开关电源的用途、优点和工作原理
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什么是电源？ 电源是一种电气设备，它将来自电源的电流转换为为负载（如电机或电子设备）供电所需的电压值。 电源主要有两种设计：线性电源和开关电源。 线性：线性电源设计使用变压器来降低输入电压。然后对电压进行整流，变成直流电压，再经过滤波，提高波形质量。线性电源使用线性稳压器在输出端保持恒定电压。这些线性稳压器以热量的形式消散任何额外的能量。开关：开关电源设计是一种较新的方法，旨在解决与线性电源设计相关的许多问题，包括变压器尺寸和电压调节。在开关电源设计中，输入电压不再降低；相反，它在输入端被校正和过滤。然后电压通过斩波器，将其转换为高频脉冲序列。在电压到达输出之前，它会再次被过滤和整流。 开关电源如何工作？ 多年来，线性 AC_DC电源一直在将来自公用电网的交流电转换为直流电压，用于运行家用电器或照明。大功率应用需要更小的电源意味着线性电源已被降级为特定的工业和医疗用途，由于它们的低噪声，在这些用途中仍然需要它们。但是开关电源已经占据了主导地位，因为它们更小、更高效并且能够处理高功率。图 1说明了开关电源中从交流电 (AC) 到直流电 (DC) 的一般转换。
图 1：隔离式开关模式 AC/DC 电源 输入整流 整流是将交流电压转换为直流电压的过程。输入信号整流是开关模式 AC/DC 电源的第一步。 人们普遍认为，直流电压是一条笔直的、坚定不移的恒定电压线，就像来自电池的那种。然而，定义直流电 (DC) 的是电荷的单向流动。这意味着电压以相同的方向流动，但不一定是恒定的。 正弦波是交流电 (AC) 最典型的波形，在前半个周期为正，在其余周期为负。如果负半周期反转或消除，则电流停止交流，变成直流电。这可以通过称为校正的过程来实现。 整流可以通过使用无源半桥整流器来实现，使用二极管消除正弦波的负半部分（参见图 2）。二极管允许电流在波的正半部分流过它，但当电流沿相反方向流动时会阻止电流。
图 2：半桥整流器 整流后，产生的正弦波将具有较低的平均功率，无法有效地为设备供电。一种更有效的方法是改变负半波的极性并使其变为正。这种方法被称为全波整流，它只需要桥式配置中的四个二极管（见图 3）。无论输入电压极性如何，这种布置都能保持稳定的电流方向。
图 3：全桥整流器 完全整流的波具有比半桥整流器产生的更高的平均输出电压，但距离为电子设备供电所需的恒定直流波形仍有很大距离。虽然这是一种直流电波，但由于电压波的形状，用它来为设备供电会效率低下，它会非常快速且经常地改变值。这种直流电压的周期性变化称为纹波——减少或消除纹波对于高效电源至关重要。 降低纹波最简单和最常用的方法是在整流器输出端使用一个大电容器，称为储能电容器或平滑滤波器（参见图 4）。 电容器在波峰期间存储电压，然后为负载提供电流，直到其电压小于现在上升的整流电压波。生成的波形更接近所需的形状，可以认为是没有交流分量的直流电压。该最终电压波形现在可用于为直流设备供电。
图 4：带平滑滤波器的全桥整流器 无源整流使用半导体二极管作为不受控制的开关，是对交流波进行整流的最简单方法，但不是最有效的。 二极管是相对高效的开关；它们可以以最小的功率损耗快速打开和关闭。半导体二极管的唯一问题是它们的正向偏置电压降为 0.5V 至 1V，这会降低效率。 有源整流用受控开关代替二极管，例如 MOSFET 或 BJT 晶体管（见图 5）。这样做的好处有两个：首先，基于晶体管的整流器消除了与半导体二极管相关的 0.5V 至 1V 的固定电压降，因为它们的电阻可以任意小，因此电压降很小。其次，晶体管是受控开关，这意味着可以控制并优化开关频率。 缺点是有源整流器需要更复杂的控制电路来实现其目的，这需要额外的组件，因此使它们更加昂贵。
图 5：全桥有源整流器 功率因数校正 (PFC) 开关电源设计的第二阶段是功率因数校正 (PFC)。 PFC 电路与交流电源到直流电源的实际转换关系不大，但却是大多数商用电源的关键组件。
图 6：整流器输出端的电压和电流波形 如果您观察整流器的储能电容器的电流波形（见图 6），您会看到充电电流在很短的时间跨度内流过电容器，特别是从电容器输入端的电压为大于电容器对整流信号峰值的电荷。这会在电容器中产生一系列短电流尖峰，从而不仅对电源，而且对整个电网都造成严重问题，因为这些电流尖峰会注入电网中的大量谐波。谐波会产生失真，可能会影响连接到电网的其他电源和设备。 在开关电源设计中，功率因数校正电路的目标是通过滤除这些谐波来最小化它们。为此，有两种选择：有源和无源功率因数校正。 无源 PFC 电路由无源低通滤波器组成，试图消除高频谐波。然而，电源，特别是在大功率应用中，仅使用无源 PFC 无法符合有关谐波噪声的国际法规。相反，他们必须应用有功功率校正。主动式 PFC 改变电流波形的形状，使其跟随电压。谐波被移到更高的频率，使它们更容易被滤除。对于这些情况，最广泛使用的电路是升压转换器，也称为升压转换器。 隔离：隔离与非隔离开关电源 无论是否存在 PFC 电路，电源转换的最后一步是将整流后的 DC 电压逐步降低到适合预期应用的幅度。 由于输入的交流波形在输入端经过整流，直流电压输出会偏高：如果没有PFC，整流器输出的直流电压约为320V。如果有一个有源 PFC 电路，升压转换器的输出将为 400V 或更高的稳定直流电压。 对于通常需要显着较低电压的大多数应用来说，这两种情况都非常危险且无用。表 1 显示了在选择正确的隔离拓扑时应考虑的几个转换器和应用方面。 相关阅读干式变压器的温度正常范围是多少1、正常工作的干式变压器 温度达到95度，就已经算是较高的了。不能再增加负载了。低压设备一般要求温升不要超过60度（即：环境温度 60度）。温度过高会加速设备绝缘老化，缩短使...
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