*pilz皮爾茲開關電源工作中的用途與類型

開關電源是利用現代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOSFET構成。隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關電源技術也在不斷地創(chuàng)新。目前，開關電源以小型、輕量和率的特點被廣泛應用幾乎所有的電子設備，是當今電子信息產業(yè)飛速發(fā)展*的一種電源方式。

開關電源主要用途

開關電源產品廣泛應用于工業(yè)自動化控制、軍工設備、科研設備、LED照明、工控設備、通訊設備、電力設備、儀器儀表、醫(yī)療設備、半導體制冷制熱、空氣凈化器，電子冰箱，液晶顯示器，LED燈具，通訊設備，視聽產品，安防監(jiān)控，LED燈帶，電腦機箱，數碼產品和儀器類等領域。

開關電源主要類型

現代開關電源有兩種：一種是直流開關電源；另一種是交流開關電源。

這里主要介紹的只是直流開關電源，其功能是將電能質量較差的原生態(tài)電源（粗電），如市電電源或蓄電池電源，轉換成滿足設備要求的質量較高的直流電壓（精電）。直流開關電源的核心是DC/DC轉換器。因此直流開關電源的分類是依賴DC/DC轉換器分類的。也就是說，直流開關電源的分類與轉換器的分類是基本相同的，轉換器的分類基本上就是直流開關電源的分類。

直流轉換器按輸入與輸出之間是否有電氣隔離可以分為兩類：一類是有隔離的稱為隔離式轉換器；另一類是沒有隔離的稱為非隔離式轉換器。

隔離式轉換器也可以按有源功率器件的個數來分類。單管的轉換器有正激式和反激式兩種。雙管轉換器有雙管正激式，雙管反激式推挽式和半橋式四種。四管轉換器就是全橋轉換器。

非隔離式轉換器，按有源功率器件的個數，可以分為單管、雙管和四管三類。

單管轉換器共有六種，即降壓式（Buck）轉換器，升壓式（Boost）轉換器、升壓降壓式（BuckBoost）轉換器、Cuk轉換器、Zeta轉換器和SEPIC轉換器。在這六種單管轉換器中，Buck和Boost式轉換器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式轉換器是從中派生出來的。雙管轉換器有雙管串接的升壓式（Buck-Boost）轉換器。四管轉換器常用的是全橋轉換器（Full-BridgeConverter）。

隔離式轉換器在實現輸出與輸入電氣隔離時，通常采用變壓器來實現，由于變壓器具有變壓的功能，所以有利于擴大轉換器的輸出應用范圍，也便于實現不同電壓的多路輸出，或相同電壓的多種輸出。

在功率開關管的電壓和電流定額相同時，轉換器的輸出功率通常與所用開關管的數量成正比。所以開關管數越多，轉換器的輸出功率越大，四管式比兩管式輸出功率大一倍，單管式輸出功率只有四管式的。

非隔離式轉換器與隔離式轉換器的組合，可以得到單個轉換器所不具備的一些特性。

按能量的傳輸來分，轉換器有單向傳輸和雙向傳輸兩種。具有雙向傳輸功能的轉換器，既可以從電源側向負載側傳輸功率，也可以從負載側向電源側傳輸功率。

轉換器也可以分為自激式和他控式。借助轉換器本身的正反饋信號實現開關管自持周期性開關的轉換器，叫做自激式轉換器，如洛耶爾轉換器就是一種典型的推挽自激式轉換器。他控式轉換器中的開關器件控制信號，是由外部專門的控制電路產生的。

開關電源基本組成

開關電源大致由主電路、控制電路、檢測電路、輔助電源四大部份組成。

1、主電路

沖擊電流限幅：限制接通電源瞬間輸入側的沖擊電流。

輸入濾波器：其作用是過濾電網存在的雜波及阻礙本機產生的雜波反饋回電網。

整流與濾波：將電網交流電源直接整流為較平滑的直流電。

逆變：將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開關電源的核心部分。

輸出整流與濾波：根據負載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。

2、控制電路

一方面從輸出端取樣，與設定值進行比較，然后去控制逆變器，改變其脈寬或脈頻，使輸出穩(wěn)定，另一方面，根據測試電路提供的數據，經保護電路鑒別，提供控制電路對電源進行各種保護措施。

