随着科学技术的发展,电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切,而电子设备都离不开可靠的电源,因此直流开关电源开始发挥着越来越重要的作用,并相继进入各种电子、电器设备领域,程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了直流开关电源。
同时随着许多高新技术,包括高频开关技术、软开关技术、功率因数校正技术、同步整流技术、智能化技术、表面安装技术等技术的发展,开关电源技术在不断地创新,这为直流开关电源提供了广泛的发展空间。但是由于开关电源中控制电路比较复杂,晶体管和集成器件耐受电、热冲击的能力较差,在使用过程中给用户带来很大不便。为了保护开关电源自身和负载的安全,根据了直流开关电源的原理和特点,设计了过热保护、过电流保护、过电压保护以及软启动保护电路。
2、开关电源的原理及特点
2、1工作原理
直流开关电源由输入部分、功率转换部分、输出部分、控制部分组成。功率转换部分是开关电源的核心,它对非稳定直流进行高频斩波并完成输出所需要的变换功能。它主要由开关三极管和高频变压器组成。
图1画出了直流开关电源的原理图及等效原理框图,它是由全波整流器,开关管V,激励信号,续流二极管Vp,储能电感和滤波电容C组成。实际上,直流开关电源的核心部分是一个直流变压器。
2、2特点
为了适应用户的需求,国内外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件,特别是通过改善二次整流器件的损耗,并在功率铁氧体(Mn-Zn)材料上加大科技创新,以提高在高频率和较大磁通密度下获得高的磁性能,同时SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展,在电路板两面布置元器件,以确保开关电源的轻、小、薄。因此直流开关电源的发展趋势是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。
直流开关电源的缺点是存在较为严重的开关干扰,适应恶劣环境和突发故障的能力较弱。由于国内微电子技术、阻容器件生产技术以及磁性材料技术与一些技术先进国家还有一定的差距,因此直流开关电源的制作技术难度大、维修麻烦和造价成本较高,
3、直流开关电源的保护
基于直流开关电源的特点和实际的电气状况,为使直流开关电源在恶劣环境及突发故障情况下安全可靠地工作,本文根据不同的情况设计了多种保护电路。
3、1过电流保护电路
在直流开关电源电路中,为了保护调整管在电路短路、电流增大时不被烧毁。其基本方法是,当输出电流超过某一值时,调整管处于反向偏置状态,从而截止,自动切断电路电流。如图2所示,过电流保护电路由三极管BG2和分压电阻R4、R5组成。电路正常工作时,通过R4与R5的分压作用,使得BG2的基极电位比发射极电位低,发射结承受反向电压。于是BG2处于截止状态(相当于开路),对稳压电路没有影响。当电路短路时,输出电压为零,BG2的发射极相当于接地,则BG2处于饱和导通状态(相当于短路),从而使调整管BG1基极和发射极近于短路,而处于截止状态,切断电路电流,从而达到保护目的。
开关电源的工作原理
电源模块凭借其模块化的设计，让用户能够最大程度的缩减产品的设计开发周期，其用法简单，但大家真的会用电源模块吗若电源模块使用不当，产生的破坏力将是十分巨大的，我们应该如何防范呢这里将为您一一揭晓。
电源模块的使用故障主要分为两大类：参数异常和使用异常。笔者上一篇文章已经为大家介绍了电源参数异常问题原因以及相应的解决方案，本次将分析较为常见的电源模块使用异常故障问题。较于参数异常问题，这一类问题的破坏力更大，稍有差池可能会造成极大的经济损失，本文将根据影响程度从小到大为大家分析不同的异常产生原因，希望这篇文章中的技术干货对各位工程师的电源模块应用电路设计有所帮助，不幸遇到的话，也能快速的排查故障，进行优化。
