開關(guān)電源 （SMPS），有時(shí)也稱為開關(guān)電源，已成為高效電源轉(zhuǎn)換的主力軍，將電源電壓交流輸入轉(zhuǎn)換為低壓直流輸出。AC-DC開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器無處不在;筆記本電腦的外部臺(tái)式機(jī)電源、機(jī)頂盒內(nèi)部以及智能手機(jī)的壁式充電器。
過去，電源轉(zhuǎn)換的線性方法執(zhí)行轉(zhuǎn)換任務(wù)。線性電源通常需要帶有模擬“線性”調(diào)節(jié)電路的笨重變壓器。由于平均轉(zhuǎn)換效率低于 65%，變壓器會(huì)產(chǎn)生相對(duì)大量的廢熱，這需要耗散。
相比之下，開關(guān)電源結(jié)構(gòu)緊湊、省電，通常優(yōu)于 85%，而且重量輕。從設(shè)計(jì)角度來看，開關(guān)電源也非常靈活，使設(shè)計(jì)人員能夠找到滿足其最終產(chǎn)品可能具有的任何電源要求的最佳解決方案。
在新產(chǎn)品開發(fā)周期的某個(gè)階段，工程團(tuán)隊(duì)面臨著電源設(shè)計(jì)任務(wù)。考慮到他們可能正在從頭開始設(shè)計(jì)產(chǎn)品，可能會(huì)有一種誘惑，即在電源上繼續(xù)采用這種方法。然而，與電子工程的許多其他方面一樣，電源設(shè)計(jì)是一項(xiàng)專業(yè)技能。
開關(guān)模式原理
開關(guān)模式轉(zhuǎn)換的原理適用于 AC-DC 和 DC-DC 電源。對(duì)于AC-DC電源，在DC-DC轉(zhuǎn)換階段之前，有幾個(gè)階段，包括對(duì)單相230Vac或三相400Vac 50Hz電源電壓進(jìn)行整流。
在這兩種情況下，在DC-DC轉(zhuǎn)換級(jí)中，功率半導(dǎo)體的初級(jí)電路（電源開關(guān)電路）向變壓器產(chǎn)生高頻交流電壓。這會(huì)導(dǎo)致初級(jí)繞組中的電流在次級(jí)繞組中感應(yīng)出交流電，從而產(chǎn)生次級(jí)電壓。變壓器的繞組比指定升壓或降壓。次級(jí)電路對(duì)高頻電壓進(jìn)行整流，并可產(chǎn)生反饋信號(hào)到初級(jí)電子設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)。
開關(guān)電源的架構(gòu)
輸入濾波器
輸入濾波器用于消除電源輸入上的任何破壞性電壓瞬變和浪涌，防止其進(jìn)入電源并造成電源損壞。該濾波器還有助于消除開關(guān)電路內(nèi)產(chǎn)生的任何電磁干擾 （EMI），使其無法傳導(dǎo)到交流電源。
開關(guān)電路通常工作在25kHz至500kHz的頻率范圍，是EMI的源。從電源輸入的噪聲有兩個(gè)分量：共模和差模。共模與在帶電或中性線與大地之間測(cè)量的噪聲有關(guān)。差分噪聲介于實(shí)時(shí)噪聲和中性噪聲之間。
電感器/扼流圈和電容器的組合形成濾波器布置，以衰減這兩種類型的噪聲。
整流
濾波后的交流輸入電壓通過橋式整流器布置，產(chǎn)生脈動(dòng)直流電壓。平滑“大容量”電容器可消除整流電壓中的線路紋波，并提供電壓保持功能。
功率因數(shù)校正
這是任何大于 75 W 的電源設(shè)計(jì)（以及大于 20 W 的 LED PSU）的一個(gè)重要方面，它與使用的實(shí)際功率與實(shí)際消耗的視在電流之間的差異有關(guān)，以比率表示;這是功率因數(shù)。
在理想情況下，這個(gè)比率應(yīng)該是統(tǒng)一的（1）。然而，整流級(jí)中使用的“大容量”電容器的充電電流行為會(huì)扭曲正弦交流電源波形。
無源功率因數(shù)校正技術(shù)通常在帶電輸入中使用電感器來降低正弦波的峰值，從而減少潛在的諧波失真并提高功率因數(shù)。但是，這會(huì)降低效率。
如今，大多數(shù)AC-DC開關(guān)電源都采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)。升壓轉(zhuǎn)換器電路通常用于控制波形的形狀（提高功率因數(shù)）并限制諧波失真。
切換功能
它們由開關(guān)功率半導(dǎo)體、變壓器和驅(qū)動(dòng)器IC組成，共同為變壓器產(chǎn)生高交流電壓。變壓器的匝數(shù)比允許電壓的升壓或降壓，并提供隔離柵。
開關(guān)頻率可在 25kHz 至 500kHz 或更高之間變化。PWM信號(hào)的頻率和/或占空比可能因施加在輸出端的負(fù)載而異。
