《電源供應(yīng)器概論》課件

電源供應(yīng)器概論電源供應(yīng)器是電子設(shè)備中不可或缺的組件。它將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，為電子設(shè)備提供穩(wěn)定的能量。電源供應(yīng)器的定義和作用定義電源供應(yīng)器是一種將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的設(shè)備。作用為電子設(shè)備提供穩(wěn)定的直流電源，確保其正常工作。功能電源供應(yīng)器通過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓等步驟，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并將電壓降至電子設(shè)備所需的范圍。電源供應(yīng)器的分類(lèi)線性電源線性電源是傳統(tǒng)電源，其主要特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，但效率較低，體積較大，成本也較高。開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)電源是現(xiàn)代電源，其主要特點(diǎn)是效率高，體積小，重量輕，但電路復(fù)雜，工作穩(wěn)定性稍遜于線性電源。電源模塊電源模塊是一種集成化的電源產(chǎn)品，其將多個(gè)電源組件集成在一個(gè)封裝體中，方便使用，可降低成本。交流供電電路的構(gòu)成1電源提供交流電2開(kāi)關(guān)控制電路通斷3保險(xiǎn)絲短路保護(hù)4負(fù)載消耗電能交流供電電路包含電源、開(kāi)關(guān)、保險(xiǎn)絲和負(fù)載。電源提供交流電，開(kāi)關(guān)控制電路通斷，保險(xiǎn)絲在短路時(shí)保護(hù)電路，負(fù)載消耗電能。電源變壓器的原理和特點(diǎn)電源變壓器是一種利用電磁感應(yīng)原理將交流電電壓進(jìn)行升降壓的裝置。其核心是鐵芯，繞有兩組線圈，即初級(jí)線圈和次級(jí)線圈。初級(jí)線圈接入交流電源，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，感應(yīng)次級(jí)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)電壓的升降壓。電源變壓器的特點(diǎn)包括效率高，可靠性強(qiáng)，體積小，重量輕。整流電路的基本概念定義整流電路的作用是將交流電轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流電。它可以將交流電的正負(fù)半周期都轉(zhuǎn)換為直流電，使輸出電壓始終為正。原理整流電路通常由二極管組成。二極管具有單向?qū)щ娦?，只允許電流在一個(gè)方向流動(dòng)。通過(guò)選擇合適的二極管和電路連接方式，可以將交流電的正負(fù)半周期分別轉(zhuǎn)換為直流電。類(lèi)型常見(jiàn)的整流電路類(lèi)型包括半波整流和全波整流。半波整流只利用交流電的正半周期或負(fù)半周期，而全波整流則利用了交流電的兩個(gè)半周期。半波整流電路半波整流電路是最簡(jiǎn)單的整流電路形式，它利用一個(gè)二極管將交流電的正半周波形導(dǎo)通，而負(fù)半周則被阻斷。這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，適用于對(duì)輸出電壓要求不高、電流較小的場(chǎng)合。全波整流電路工作原理兩個(gè)二極管組成橋式整流電路，利用交流電正負(fù)半周，使電流始終單向流過(guò)負(fù)載。輸出波形全波整流電路輸出波形為脈動(dòng)直流電，頻率為交流電頻率的兩倍。應(yīng)用場(chǎng)景應(yīng)用于各種電源供應(yīng)器，例如適配器、充電器等，提高直流電源的效率。濾波電路的作用和原理去除脈動(dòng)濾波電路主要作用是去除整流后的脈動(dòng)直流電壓，降低電壓波動(dòng)。平滑波形濾波電路通過(guò)電容或電感等元件，將脈動(dòng)電壓轉(zhuǎn)化為平滑的直流電壓，滿足電子設(shè)備的供電需求。電路類(lèi)型常見(jiàn)的濾波電路包括電容濾波、電感濾波、LC濾波和π型濾波等。各類(lèi)濾波電路的比較效率成本圖表展示了不同濾波電路的效率和成本，其中π型濾波電路具有最高的效率和成本。穩(wěn)壓電路的必要性電壓穩(wěn)定電子設(shè)備的正常運(yùn)行需要穩(wěn)定且可靠的電源電壓。保護(hù)設(shè)備穩(wěn)壓電路可以防止電壓波動(dòng)對(duì)敏感元件造成損壞。提高性能穩(wěn)定的電源電壓可以確保設(shè)備正常運(yùn)行并提高其性能。