电源的基本知识 包括隔离、线性以及开关电源doc

2024年2月7日发(作者：)

电源的基本知识 包括隔离、线性及开关电源

隔离电源是使用变压器将220V电压通过变压器将电压降到较低的电压，然后再整流成直流电输出供电脑使用。因为变压器的主线圈承受220V电 压，次级线圈只承受输出的低交流电压，并且主次线圈之间并不直接连接，所以称为隔离电源。非隔离电源是用220V直接输入到电子电路，在通过电子元件降压 输出，输入输出是通过电子元件直接连接的，所以称非隔离电源;两者从表面上看就是有无变压器的区别。但请注意，有些厂家为节省成本，采用在主线圈上直接抽 头提取低电压的办法，这种办法看似有变压器，实际没有次级线圈，不能算是隔离电源!

一、什么是开关电源与线性电源

开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的连通与截止。将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电 压!转化为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比50Hz高很多。所以开关变压器可以做的很小，而且工作时不是很热!!成本很低。如果 不将50Hz 变为高频，那么开关电源就没有意义!开关变压器也不神秘就是一个普通的变压器!这就是开关电源。

开关电源，是通过电子技术实现的，主要环节：整流成直流电—逆变成所需电压的交流电(主要来调整电压)—再经过整流成直流电压输出。

开关电源的结构中由于中间没有变压器和散热片，因而体积非常小。同时，开关电源内部都是电子元件，效率高、发热小。虽然，具有电磁干扰等缺点，但现在的屏蔽技术已经非常到位。

开关电源大体可以分为隔离和非隔离两种，隔离型的必定有开关变压器，而非隔离的未必一定有。调制方式可分为脉冲跨周期调制(PSM)，PWM(脉冲宽度调制)。

简单地说，开关电源的工作原理是：

1. 交流电源输入经整流滤波成直流;

2. 通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管，将那个直流加到开关变压器初级上;

3. 开关变压器次级感应出高频电压，经整流滤波供给负载;

4. 输出部分通过一定的电路反馈给控制电路，控制PWM占空比，以达到稳定输出的目的。

交流电源输入时一般要经过厄流圈一类的东西，过滤掉电网上的干扰，同时也过滤掉电源对电网的干扰;在功率相同时，开关频率越高，开关变压器的 体积就越小，但对开关管的要求就越高;开关变压器的次级可以有多个绕组或一个绕组有多个抽头，以得到需要的输出;一般还应该增加一些保护电路，比如空载、 短路等保护，否则可能会烧毁开关电源。

以上说的就是开关电源的大致工作原理。

其实现在已经有了集成度非常高的专用芯片，可以使外围电路非常简单，甚至做到免调试。例如TOP系列的开关电源芯片(或称模块)，只要配合一些阻容元件，和一个开关变压器，就可以做成一个基本的开关电源。

开关电源&线性电源

开关电源的主要工作原理就是上桥和下桥的Mos管轮流导通，首先电流通过上桥Mos管流入，利用线圈的存储功能，将电能集聚在线圈中，最后关闭上桥 Mos管，打开下桥的Mos管，线圈和电容持续给外部供电。然后又关闭下桥Mos管，再打开上桥让电流进入，就这样重复进行，因为要轮流开关Mos管，所以称为开关电源。

而线性电源就不一样了，由于没有开关介入，使得上水管一直在放水，如果有多的，就会漏出来，这就是我们经常看到的某些线性电源的Mos管发热 量很大，用不完的电能，全部转换成了热能。从这个角度来看，线性电源的转换效率就非常低了，而且热量高的时候，元件的寿命势必要下降，影响最终的使用效 果。

开关电源和线性电源的区别主要是他们的工作方式。

线性电源功率器件工作在线性状态，也就是说他一用起来功率器件就是一直在工作，所以也就导致他的工作效率低，一般在50%~60%，还得说他 是很好的线性电源。线性电源的工作方式，使他从高压变低压必须有降压装置，一般的都是变压器，也有别的像KX电源，再经过整流输出直流电压。这样一来他的 体积也就很大，笨重，效率低、发热量也大。他也有他的优点：纹波小，调整率好，对外干扰小。适合用与模拟电路，各类放大器等。

开关电源。他的功率器件工作在开关状态，(一开一关，一开一关，频率非常快，一般的平板开关电源频率在100~200KHz，模块电源在 300~500KHz)。这样他的损耗就小，效率也就高，对变压器也有了要求，要用高磁导率的材料来做。有点墨迹了，他的变压器就是一个字小。效率 80%~90%吧。据说美国最好的VICOR模块高达99% 。开关电源的效率高体积小，但是和线性电源比他的纹波，电压电流调整率就有折扣了。

对于我们无线电爱好者使用的需求，2种电源都能满足。开关电源相对同等功率的线性电源体积小重量轻，适应交流电源的范围宽，更适合便携使用。但有一些开关电源因为设计，工艺，选料不规范或使用不当等原因，会对电台产生一定的干扰。

二、什么是隔离式电源

隔离式电源是指输入和输出通过变压器等磁性元器件电气连接的，即使将输出短路也不会有太大问题，而非隔离的电源输入和输出是有电气直接连接的，如果接触输出是会有触电危险的，对于隔离式电源的输出电压是可以通过变压器进行调整的。没有什么具体的范围。

