本问题，反而让开关电源技术向低输出电力端移动，为开关电源提供了广泛的发展空间。

    2、电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代后计算机全面实现开关电源化，到90年代开关电源相继进入各种电子、电器领域。

    3、短短的十年之间，开关电源技术迅速占领电力电子设备的核心地位，难道这仅仅是因为开关电源体积小的?

    其实从开关电源的原理图可以了解到：它没有采用笨重的工频变压器，同时因为调整管上的耗散功率大幅度降低，从而省去较大的散热片。这使得开关电源的体积变小，重量轻。但是，开关电源最大优点是——功耗小，效率高。在开关电源电路中，晶体管在激励信号的激励下，它不断重复‘导通’‘截至’的开关状态，转换速度极快，频率在50HZ只有，使得电源效率大大的提高。

    4、开关电源稳压范围宽。从开关电源的输出电压是有激励信号的占空比来调节的，输入信号信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿。这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压。所以，开关电源技术的快速成为电力电子设备中一份子，不无无道理。

    5、开关电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz，是线性稳压电源的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍;即使采用半波整流后加电容滤波，效率也提高了500倍。在相同的纹波输出电压下，采用开关电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容的1/500~1/1000。

    开关电源相对于线性电源。输入端将交流电直接整流成直流电，然后在高频振荡电路的作用下，利用开关管控制电流的通断，形成高频脉冲电流。借助电感器（高频变压器），可以输出稳定的低压直流电。开关管在两种状态下工作：导通电阻很小；截止电阻很高。开关电源通常由脉宽调制（PWM）控制IC和MOSFET组成。随着电力电子技术的发展与创新，电流开关电源由于其体积小，重量轻，效率高等优点，已在几乎所有电子设备中得到广泛应用。

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　　通信开关电源在现代通信系统中扮演着至关重要的角色，但是在使用过程中常常会遇到电磁兼容性故障，这些故障可能会导致通信中断、数据丢失或设备损坏等严重后果。因此，了解常见的通信开关电源电磁兼容性故障及其维修方法对于保障通信系统的稳定运行至关重要。本文AMEYA360电子元器件采购网将介绍几种常见的故障类型，并提供相应的维修方法，希望能够为读者解决相关问题提供参考。　　一、通信开关电源电磁兼容性故障的分类　　通信开关电源电磁兼容性故障主要分为两类：传导故障和辐射故障。传导故障是指设备通过电源线、接地线等传输线将电磁干扰信号传输到电源和信号线路上，导致其他设备出现异常。辐射故障是指设备内部电磁干扰信号通过空间辐射的形式影响其他设备。　　通信开关电源的电磁兼容性测试主要包括以下几个方面：　　1. 传导测试：测试通信开关电源通过电源线、信号线等传输线传导的电磁干扰信号。这种测试主要用来评估电源和信号线路对外部电磁干扰信号的抗干扰能力。　　2. 辐射测试：测试通信开关电源通过空间辐射的电磁干扰信号。这种测试主要用来评估设备对外部电磁环境的干扰程度。　　3. 静电测试：测试通信开关电源对静电的抗干扰能力。静电是一种常见的电磁干扰源，对电子设备的影响较大，因此需要对设备进行静电测试。　　4. 雷击测试：测试通信开关电源对雷击的抗干扰能力。雷击是一种强电磁干扰源，对设备的危害较大，因此需要对设备进行雷击测试。　　5. 电磁脉冲测试：测试通信开关电源对电磁脉冲的抗干扰能力。电磁脉冲是一种强电磁干扰源，主要来自于核爆炸、雷电等自然现象，对设备的危害较大，因此需要进行电磁脉冲测试。　　在进行通信开关电源电磁兼容性测试时，需要使用专业的电磁兼容测试仪器和设备，按照相关标准和规范进行测试，并记录测试数据和结果。根据测试结果，可以对通信开关电源的电磁兼容性进行评估和改进，提高设备的可靠性和稳定性。　　二、常见故障及原因分析　　电源线传导发射超标　　电源线传导发射超标是通信开关电源电磁兼容性故障中最常见的问题之一。主要原因是电源线在传输电能时，会同时传输噪声和干扰信号，导致电源线传导发射超标。此外，电源线设计不良、屏蔽效果差、接线端子松动等问题也可能导致传导发射超标。　　辐射骚扰超标　　辐射骚扰超标是通信开关电源电磁兼容性故障中的另一个常见问题。主要原因是设备内部电路设计不合理、布局不规范、屏蔽不严密等导致电磁干扰信号外泄。此外，设备外部的磁场和电场也可能对设备产生影响，导致辐射骚扰超标。　　三、维修方法　　针对以上常见故障，可以采取以下维修方法：　　检查电源线是否完好，如有破损或老化现象，应及时更换;检查接线端子是否松动，如有问题应及时紧固。　　检查设备的屏蔽效果是否良好，如有问题应及时修复。可以采取加装屏蔽网、更换屏蔽材料等方式提高设备的屏蔽效果。　　检查设备内部的电路设计和布局是否规范，如有问题应及时调整。可以优化电路设计、改善布局等方式提高设备的电磁兼容性。　　使用专业的电磁兼容测试仪器对设备进行测试，找出故障的具体原因，并根据原因采取相应的维修措施。　　对于辐射骚扰超标的问题，可以采取增加吸收材料、优化设备外部的磁场和电场等方式进行维修。　　通过了解常见的故障类型及其维修方法，我们可以更好地保障通信系统的稳定运行，避免不必要的损失和影响。因此，在日常维护和管理通信系统时，我们需要密切关注通信开关电源的运行状况，及时发现和解决问题。
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8种开关电源MOS管的工作损耗计算