3、檢測電路

提供保護電路中正在運行中各種參數和各種儀表數據。

4、輔助電源

實現電源的軟件（遠程）啟動，為保護電路和控制電路（PWM等芯片）工作供電。

主要分類

人們在開關電源技術領域是邊開發(fā)相關電力電子器件，邊開發(fā)開關變頻技術，兩者相互促進推動著開關電源每年以超過兩位數字的增長率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開關電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類。

微型低功率開關電源

開關電源正在走向大眾化，微型化。開關電源將逐步取代變壓器在生活中的所有應用，低功率微型開關電源的應用要首先體現在，數顯表、智能電表、手機充電器等方面?，F階段國家在大力推廣智能電網建設，對電能表的要求大幅提高，開關電源將逐步取代變壓器在電能表上面的應用。

反轉式串聯開關電源

反轉式串聯開關電源與一般串聯式開關電源的區(qū)別是，這種反轉式串聯開關電源輸出的電壓是負電壓，正好與一般串聯式開關電源輸出的正電壓極性相反；并且由于儲能電感L只在開關K關斷時才向負載輸出電流，因此，在相同條件下，反轉式串聯開關電源輸出的電流比串聯式開關電源輸出的電流小一倍。

開關電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關電源小型化，并使開關電源進入更廣泛的應用領域，特別是在優(yōu)良領域的應用，推動了開關電源的發(fā)展前進，每年以超過兩位數字的增長率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開關電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類，DC/DC變換器現已實現模塊化，且設計技術及生產工藝在國內外均已成熟和標準化，并已得到用戶的認可，但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進程中，遇到較為復雜的技術和工藝制造問題。另外，開關電源的發(fā)展與應用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。

開關電源中應用的電力電子器件主要為二極管、IGBT和MOSFET、變壓器。

SCR在開關電源輸入整流電路及軟啟動電路中有少量應用，GTR驅動困難，開關頻率低，逐漸被IGBT和MOSFET取代。

開關電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。

由于開關電源輕、小、薄的關鍵技術是高頻化，因此國外各大開關電源制造商都致力于同步開發(fā)新型高智能化的元器件，特別是改善二次整流器件的損耗，并在功率鐵氧體材料上加大科技創(chuàng)新，以提高在高頻率和較大磁通密度（Bs)下獲得高的磁性能，而電容器的小型化也是一項關鍵技術。SMT技術的應用使得開關電源取得了長足的進展，在電路板兩面布置元器件，以確保開關電源的輕、小、薄。開關電源的高頻化就必然對傳統(tǒng)的PWM開關技術進行創(chuàng)新，實現ZVS、ZCS的軟開關技術已成為開關電源的主流技術，并大幅提高了開關電源的工作效率。對于高可靠性指標，美國的開關電源生產商通過降低運行電流，降低結溫等措施以減少器件的應力，使得產品的可靠性大大提高。

模塊化是開關電源發(fā)展的總體趨勢，可以采用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng)，可以設計成N+1冗余電源系統(tǒng)，并實現并聯方式的容量擴展。針對開關電源運行噪聲大這一缺點，若單獨追求高頻化其噪聲也必將隨著增大，而采用部分諧振轉換電路技術，在理論上即可實現高頻化又可降低噪聲，但部分諧振轉換技術的實際應用仍存在著技術問題，故仍需在這一領域開展大量的工作，以使得該項技術得以實用化。

電力電子技術的不斷創(chuàng)新，使開關電源產業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。要加快我國開關電源產業(yè)的發(fā)展速度，就必須走技術創(chuàng)新之路，走出有中國特色的產學研聯合發(fā)展之路，為我國國民經濟的高速發(fā)展做出貢獻。