在開關(guān)功能設(shè)計(jì)過程中，遵守 EMI 最佳實(shí)踐對(duì)于最大限度地減少傳導(dǎo)和輻射 EMI 以滿足監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。
直流輸出和線路電壓調(diào)節(jié)
變壓器的次級(jí)輸出通過整流器傳遞到負(fù)載。平滑電容器和濾波元件也是此功能的一部分。輸出電壓還饋送一個(gè)比較器放大器，該放大器將輸出與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，以提供嚴(yán)格的電壓調(diào)節(jié)。
光隔離器為向主PWM驅(qū)動(dòng)電路提供反饋，提供電流安全屏障，相應(yīng)地調(diào)整驅(qū)動(dòng)器以糾正任何輸出電壓偏差。
目前市面上大多數(shù)開關(guān)電源都非常高效，從85%到95%是常態(tài)。電源內(nèi)部損耗產(chǎn)生的大多數(shù)廢熱通過傳導(dǎo)消散。然而，根據(jù)所使用的技術(shù)，特別是對(duì)于提供超過 150 瓦的高輸出電源，可能需要強(qiáng)制風(fēng)冷。
通過增加變速風(fēng)扇和相關(guān)控制電路，可以滿足這一要求。然而，功率高達(dá)1500 W的較新技術(shù)都具有很高的效率，表明可以將產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到散熱器或傳導(dǎo)冷卻的“冷板”區(qū)域，從而避免了對(duì)嘈雜和對(duì)老化敏感的風(fēng)扇的需求。更高功率的型號(hào)使用液體冷卻，將產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到另一個(gè)區(qū)域。
選擇 AC-DC 開關(guān)電源
在選擇AC/DC開關(guān)電源時(shí)，除了所需的電氣規(guī)格（如輸入和輸出電壓、功率處理和運(yùn)行效率）外，產(chǎn)品數(shù)據(jù)表上還有其他幾個(gè)因素需要研究。
什么是線路調(diào)整率？大多數(shù)開關(guān)模式電源將其輸出電壓調(diào)節(jié)到標(biāo)稱輸出的 +/- 3% 以內(nèi)。這對(duì)您的最終產(chǎn)品來說足夠了嗎？此外，這是否在所有負(fù)載條件下都保持不變，例如從 10% 負(fù)載到 100% 負(fù)載？
它是否具有峰值輸出或升壓能力？例如，這個(gè)有用的功能允許在短時(shí)間內(nèi)繪制 150% 的滿載。電機(jī)啟動(dòng)可以從中受益，允許選擇額定值更低、更便宜的電源，而不是必須使用更昂貴的電源來適應(yīng)整個(gè)峰值負(fù)載。
不要忘記確保電源符合所有相關(guān)的國(guó)際和國(guó)家/地區(qū)特定能源效率、安全和電磁干擾法規(guī)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了滿載和 10% 負(fù)載時(shí)的最低能效水平，以及空載條件下的最大能耗。在美國(guó)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是 DoE VI 級(jí)，在歐洲，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是 EcoDesign 2019/1782。
通用安全法規(guī)包括針對(duì) IT 和 AV 設(shè)備的 IEC 62368-1，如果您有醫(yī)療產(chǎn)品，還包括 IEC 60601-1。對(duì)于家用電器產(chǎn)品，有 IEC 60335-1 指令。
其他指令包括對(duì) LED 照明、HVAC 和其他應(yīng)用的特殊要求。EMI標(biāo)準(zhǔn)CISPR32和FCC20870規(guī)定了電磁干擾和敏感性的要求。
指定開關(guān)模式AC-DC電源并非易事，因?yàn)楸仨毧紤]所有安全法規(guī)。開關(guān)模式電源是一種節(jié)能且緊湊的方法，可為任何離線終端產(chǎn)品供電。它們涵蓋 90 Vac 至 264 Vac 的通用交流輸入電壓范圍，并具有來自信譽(yù)良好的供應(yīng)商的各種流行的標(biāo)稱直流輸出電壓。如果您需要有關(guān)電源選擇的建議，請(qǐng)與我們聯(lián)系，討論您的要求。