三、隔离电源与非隔离电源有什么区别

非隔离电源：电源的输入与输出供地(或供参考点)DC/DC变换器中无输出变压器的多为非隔离电源。

隔离电源：电源的输入与输出不地(或参考点)如AC/DC变换器输入AC端得地与输出DC地就是隔离的。

隔离与非隔离的区别主要在于隔离稳压器输入电路与输出电路是不共地的，而非隔离式的是共地的。一般来说，非隔离的都有原边和副边的电感绕组，而隔

离式的只有单个的电感。在大功率和对地线干扰防护要求比较高的时候使用隔离式的，在比较简单和体积要求比较紧张的场合使用非隔离式的。

线性电源如果是指线性调整输出模块(LDO)，那么这个线性模块一定是非隔离式的，所以电源芯片是否是隔离稳压器与线性电源和开关电源没有关系。隔离与非隔离都是开关电源中的两种大的分类。

四、什么是隔离电源模块

隔离电源模块一般来说，这类模块称为负载点 (POL) 电源供应系统或使用点电源供应系统 (PUPS)。由于模块式结构的优点甚多，因此模块电源广泛用于交换设备、接入设备、移动通讯、微波通讯以及光传输、路由器等通信领域和汽车电子、航空航 天等。尤其近几年由于数据业务的飞速发展和分布式供电系统的不断推广，模块电源的增幅已经超出了一次电源。随着半导体工艺、封装技术和高频软开关的大量使 用，模块电源功率密度越来越大，转换效率越来越高，应用也越来越简单。

人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、 薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均 已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。以下分别对两类开 关电源的结构和特性作以阐述。

隔离电源模块的作用主要有五点：

(一)、隔离

1、安全隔离：强电弱电隔离IGBT隔离驱动浪涌隔离保护雷电隔离保护(如人体接触的医疗电子设备的隔离保护);

2、噪声隔离：(模拟电路与数字电路隔离、强弱信号隔离);

3、接地环路消除：远程信号传输分布式电源供电系统。

(二)、保护

短路保护、过压保护、欠压保护、过流保护、其它保护。

(三)、电压变换

升压变换降压变换交直流转换(AC/DC、DC/AC)极性变换(正负极性转换、单电源与正负电源转换、单电源与多电源转换)。

(四)、稳压

交流市电供电远程直流供电分布式电源供电系统电池供电。

(五)、降噪

有源滤波。

而隔离器是一种采用线性光耦隔离原理，将输入信号进行转换输出。输入，输出和工作电源三者相互隔离，特别适合与需要电隔离的设备仪表配用。隔离器又名信号隔离器，是工业控制系统中重要组成部分。主要是用来减弱冲击和振动传输的构件。

五、什么是冗余电源及其与UPS电源(不间断电源，Uninterruptible Power

System)的区别

电源冗余一般可以采取的方案有容量冗余、冗余冷备份、并联均流的N+1备份、冗余热备份等方式。

容量冗余是指电源的最大负载能力大于实际负载，这对提高可靠性意义不大。

冗余冷备份是指电源由多个功能相同的模块组成，正常时由其中一个供电，当其故障时，备份模块立刻启动投入工作。这种方式的缺点是电源切换存在时间间隔，容易造成电压豁口。

并联均流的N+1备份方式是指电源由多个相同单元组成，各单元通过或门二极管并联在一起，由各单元同时向设备供电。这种方案在1个电源故障时不会影响负载供电，但负载端短路时容易波及所有单元。

冗余热备份是指电源由多个单元组成，并且同时工作，但只由其中一个向设备供电，其他空载。主电源故障时备份电源可以立即投入，输出电压波动很小。

对于一些需要长时间不间断操作、高可靠的系统，如基站通信设备、服务器等，往往需要高可靠的电源供应。冗余电源设计是其中的关键部分，在高可 用系统中起着重要作用。冗余电源一般配置2个以上电源。当1个电源出现故障时，其他电源可以立刻投入，不中断设备的正常运行。这类似于UPS电源的工作原

理：当市电断电时由电池顶替供电。冗余电源与UPS的区别主要是由不同的电源同时供电，而UPS则是一个电源供电另一个则随时备用，有需要时自动切换。

传统冗余电源接法

传统的冗余电源设计方案是由2个或多个电源通过分别连接二极管阳极，以“或门”的方式并联输出至电源总线上。如图1所示。可以让1个电源单独工作，也可以让多个电源同时工作。当其中1个电源出现故障时，由于二极管的单向导通特性，不会影响电源总线的输出。

在实际的冗余电源系统中，一般电流都比较大，可达几十安培。考虑到二极管本身的功耗，一般选用压降较低、电流较大的肖特基二极管，比如SR1620～SR1660(额定电流 16A)。通常这些二极管上还需要安装散热片，以利于散热。

使用二极管的传统方案电路简单，但有其固有的缺点：功耗大、发热严重、需加装散热片、占用体积大。由于电路中通常为大电流，二极管大部分时间处于前向导通模式，它的压降所引起的功耗不容忽视。最小压降的肖特基二极管也有0.45V，在大电流时，例如12 A，就有5 W的功耗，因此要特别处理散热问题。

现在新的冗余电源方案是采用大功率的MOSFET管来代替传统电路中的二极管。MOSFET的导通内阻可以到几兆欧，大大降低了压降损耗。在 大功率应用中，不仅实现了效率更高的解决方案，而且由于无需节散热器，所以省了大量的电路板面积，也减少了设备的散热源。应用电路中MOSFET需要有专 业芯片的控制。目前，TI、Linear等各大公司都推出了一些成熟的该类芯片。