開關電源工作條件

1、開關：電力電子器件工作在開關狀態(tài)而不是線性狀態(tài)

2、高頻：電力電子器件工作在高頻而不是接近工頻的低頻

3、直流：開關電源輸出的是直流而不是交流

開關電源工作原理

開關電源的工作過程相當容易理解，在線性電源中，讓功率晶體管工作在線性模式，與線性電源不同的是，PWM開關電源是讓功率晶體管工作在導通和關斷的狀態(tài)，在這兩種狀態(tài)中，加在功率晶體管上的伏-安乘積是很小的（在導通時，電壓低，電流大；關斷時，電壓高，電流?。?功率器件上的伏安乘積就是功率半導體器件上所產生的損耗。

與線性電源相比，PWM開關電源更為有效的工作過程是通過“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實現的。

脈沖的占空比由開關電源的控制器來調節(jié)。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過變壓器來升高或降低。通過增加變壓器的二次繞組數就可以增加輸出的電壓值。后這些交流波形經過整流濾波后就得到直流輸出電壓。

控制器的主要目的是保持輸出電壓穩(wěn)定，其工作過程與線性形式的控制器很類似。也就是說控制器的功能塊、電壓參考和誤差放大器，可以設計成與線性調節(jié)器相同。他們的不同之處在于，誤差放大器的輸出（誤差電壓）在驅動功率管之前要經過一個電壓/脈沖寬度轉換單元。

開關電源有兩種主要的工作方式：正激式變換和升壓式變換。盡管它們各部分的布置差別很小，但是工作過程相差很大，在特定的應用場合下各有優(yōu)點。

開關電源主要特點

1、體積小、重量輕：由于沒有工頻變壓器，所以體積和重量只有線性電源的20～30%。

2、功耗小、效率高：功率晶體管工作在開關狀態(tài)，所以晶體管上的功耗小，轉化效率高，一般為60～70%，而線性電電源只有30～40%。

工作模式

顧名思義，開關電源就是利用電子開關器件（如晶體管、場效應管、可控硅閘流管等），

通過控制電路，使電子開關器件不停地“接通”和“關斷”，讓電子開關器件對輸入電壓進行脈沖調制，從而實現DC/AC、DC/DC電壓變換，以及輸出電壓可調和自動穩(wěn)壓

關電源一般有三種工作模式：頻率、脈沖寬度固定模式，頻率固定、脈沖寬度可變模式，頻率、脈沖寬度可變模式。前一種工作模式多用于DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換；后兩種工作模式多用于開關穩(wěn)壓電源。另外，開關電源輸出電壓也有三種工作方式：直接輸出電壓方式、平均值輸出電壓方式、幅值輸出電壓方式。同樣，前一種工作方式多用于DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換；后兩種工作方式多用于開關穩(wěn)壓電源。

根據開關器件在電路中連接的方式，開關電源，大體上可分為：串聯式開關電源、并聯式開關電源、變壓器式開關電源等三大類。其中，變壓器式開關電源（后面簡稱變壓器開關電源）還可以進一步分成：推挽式、半橋式、全橋式等多種；根據變壓器的激勵和輸出電壓的相位，又可以分成：正激式、反激式、單激式和雙激式等多種；如果從用途上來分，還可以分成更多種類。

開關電源使用指南

輸出計算

因開關電源工作效率高，一般可達到80%以上，故在其輸出電流的選擇上，應準確測量或計算用電設備的大吸收電流，以使被選用的開關電源具有高的性能價格比，通常輸出計算公式為：

Is=KIf

式中：Is—開關電源的額定輸出電流；

If—用電設備的大吸收電流；

K—裕量系數，一般取1.5～1.8；

接地

開關電源比線性電源會產生更多的干擾，對共模干擾敏感的用電設備，應采取接地和屏蔽措施，按ICE1000、EN61000、FCC等EMC限制，開關電源均采取EMC電磁兼容措施，因此開關電源一般應帶有EMC電磁兼容濾波器。如利德華福技術的HA系列開關電源，將其FG端子接大地或接用戶機殼，方能滿足上述電磁兼容的要求。

