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通过电抗元件获得高效率

开关调整器能够达到如此高的效率的原因之一在于其使用了开关,而不是晶体管。现代开关电源效率高的另一根本原因是电容和电感的有效共同使用。

电容和电感被归类为电抗元件,因为它们具有独特的储能作用,该功能使其不发生功耗,仅将获得的能量储存起来。相反,电阻元件会消耗能量而不有存储能量。

电容存储的能力称为静电能量,能量大小与电容和电压有关。电感存储的能量称为磁能,大小与电感量和电流有关。

我们不禁要问:除了效率考虑外,原理上是否一定需要电抗元件?例如,构成线性调整器只要有串联导通的元件用于阻挡过剩电压就行,并非一定需要输入或输出电容。但开关调整器原理与线性调整器差别很大,以下几方面概括了开关类型功率变换器的基本结构。

1.需要一个晶体管控制电压输出并实现电压调节。选择晶体管作为开关的原因为:该开关器件功率损耗与其两端电压及流过的电流乘积有关,所以若能使电压或电流很小,则能使损耗很小。不断交替地使晶体管牌导通和关断状态,就能减少开关损耗。若能同时控制导通和关断的时间比,就能根据平均输出能量来调节输出。

2.无论在开关导通或关断时改变开关状态都会使得输入与输出有效隔开。但输出端负载总是需要连续的能量供给。因此需在变换器一定位置引入储能元件。特别在上述输入与输出分离情况下需使用输出电容以保持负载电压的稳定。

3.一旦引入了电容就需要限制流过其上的浪涌电流。所有在直流电源直接接有电容的场合都会产生浪涌电流,它不仅导致噪声和EMI,而且影响效率。可以简单地用一个电阻抑制浪涌电流,早期的“储桶式调整器”就是使用这种方法

4.然而,电阻会消耗功率。这样,在开关上减小的功耗最终可能又消耗在所加电阻上。因此,为了最大限度提高效率,变换过程需只使用电抗换件。从原理上说,电抗元件仅存储能量而不消耗能量。这样,由于电感能限制电流上升速度而没有功耗,电感与电容配合后最终可以限制电容的浪涌电流,因而电感成为我们的最后选择。

上述概念还会进一步讨论。应该知道,电感储存能量后无法瞬时将能量释放出来,其释放能量过程需要一些具体步骤。这些步骤正是实际变换器工作过程所要求的。



西方节选自《精通开关电源设计》,由镭之源激光电源整理

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