　　MOSFET 的工作损耗基本可分为如下几部分：　　1、导通损耗Pon　　导通损耗,指在 MOSFET 完全开启后负载电流(即漏源电流) IDS(on)(t) 在导通电阻 RDS(on) 上产生之压降造成的损耗。　　导通损耗计算：　　先通过计算得到 IDS(on)(t) 函数表达式并算出其有效值 IDS(on)rms ，再通过如下电阻损耗计算式计算：　　Pon=IDS(on)rms2 × RDS(on) × K × Don　　说明：　　计算 IDS(on)rms 时使用的时期仅是导通时间 Ton ，而不是整个工作周期 Ts ;RDS(on)会随 IDS(on)(t) 值和器件结点温度不同而有所不同，此时的原则是根据规格书查找尽量靠近预计工作条件下的 RDS(on) 值(即乘以规格书提供的一个温度系数 K )。　　2、截止损耗Poff　　截止损耗，指在 MOSFET 完全截止后在漏源电压 VDS(off) 应力下产生的漏电流 IDSS 造成的损耗。　　截止损耗计算：　　先通过计算得到 MOSFET 截止时所承受的漏源电压 VDS(off) ，在查找器件规格书提供之 IDSS ，再通过如下公式计算：　　Poff=VDS(off) × IDSS ×( 1-Don )　　说明：　　IDSS 会依 VDS(off) 变化而变化，而规格书提供的此值是在一近似 V(BR)DSS 条件下的参数。如计算得到的漏源电压 VDS(off) 很大以至接近 V(BR)DSS 则可直接引用此值，如很小，则可取零值，即忽略此项。　　3、开启过程损耗　　开启过程损耗，指在 MOSFET 开启过程中逐渐下降的漏源电压 VDS(off_on)(t) 与逐渐上升的负载电流(即漏源电流) IDS(off_on)(t) 交叉重叠部分造成的损耗。　　开启过程损耗计算：　　开启过程 VDS(off_on)(t) 与 IDS(off_on)(t) 交叉波形如上图所示。首先须计算或预计得到开启时刻前之 VDS(off_end) 、开启完成后的 IDS(on_beginning) 即图示之 Ip1 ，以及 VDS(off_on)(t) 与 IDS(off_on)(t) 重叠时间 Tx 。然后再通过如下公式计算：　　Poff_on= fs ×∫ Tx VDS(off_on)(t) × ID(off_on)(t) × dt　　实际计算中主要有两种假设 — 图 (A) 那种假设认为 VDS(off_on)(t) 的开始下降与 ID(off_on)(t) 的逐渐上升同时发生;图 (B) 那种假设认为 VDS(off_on)(t) 的下降是从 ID(off_on)(t) 上升到最大值后才开始。图 (C) 是 FLYBACK 架构路中一 MOSFET 实际测试到的波形，其更接近于 (A) 类假设。针对这两种假设延伸出两种计算公式：　　(A) 类假设 Poff_on=1/6 × VDS(off_end) × Ip1 × tr × fs　　(B) 类假设 Poff_on=1/2 × VDS(off_end) × Ip1 × (td(on)+tr) × fs　　(B) 类假设可作为最恶劣模式的计算值。　　说明：　　图 (C) 的实际测试到波形可以看到开启完成后的 IDS(on_beginning)>>Ip1 (电源使用中 Ip1 参数往往是激磁电流的 初始值)。叠加的电流波峰确切数值我们难以预计得到，其 跟电路架构和器件参数有关。