保護電路

開關電源在設計中必須具有過流、過熱、短路等保護功能，故在設計時應保護功能齊備的開關電源模塊，并且其保護電路的技術參數應與用電設備的工作特性相匹配，以避免損壞用電設備或開關電源。

開關電源接線方法

L：接220v交流火線

N：接220v交流零線

FG：接大地

G：直流輸出的地

+5v：輸出+5V點的端口

ADJ：是在一定范圍內調輸出電壓的，開關電源上輸出的額定電壓本來出廠時是固定的，也就是標稱額定輸出電壓，設置此電位器可以讓用戶根據實際使用情況在一個較小的范圍內調節(jié)輸出電壓，一般情況下是不需要調整它的。

開關電源維修步驟

1、修理開關電源時，首先用萬用表檢測各功率部件是否擊穿短路，

如電源整流橋堆，開關管，高頻大功率整流管；抑制浪涌電流的大功率電阻是否燒斷。再檢測各輸出電壓端口電阻是否異常，上述部件如有損壞則需更換。

2、步完成后，接通電源后還不能正常工作，接著要檢測功率因數模塊（PFC）和脈寬調制組件（PWM），查閱相關資料，熟悉PFC和PWM模塊每個腳的功能及其模塊正常工作的*條件。

3、然后，對于具有PFC電路的電源則需測量濾波電容兩端電壓是否為380VDC左右，如有380VDC左右電壓，說明PFC模塊工作正常，接著檢測PWM組件的工作狀態(tài)，測量其電源輸入端VC，參考電壓輸出端VR，啟動控制Vstart/Vcontrol端電壓是否正常，利用220VAC/220VAC隔離變壓器給開關電源供電，用示波器觀測PWM模塊CT端對地的波形是否為線性良好的鋸齒波或三角形，如TL494CT端為鋸齒波，FA5310其CT端為三角波。輸出端V0的波形是否為有序的窄脈沖信號。

4、在開關電源維修實踐中，有許多開關電源采用UC38××系列8腳PWM組件，

大多數電源不能工作都是因為電源啟動電阻損壞，或芯片性能下降。當R斷路后無VC，PWM組件無法工作，需更換與原來功率阻值相同的電阻。當PWM組件啟動電流增加后，可減小R值到PWM組件能正常工作為止。在修一臺GEDR電源時，PWM模塊為UC3843，檢測未發(fā)現其他異常，在R（220K）上并接一個220K的電阻后，PWM組件工作，輸出電壓均正常。有時候由于外圍電路故障，致使VR端5V電壓為0V，PWM組件也不工作，在修柯達8900相機電源時，遇到此情況，把與VR端相連的外電路斷開，VR從0V變?yōu)?V，PWM組件正常工作，輸出電壓均正常。

5、當濾波電容上無380VDC左右電壓時，說明PFC電路沒有正常工作，

PFC模塊關鍵檢測腳為電源輸入腳VC，啟動腳Vstart/control，CT和RT腳及V0腳。修理一臺富士3000相機時，測試一板上濾波電容上無380VDC電壓。VC，Vstart/control,CT和RT波形以及V0波形均正常，測量場效應功率開關管G極無V0波形，由于FA5331（PFC）為貼片元件，機器用久后出現V0端與板之間虛焊，V0信號沒有送到場效應管G極。將V0端與板上焊點焊好，用萬用表測量濾波電容有380VDC電壓。當Vstart/control端為低電平時，PFC亦不能工作，則要檢測其端點與外圍相連的有關電路。

總之，開關電源電路有易有難，功率有大有小，輸出電壓多種多樣。只要抓住其核心的東西，即充分熟悉開關電源的基本結構以及PFC及PWM模塊的特性，它們工作的基本條件，按照上述步驟和方法，多動手進行開關電源的維修，就能迅速地排除開關電源故障，達到事半功倍的效果。