一、电源模块启动困难
首先是破坏力较小的情况——电源模块在启动中出现启动困难，甚至启动不了。大家在使用电源模块过程中可能会出现电源模块输出端电压正常，输出端就是没有任何输出，电源模块也无损坏，是什么原因呢具体原因如下所示：
• 外接电容过大;
• 容性负载过大;
• 负载电流过大;
• 输入电源功率不够。
针对这一类问题，可以通过调整输出端的电容以及负载或调整输入端的功率进行改善，具体如下所示：
• 外接电容过大，在电源模块启动时向其充电较长时间，难以启动，需要选择合适的容性负载;
• 容性负载过大时需可先串联一个合适的电感;
• 输出负载过重是会造成启动时间延长，选择合适负载;
• 换用功率更大的输入电源。
模块发热严重
较启动困难而言，更为严重的使用异常情况是电源模块在使用的时候发热很严重。出现这种现象的根本原因是由于电源模块在电压转换过程中有能量损耗，产生热能导致模块发热，降低电源的转换效率。这会影响电源模块正常工作，并且可能会影响周围其他器件的性能，这种情况需要马上排查。那么什么情况下会造成电源模块发热较严重呢具体原因如下所示：网页链接
从最小的物联网（IoT）家庭自动化传感器到最大的工业机器，每个电路都需要电力。电源设计需要下一番功夫，而且电源电路会占用电路板空间。但在许多应用中，最终用户意识不到更好的电源会带来什么好处。设计工作可以说是完全不受重视。电源模块是一种经过测试的完整电源，兼具低噪声、高效率和紧凑布局等优势，因此在这些情况下，可使用电源模块来省去设计工作。电源模块是置于印刷电路板（PCB）上某个封装内的独立元件，其中包含整个开关电源（含电感）。脉宽调制（PWM）控制器、MOSFET驱动器、功率MOSFET、反馈网络和磁性元件都包含在同一个封装内。电源模块封装技术的进步带来了令人振奋的优势，通过将无源元件集成到开关稳压器中，针对电源转换问题有效打造出系统级封装解决方案，从而简化并加快新产品的设计。这样，设计人员便可专注于设计的其他方面，从而缩短上市时间并改进其产品的其他特性。
图1：电源模块封装技术的进步简化并加快了新产品设计
电源中的主要设计挑战是稳定性、瞬态响应、效率、EMI和布局。采用分立实现的板载电源解决方案时，需要针对每个电源测试这些特性，就算是将设计重新用于新电路板的新布局时也要如此。即使是在谨慎模拟或以前经过原型设计的电路中，实际布局也可能引入稳定性问题、电磁辐射、意外的瞬态行为或出人意料的效率结果。这可能会给项目增加不必要的设计反复，并可能推迟整个产品的发布。电源模块的主要优势之一便是消除这些风险。考虑到性能，电源布局主要在电源模块内。电感、控制器和功率晶体管全部封装在一起，采用固定、经过测试和验证的内部连接。效率、瞬态性能、稳定性和EMI均在数据手册中列出。线路和负载瞬态响应；使能和禁止瞬态响应；甚至启动到短路或故障条件的波形都可以在文档中找到。这可提供已知的良好性能，并以最少的工作量和最低的风险完成设计。就实现板载直流/直流转换而言，没有任何方法比电源模块更简单。网页链接
开关电源的工作原理是利用一系列电子元件，将交流电变换为直流电。
首先，它将一个低额定电压转换为高额定电压，然后将高额定电压控制通过控制电路调整输出的直流电压。
主要的电子元件有变压器、滤波电容器、开关模块、定流电阻器等。
变压器工作时，能够将低交流电压转换成高电压，滤波电容器可以过滤掉微小的脉冲、抑制电磁干扰，保证交流电的稳定性，开关模块是根据需要，通过开关来调整输出电压，控制电流和电压，定流电阻器可以起到调整输出电压的作用。
开关电源的应用很广泛，它们常用于光伏站、无线电台、仪器仪表、工业控制、家用电器、照明系统和其他电子设备的供电。
此外，由于开关电源的噪音低，可靠性高，效率高，一般都采用开关电源来替代传统的直流电源。
