電源是什么？

電源是將來(lái)自能量源（如供電網(wǎng)）的電流轉(zhuǎn)換為負(fù)載（如電機(jī)或電子設(shè)備）用電所需電壓值的電氣設(shè)備。

電源主要有兩種設(shè)計(jì)：線性電源和開(kāi)關(guān)電源。

• 線性電源：線性電源設(shè)計(jì)利用變壓器來(lái)降低輸入電壓，然后對(duì)電壓整流并轉(zhuǎn)換為直流電壓，再進(jìn)行濾波以改善波形質(zhì)量。線性電源使用線性穩(wěn)壓器來(lái)保持輸出電壓的恒定。線性穩(wěn)壓器以熱量的形式耗散任何多余的能量。

• 開(kāi)關(guān)電源:開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)是一種較新的方法，它可以解決線性電源設(shè)計(jì)中存在的許多問(wèn)題，包括變壓器尺寸和電壓調(diào)節(jié)問(wèn)題。在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，輸入電壓不再被降低，而是在輸入端進(jìn)行整流和濾波；然后通過(guò)斬波器將其轉(zhuǎn)換為高頻脈沖序列；在電壓到達(dá)輸出端之前，再次進(jìn)行濾波和整流。

開(kāi)關(guān)電源的工作原理

長(zhǎng)久以來(lái)，線性AC / DC電源一直被用于將公用電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，用于家用電器或照明用電。但大功率應(yīng)用越來(lái)越需要更小的電源。線性電源被降級(jí)到特定的工業(yè)和醫(yī)療用途中，因其低噪聲讓它在這類應(yīng)用中仍有用武之地；而開(kāi)關(guān)電源因?yàn)轶w積小、效率高并且能夠處理大功率，已經(jīng)很大程度上替代了線性電源。圖1闡明了在開(kāi)關(guān)電源中，交流電（AC）到直流電（DC）的一般轉(zhuǎn)換過(guò)程。

輸入整流

整流是將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓的過(guò)程。輸入信號(hào)的整流是開(kāi)關(guān)模式AC / DC電源的第一步。

直流電壓通常被認(rèn)為是恒定的直線電壓，就像電池提供的電壓那樣。 但實(shí)際上，直流電（DC）被定義為單向電荷流。這意味著直流電壓沿同一方向流動(dòng)，但不一定是恒定的。

正弦波交流電（AC）正弦波是最典型的電壓波形，其前半周期為正，后半周期為負(fù)。如果負(fù)半周期反相或消除，則電流將停止交替，變?yōu)橹绷麟?。這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程可以通過(guò)整流來(lái)實(shí)現(xiàn)。

利用無(wú)源半橋整流器中的二極管，可以消除正弦波的負(fù)半部分，從而實(shí)現(xiàn)整流（參見(jiàn)圖2）。二極管允許電流在波的正半周期通過(guò)，并在電流沿相反方向流過(guò)時(shí)截止電流。

正弦波經(jīng)過(guò)整流后將具有較低的平均功率，無(wú)法有效為設(shè)備供電。另一種更有效的方法是改變負(fù)半波的極性，將其變?yōu)檎?。這種方法稱為全波整流，它只需要四個(gè)二極管做全橋配置即可（見(jiàn)圖3）。不管輸入電壓的極性如何，這種配置都可以確保穩(wěn)定的電流方向。

相比半橋整流，經(jīng)過(guò)全波整流的波形平均輸出電壓更高，但仍與電子設(shè)備供電所需的恒定直流波形相差甚遠(yuǎn)。盡管它已經(jīng)是一個(gè)直流波形，但從電壓波的形狀可以看出，電壓變化非?？於翌l繁，用這樣的直流電為設(shè)備供電效率會(huì)很低。直流電壓的這種周期性變化稱為紋波，減少或消除紋波對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效電源至關(guān)重要。

減少紋波最簡(jiǎn)單、最常用的方法是在整流器輸出端添加一個(gè)大電容，稱為儲(chǔ)能電容器或平滑濾波器（見(jiàn)圖4）。

該電容器在波峰期間存儲(chǔ)電壓，然后為負(fù)載提供電流，直到其電壓小于正在上升的整流電壓波為止。其產(chǎn)生的波形將更接近所需的形狀，也可以認(rèn)為是沒(méi)有交流分量的直流電壓。這個(gè)最終的電壓波形就可以為直流設(shè)備供電了。

無(wú)源整流器采用半導(dǎo)體二極管作為非受控開(kāi)關(guān)，這是最簡(jiǎn)單的交流波整流方法，但并不是最有效的方法。

二極管是相對(duì)高效的開(kāi)關(guān)。它們能夠以最小功耗快速導(dǎo)通和關(guān)斷。但它唯一的問(wèn)題是存在0.5V至1V的正向偏置壓降，這會(huì)降低效率。

有源整流器采用可控開(kāi)關(guān)代替了二極管，例如MOSFET或BJT晶體管（見(jiàn)圖5）。它有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：首先，晶體管整流器沒(méi)有半導(dǎo)體二極管固有的0.5V至1V壓降，因?yàn)槠潆娮杩梢匀我庑?，因此壓降也很??；其次，晶體管是受控開(kāi)關(guān)，這意味著開(kāi)關(guān)頻率可以調(diào)節(jié)，并進(jìn)而優(yōu)化。

其缺點(diǎn)是，有源整流器需要更復(fù)雜的控制電路才能實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)，這需要額外的組件，因此成本更高。

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