例如 FLYBACK 中 实际电流应是 Itotal=Idp1+Ia+Ib (Ia 为次级端整流二极管的反向恢 复电流感应回初极的电流值 -- 即乘以匝比， Ib 为变压器 初级侧绕组层间寄生电容在 MOSFET 开关开通瞬间释放的 电流 ) 。这个难以预计的数值也是造成此部分计算误差的 主要原因之一。　　4、关断过程损耗　　关断过程损耗。指在 MOSFET 关断过程中 逐渐上升的漏源电压 VDS(on_off) (t) 与逐渐 下降的漏源电流 IDS(on_off)(t) 的交叉重 叠部分造成的损耗。　　关断过程损耗计算：　　如上图所示，此部分损耗计算原理及方法跟 Poff_on 类似。首先须计算或预计得到关断完成后之漏源电压 VDS(off_beginning) 、关断时刻前的负载电流 IDS(on_end) 即图示之 Ip2 以及 VDS(on_off) (t) 与 IDS(on_off)(t) 重叠时间 Tx 。　　然后再通过 如下公式计算：　　Poff_on= fs ×∫ Tx VDS(on_off) (t) × IDS(on_off)(t) × dt　　实际计算中，针对这两种假设延伸出两个计算公式：　　(A) 类假设 Poff_on=1/6 × VDS(off_beginning) × Ip2 × tf × fs　　(B) 类假设 Poff_on=1/2 × VDS(off_beginning) × Ip2 × (td(off)+tf) × fs　　(B) 类假设可作为最恶劣模式的计算值。　　说明：　　IDS(on_end) =Ip2 ，电源使用中这一参数往往是激磁电流 的末端值。因漏感等因素， MOSFET 在关断完成后之 VDS(off_beginning) 往往都有一个很大的电压尖峰 Vspike 叠加其 上，此值可大致按经验估算。　　5、驱动损耗Pgs　　驱动损耗，指栅极接受驱动电源进行驱动造成之损耗　　驱动损耗的计算：　　确定驱动电源电压 Vgs 后，可通过如下公式进行计算：　　Pgs= Vgs × Qg × fs　　说明：　　Qg 为总驱动电量，可通过器件规格书查找得到。　　6、Coss电容的泄放损耗Pds　　Coss电容的泄放损耗,指MOS输出电容 Coss 截止期间储蓄的电场能于导同期间在漏源极上的泄放损耗。　　Coss电容的泄放损耗计算：　　首先须计算或预计得到开启时刻前之 VDS ，再通过如下公式进行计算：　　Pds=1/2 × VDS(off_end)2 × Coss × fs　　说明：　　Coss 为 MOSFET 输出电容，一般可等于 Cds ，此值可通过器件规格书查找得到。　　7、体内寄生二极管正向导通损耗Pd_f　　体内寄生二极管正向导通损耗,指MOS体内寄生二极管在承载正向电流时因正向压降造成的损耗。　　体内寄生二极管正向导通损耗计算：　　在一些利用体内寄生二极管进行载流的应用中(例如同步整流)，需要对此部分之损耗进行计算。公式如下：　　Pd_f = IF × VDF × tx × fs　　其中：IF 为二极管承载的电流量， VDF 为二极管正向导通压降， tx 为一周期内二极管承载电流的时间。　　说明：　　会因器件结温及承载的电流大小不同而不同。可根据实际应用环境在其规格书上查找到尽量接近之数值。　　8、体内寄生二极管反向恢复损耗Pd_recover　　体内寄生二极管反向恢复损耗，指MOS体内寄生二极管在承载正向电流后因反向压致使的反向恢复造成的损耗。　　