延長(zhǎng)壽命避免電壓波動(dòng)對(duì)設(shè)備造成損害，延長(zhǎng)其使用壽命。參考源和誤差放大電路參考源參考源為電路提供穩(wěn)定的參考電壓，誤差放大器則根據(jù)輸入電壓與參考電壓的差值放大誤差信號(hào)。誤差放大器誤差放大器用于放大輸入電壓與參考電壓之間的誤差，并將放大后的信號(hào)傳遞給控制電路。反饋電路反饋電路將輸出電壓反饋到誤差放大器，用于調(diào)節(jié)輸出電壓以保持穩(wěn)定輸出?？刂齐娐房刂齐娐方邮辗糯蠛蟮恼`差信號(hào)并調(diào)整輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功能。線性穩(wěn)壓電路的工作原理1穩(wěn)壓保持輸出電壓穩(wěn)定2放大放大誤差信號(hào)3比較比較參考電壓和輸出電壓4參考提供穩(wěn)定的參考電壓線性穩(wěn)壓電路利用了負(fù)反饋原理。該電路將輸出電壓與參考電壓進(jìn)行比較，并將誤差信號(hào)放大，從而控制調(diào)整管的導(dǎo)通電阻，最終穩(wěn)定輸出電壓。開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路的工作原理1開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路使用高頻開(kāi)關(guān)器件來(lái)控制輸入電壓的轉(zhuǎn)換，將直流電轉(zhuǎn)換為所需的輸出電壓。2脈沖寬度調(diào)制開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間通過(guò)脈沖寬度調(diào)制來(lái)控制，以調(diào)節(jié)輸出電壓。3濾波濾波電路用于濾除開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)程產(chǎn)生的高頻脈沖，提供平滑的直流輸出電壓。電源效率及其影響因素電源效率是指輸出功率與輸入功率之比，它反映了電源將輸入能量轉(zhuǎn)化為輸出能量的效率。提高電源效率可以降低能源消耗，減少熱量產(chǎn)生，延長(zhǎng)設(shè)備壽命。80%轉(zhuǎn)換效率高效電源的轉(zhuǎn)換效率通常在80%以上。50W損耗功率低效率電源會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，導(dǎo)致設(shè)備過(guò)熱。100%理想情況理想情況下，電源效率為100%，所有輸入能量都轉(zhuǎn)化為輸出能量。影響電源效率的因素主要包括：-功率半導(dǎo)體器件的損耗-控制電路的損耗-電磁干擾的損耗-散熱設(shè)計(jì)的影響-工作頻率的影響-電壓電流的波動(dòng)影響-負(fù)載條件的影響電源供應(yīng)器的熱設(shè)計(jì)散熱設(shè)計(jì)電源運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱量，需要設(shè)計(jì)合適的散熱方案，以確保其正常工作。散熱風(fēng)扇風(fēng)冷是最常見(jiàn)的散熱方式之一，利用風(fēng)扇強(qiáng)制對(duì)流散熱。散熱器散熱器可以增大散熱面積，加速熱量傳遞，提高散熱效率。導(dǎo)熱硅脂導(dǎo)熱硅脂可以填充散熱器和芯片之間的空隙，提高熱傳遞效率。電源保護(hù)電路過(guò)壓保護(hù)當(dāng)電源輸出電壓超過(guò)設(shè)定值時(shí)，保護(hù)電路會(huì)自動(dòng)切斷電源，防止設(shè)備損壞。過(guò)壓保護(hù)通常采用穩(wěn)壓二極管、保險(xiǎn)絲或熔斷器等元件實(shí)現(xiàn)。欠壓保護(hù)當(dāng)電源輸出電壓低于設(shè)定值時(shí)，保護(hù)電路會(huì)自動(dòng)切斷電源，防止設(shè)備誤動(dòng)作或損壞。欠壓保護(hù)通常采用電壓檢測(cè)電路、繼電器或晶體管等元件實(shí)現(xiàn)。過(guò)流保護(hù)當(dāng)電源輸出電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)，保護(hù)電路會(huì)自動(dòng)切斷電源，防止電路過(guò)載。過(guò)流保護(hù)通常采用電流檢測(cè)電路、保險(xiǎn)絲或熔斷器等元件實(shí)現(xiàn)。短路保護(hù)當(dāng)電源輸出發(fā)生短路時(shí)，保護(hù)電路會(huì)自動(dòng)切斷電源，防止電路燒毀。短路保護(hù)通常采用電流檢測(cè)電路、保險(xiǎn)絲或熔斷器等元件實(shí)現(xiàn)。功率半導(dǎo)體器件在電源中的應(yīng)用11.整流器功率二極管和整流橋?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)換為直流電，提供電源的基本直流電壓。22.