12V開關(guān)電源的基本構(gòu)成

一個基本的12V開關(guān)電源包括輸入電源濾波器、橋式整流器、大電容濾波、直流-直流變換器等部分。

1、輸入電源濾波器

輸入電源濾波器是用來過濾輸入電源的交流干擾的，它包括電容、電感等元器件。它們的組合可以形成諧振回路，從而可以濾掉輸入電源的高頻雜波，保護(hù)電路不受高頻干擾的影響。

2、橋式整流器

橋式整流器是用來將輸入電源的交流電轉(zhuǎn)換為直流電的，它采用四個二極管組成。當(dāng)輸入電源為正半周時，D1和D4導(dǎo)通，輸出電壓即為正半周的峰值；當(dāng)輸入電源為負(fù)半周時，D2和D3導(dǎo)通，輸出電壓即為負(fù)半周的峰值。因此，橋式整流器把輸入電源的交流電轉(zhuǎn)換為直流電。

3、大電容濾波

在橋式整流器輸出直流電后，使用大容量電解電容對輸出電壓進(jìn)行濾波，以保證輸出電壓的穩(wěn)定性。從而得到平滑的DC電壓。

4、直流-直流變換器

直流-直流變換器是12V開關(guān)電源的核心部分。它采用開關(guān)管和變壓器，并應(yīng)用PWM技術(shù)控制功率變換。通過不同通斷時間比，控制開關(guān)管通斷的時間比以控制輸出電壓和電流。變壓器將輸出電壓通過電氣絕緣的方式進(jìn)行升壓、降壓，絕緣性能良好。

當(dāng)輸入電源接通時，電壓通過輸入電源濾波器后進(jìn)入橋式整流器，經(jīng)過整流濾波后得到平滑的直流電。該直流電作為開關(guān)電源的輸出電壓。

開關(guān)電源原理圖

12V開關(guān)電源電路原理

一、穩(wěn)流與穩(wěn)壓工作模式

1、穩(wěn)流工作模式

當(dāng)電源處于穩(wěn)流工作狀態(tài)時，電壓環(huán)會飽和，其輸出會大于電流給定值，此時電壓環(huán)不發(fā)揮作用，只有電流環(huán)在工作。

這種模式下，輸出電壓可能會隨負(fù)載變化而有所波動，但輸出電流被限制在給定范圍內(nèi)。

2、穩(wěn)壓工作模式

在穩(wěn)壓工作狀態(tài)下，電壓環(huán)會退飽和，電流給定值會大于電壓環(huán)的輸出。此時，電流給定運算放大器會飽和，電流給定值不再起作用，電壓環(huán)和電流環(huán)同時工作，形成雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)。

這種模式下，輸出電壓被穩(wěn)定在給定范圍內(nèi)，同時輸出電流也受到一定限制。

二、高頻逆變技術(shù)

12V開關(guān)電源采用了高頻逆變技術(shù)，其中IGBT作為功率開關(guān)器件的全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用。主電路涵蓋了工頻三相交流電輸入、二極管整流橋、EMI濾波器、濾波電感電容、高頻全橋逆變器、高頻變壓器、輸出整流環(huán)節(jié)以及輸出LC濾波器等多個關(guān)鍵組件。

三、軟開關(guān)技術(shù)

為了提高效率、減小體積并增強(qiáng)可靠性，12V開關(guān)電源引入了軟開關(guān)技術(shù)。該技術(shù)利用變壓器的漏感及管子的寄生電容諧振來實現(xiàn)零電壓軟開關(guān)（ZVS）。通過移相控制，超前橋臂在全負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)了零電壓軟開關(guān)，滯后橋臂在75%以上的負(fù)載范圍內(nèi)也實現(xiàn)了零電壓軟開關(guān)。這顯著降低了開關(guān)損耗和噪聲。

四、控制電路的設(shè)計

控制電路采用了電壓電流雙環(huán)結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)環(huán)專注于電流控制，外環(huán)負(fù)責(zé)電壓調(diào)節(jié)。兩環(huán)均采用PID調(diào)節(jié)器。這種設(shè)計不僅實現(xiàn)了對輸出電流的有效限制，還顯著提高了輸出的動態(tài)響應(yīng)速度，有助于減小輸出電壓的紋波。

在實際應(yīng)用中，控制電路還實現(xiàn)了穩(wěn)壓穩(wěn)流的自動轉(zhuǎn)換。當(dāng)負(fù)載變化時，電源能夠自動從穩(wěn)流模式切換到穩(wěn)壓模式或從穩(wěn)壓模式切換到穩(wěn)流模式，以確保輸出電壓和輸出電流始終在預(yù)定的范圍內(nèi)。

五、其他關(guān)鍵組件

1、反饋線圈：與二極管、電容等一起組成穩(wěn)壓電路，用于調(diào)節(jié)輸出電壓。

2、過流保護(hù)電路：由電阻、二極管和晶體管等組成，用于在電源工作電流過大時保護(hù)電源不受損壞。

3、隔直電容：能夠平衡變壓器伏秒值，有效防止偏磁現(xiàn)象的發(fā)生。

4、諧振電感：巧妙利用變壓器本身的漏感設(shè)計而成，避免過大導(dǎo)致關(guān)斷電壓尖峰過高，從而保護(hù)開關(guān)管并降低關(guān)斷損耗。

直流-直流變換器的控制原理

1、控制PWM信號的生成

可以使用IC控制芯片來產(chǎn)生PWM信號。IC控制芯片有多個引腳，其中一個是用來接收開關(guān)電源的反饋信號，還有一個是用來控制PWM信號的輸出。當(dāng)反饋信號與設(shè)定值不同，IC控制芯片調(diào)整PWM信號，以達(dá)到輸出電壓的設(shè)定值。這個電路主要是用來控制輸出電壓，使得輸出電壓始終維持在設(shè)定的值范圍內(nèi)。

2、開關(guān)管的控制

開關(guān)管接在變壓器的一端，負(fù)責(zé)對電路進(jìn)行開關(guān)操作。當(dāng)輸入電壓經(jīng)過變壓處理后，進(jìn)入開關(guān)管的場效應(yīng)管，從而控制開關(guān)管的導(dǎo)通和斷開。因為場效應(yīng)管響應(yīng)快速，因此它是控制開關(guān)管的一個好選擇。開關(guān)頻率一般在20kHz到200kHz之間。

3、變壓器的工作原理

變壓器的原理如下：當(dāng)通過變壓器輸入的直流電通過管子和電感的交替開關(guān)，即磁場的變化是通過電感進(jìn)行傳輸?shù)摹Ｈ绻谳斎攵说碾姼猩吓c直流電限制組成的磁場發(fā)生變化，變壓器的另外一端就會有電壓在變化。因此變壓器可以在輸出端等比例變換電壓，而且能夠進(jìn)行電氣隔離。