体内寄生二极管反向恢复损耗计算：　　这一损耗原理及计算方法与普通二极管的反向恢复损耗一样。公式如下：　　Pd_recover=VDR × Qrr × fs　　其中：VDR 为二极管反向压降， Qrr 为二极管反向恢复电量，由器件提供之规格书中查找而得。　　MOS设计选型的几个基本原则　　建议初选之基本步骤：　　1、电压应力　　在电源电路应用中，往往首先考虑漏源电压 VDS 的选择。在此上的基本原则为 MOSFET 实际工作环境中的最大峰值漏源极间的电压不大于器件规格书中标称漏源击穿电压的 90% 。即：　　VDS_peak ≤ 90% * V(BR)DSS　　注：一般地， V(BR)DSS 具有正温度系数。故应取设备最低工作温度条件下之 V(BR)DSS值作为参考。　　2、漏极电流　　其次考虑漏极电流的选择。基本原则为 MOSFET 实际工作环境中的最大周期漏极电流不大于规格书中标称最大漏源电流的 90% ;漏极脉冲电流峰值不大于规格书中标称漏极脉冲电流峰值的 90% 即：　　ID_max ≤ 90% * ID　　ID_pulse ≤ 90% * IDP　　注：一般地， ID_max 及 ID_pulse 具有负温度系数，故应取器件在最大结温条件下之 ID_max 及 ID_pulse 值作为参考。器件此参数的选择是极为不确定的—主要是受工作环境，散热技术，器件其它参数(如导通电阻，热阻等)等相互制约影响所致。最终的判定依据是结点温度(即如下第六条之“耗散功率约束”)。根据经验，在实际应用中规格书目中之 ID 会比实际最大工作电流大数倍，这是因为散耗功率及温升之限制约束。在初选计算时期还须根据下面第六条的散耗功率约束不断调整此参数。建议初选于 3~5 倍左右 ID = (3~5)*ID_max。　　3、驱动要求　　MOSFEF 的驱动要求由其栅极总充电电量( Qg )参数决定。在满足其它参数要求的情况下，尽量选择 Qg 小者以便驱动电路的设计。驱动电压选择在保证远离最大栅源电压( VGSS )前提下使 Ron 尽量小的电压值(一般使用器件规格书中的建议值)　　4、损耗及散热　　小的 Ron 值有利于减小导通期间损耗，小的 Rth 值可减小温度差(同样耗散功率条件下)，故有利于散热。　　5、损耗功率初算　　MOSFET 损耗计算主要包含如下 8 个部分：　　PD = Pon + Poff + Poff_on + Pon_off + Pds + Pgs+Pd_f+Pd_recover　　详细计算公式应根据具体电路及工作条件而定。例如在同步整流的应用场合，还要考虑体内二极管正向导通期间的损耗和转向截止时的反向恢复损耗。损耗计算可参考下文的“MOS管损耗的8个组成部分”部分。　　6、耗散功率约束　　器件稳态损耗功率 PD,max 应以器件最大工作结温度限制作为考量依据。如能够预先知道器件工作环境温度，则可以按如下方法估算出最大的耗散功率：　　PD,max ≤ ( Tj,max - Tamb ) / Rθj-a　　其中 Rθj-a 是器件结点到其工作环境之间的总热阻 , 包括 Rθjuntion-case,Rθcase-sink,Rθsink-ambiance 等。如其间还有绝缘材料还须将其热阻考虑进去。
2023-08-14 15:25 阅读量：2458
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