開(kāi)關(guān)器件功率MOSFET和IGBT等器件用于開(kāi)關(guān)電源中，實(shí)現(xiàn)高頻開(kāi)關(guān)，提高電源效率。33.保護(hù)器件功率肖特基二極管和TVS二極管保護(hù)電源電路免受電壓過(guò)沖或電流過(guò)載的損壞。44.其他器件功率三極管和功率晶體管在某些電源設(shè)計(jì)中也發(fā)揮著重要作用。電源供應(yīng)器的電磁兼容性電磁干擾電源供應(yīng)器可能會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，影響其他電子設(shè)備的正常工作。例如，電源供應(yīng)器可能會(huì)產(chǎn)生噪聲，干擾無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。電磁抗擾性電源供應(yīng)器需要能夠抵抗來(lái)自其他設(shè)備的電磁干擾，確保自身穩(wěn)定運(yùn)行。例如，電源供應(yīng)器應(yīng)能夠抵抗來(lái)自附近其他設(shè)備的電磁輻射。電源供應(yīng)器的安全要求11.防觸電保護(hù)電源供應(yīng)器應(yīng)具備良好的絕緣性能，防止用戶接觸到帶電部件，確保人身安全。22.過(guò)載和短路保護(hù)電源供應(yīng)器應(yīng)設(shè)計(jì)過(guò)載和短路保護(hù)功能，防止電流過(guò)大導(dǎo)致設(shè)備損壞。33.過(guò)壓和欠壓保護(hù)電源供應(yīng)器應(yīng)具備過(guò)壓和欠壓保護(hù)功能，確保設(shè)備在電壓波動(dòng)的情況下正常運(yùn)行。44.防火安全電源供應(yīng)器應(yīng)使用阻燃材料，并具有防過(guò)熱保護(hù)功能，防止火災(zāi)發(fā)生。電源供應(yīng)器的檢測(cè)方法負(fù)載測(cè)試負(fù)載測(cè)試在各種負(fù)載下評(píng)估電源的性能，驗(yàn)證其穩(wěn)定性和可靠性。效率測(cè)試效率測(cè)試測(cè)量電源的能量轉(zhuǎn)換效率，評(píng)估其能量利用率和熱量產(chǎn)生。紋波和噪聲測(cè)試紋波和噪聲測(cè)試評(píng)估輸出電壓的穩(wěn)定性，確保其符合規(guī)格要求。安全測(cè)試安全測(cè)試驗(yàn)證電源符合相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，確保其使用安全。電磁兼容性測(cè)試電磁兼容性測(cè)試確保電源不會(huì)產(chǎn)生或受到電磁干擾，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。電源供應(yīng)器的常見(jiàn)故障及排查輸出電壓異常電源供應(yīng)器輸出電壓不穩(wěn)定，過(guò)高或過(guò)低。過(guò)載或短路由于負(fù)載過(guò)大或電路短路，導(dǎo)致電源供應(yīng)器過(guò)載或短路。元器件損壞電源供應(yīng)器內(nèi)部元器件，如電容、電阻、二極管等損壞。散熱問(wèn)題散熱不良導(dǎo)致電源供應(yīng)器溫度過(guò)高，造成元器件損壞或故障。SMPS電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)SMPS電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指電源電路中各個(gè)組件的連接方式，它決定了電源的性能和效率。常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括正激、反激、推挽、橋式等，它們?cè)谵D(zhuǎn)換效率、成本、尺寸等方面各有優(yōu)劣。選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是電源設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，需要綜合考慮應(yīng)用場(chǎng)景、功率等級(jí)、效率要求等因素。SMPS電源的控制原理1反饋控制通過(guò)反饋電路監(jiān)測(cè)輸出電壓或電流，并將其與設(shè)定值進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差信號(hào)。2誤差放大誤差放大器將誤差信號(hào)放大，以驅(qū)動(dòng)PWM控制器。3脈沖寬度調(diào)制PWM控制器根據(jù)誤差信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，從而調(diào)節(jié)輸出電壓或電流。4保護(hù)電路過(guò)壓、過(guò)流、短路等保護(hù)措施，確保電源安全可靠運(yùn)行。SMPS電源控制原理的核心是反饋控制。反饋電路將輸出電壓或電流與設(shè)定值進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差信號(hào)。誤差放大器將誤差信號(hào)放大，驅(qū)動(dòng)PWM控制器調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，從而調(diào)節(jié)輸出電壓或電流。此外，還包括過(guò)壓、過(guò)流、短路等保護(hù)電路，確保電源安全可靠運(yùn)行。電源質(zhì)量因素及其測(cè)試電源質(zhì)量因素決定電源性能和可靠性。測(cè)試方法驗(yàn)證電源性能指標(biāo)。電壓穩(wěn)定性負(fù)載變化時(shí)電壓波動(dòng)紋波噪聲電壓疊加的雜波信號(hào)瞬態(tài)響應(yīng)負(fù)載突變時(shí)的電壓變化效率輸出功率與輸入功率的比值功率因數(shù)有效功率與視在功率的比值電源供應(yīng)器的可靠性設(shè)計(jì)元器件選擇選擇高可靠性、高性能的元器件，例如電容、電阻、電感和半導(dǎo)體器件。電路設(shè)計(jì)優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，降低應(yīng)力，提高抗干擾能力，避免過(guò)熱和過(guò)載。熱設(shè)計(jì)確保良好的散熱，防止過(guò)熱導(dǎo)致元器件失效，延長(zhǎng)使用壽命。測(cè)試和驗(yàn)證進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試和驗(yàn)證，確保電源供應(yīng)器能夠可靠地運(yùn)行。電源供應(yīng)器的標(biāo)準(zhǔn)與認(rèn)證安全標(biāo)準(zhǔn)例如UL、IEC、EN、CCC等，確保產(chǎn)品符合安全規(guī)范，避免觸電、火災(zāi)等風(fēng)險(xiǎn)。性能認(rèn)證例如80PLUS、ErP、EnergyStar等，評(píng)估產(chǎn)品效率、節(jié)能、環(huán)保等性能指標(biāo)。兼容性認(rèn)證例如EMI/EMC認(rèn)證，確保產(chǎn)品符合電磁兼容性要求，避免干擾其他電子設(shè)備。電源供應(yīng)器的應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)算機(jī)和電子設(shè)備電源供應(yīng)器是所有電子設(shè)備的核心，為它們提供穩(wěn)定的電源。從臺(tái)式電腦到筆記本電腦，從智能手機(jī)到平板電腦，電源供應(yīng)器在這些設(shè)備中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)中心需要高可靠性和高效率的電源供應(yīng)器來(lái)確保服務(wù)器的正常運(yùn)行，以及整個(gè)數(shù)據(jù)中心的穩(wěn)定性。醫(yī)療設(shè)備醫(yī)療設(shè)備需要精密穩(wěn)定的電源供應(yīng)器來(lái)保證其正常運(yùn)行，以確保診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性和治療的安全性。工業(yè)自動(dòng)化工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備，如機(jī)器人、PLC和自動(dòng)化生產(chǎn)線，需要電源供應(yīng)器提供穩(wěn)定的電流和電壓，以保證設(shè)備的正常運(yùn)行和生產(chǎn)效率。電源供應(yīng)器的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)高效率和高功率密度未來(lái)電源供應(yīng)器將更加高效，功率密度更高，以滿足不斷增長(zhǎng)的能源需求。智能化和數(shù)字化電源供應(yīng)器將更加智能化，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，并與智能家居和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成。環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展未來(lái)電源將更加注重環(huán)保，采用可再生能源，減少對(duì)環(huán)境的影響。適應(yīng)新應(yīng)用場(chǎng)景未來(lái)電源供應(yīng)器將適應(yīng)新能源汽車(chē)、航空航天等新興應(yīng)用場(chǎng)景。案例分析與討論電源供應(yīng)器在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)遇到各種問(wèn)題。例如，由于負(fù)載變化或環(huán)境溫度波動(dòng)，電源