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什麼是開關電源 原理與選擇方法的完整指南
從開關電源的基礎知識、工作原理、選型要點, 到24V/12V的應用範例與雜訊對策, 進行全面解析. 滿載初學者~中級工程師想了解的資訊. 也請參閱本公司UNIFIVE的產品介紹與支援體制.
目次
什麼是開關電源?淺顯易懂地說明基本原理與應用重點
對於電氣與電子設備的設計技術人員與工程師而言,開關電源是在實現高效率、小型化與低成本化方面不可或缺的存在。本文將綜合說明開關電源的基本機制與動作原理、依應用選型的方法,以及雜訊對策與安全規範等應掌握的重點。內容特別整理成淺顯易懂的形式,讓新手至中階工程師,以及第一次進行電源設計的人也能理解,歡迎閱讀至最後。
開關電源的歷史
開關電源的歷史可追溯至19世紀。
據說全球第一個開關電源由IBM於1958年開發。當時IBM所設計的開關電源是基於真空管技術。同時期GM公司也以電晶體振盪的形式申請了類似專利。據稱這項技術創新大幅拓展了設備設計者的選擇範圍。1960年代在太空、通訊、電子與電腦領域皆是蓬勃發展的時代。
開關電源的機制與動作原理
*開關電源的基本方塊圖範例
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開關電源是將輸入側的交流(AC)整流為直流(DC),之後透過高頻開關元件(MOSFET等)高速開關來控制電壓的電力轉換器。與線性電源相比,具有以下特點。
其動作流程大致為,AC輸入→整流電路→高頻開關電路(PWM控制等)→隔離變壓器(視需求)→整流與平滑→輸出。控制電路透過PWM(脈衝寬度調變)維持輸出電壓與電流穩定,並具備防止過電壓與過電流的保護功能。
與線性電源的差異與選型重點
經常被比較的是線性電源(串聯式穩壓器)。線性電源透過電晶體或穩壓IC降壓,高頻雜訊少且設計簡單,但存在以下缺點。
| 項目 | 開關電源 | 線性電源 |
|---|---|---|
| 轉換方式 | 高頻開關 | 電晶體等連續控制 |
| 效率 | 高(約80%~95%) | 低(約50%~70%) |
| 發熱 | 少 | 大 |
| 尺寸與重量 | 小型、輕量 | 大型、重 |
| 雜訊(高頻) | 大 | 小 |
*開關電源與線性電源比較表
開關電源雖需進行雜訊對策,但能同時實現小型化與高效率。選型時請確認以下重點。
- 輸出電壓與輸出電流範圍
- 輸入電壓(AC/DC)範圍
- 效率、發熱量與冷卻方式
- 雜訊特性
- 保護功能(過電壓、過電流等)
- 尺寸、重量與價格
為何開關電源效率高
開關電源效率高的原因在於,開關元件僅在導通或截止狀態下運作,處於中間電壓的時間極短。不像線性電源持續產生損耗,因此發熱少,有助於節能。
此外,透過控制開關頻率與脈衝寬度,即使在待機或輕載時也能維持效率。
開關電源的電路拓撲種類
升降壓型(反激升降壓轉換器)電路
屬於非隔離型,可升壓與降壓。用於取得與輸入電壓極性相反的輸出電壓。開關導通時,電感儲能;截止時,能量經二極體釋放。與降壓型相比,電容(輸出濾波用)電流較大。
降壓型(降壓轉換器)電路
為非隔離型。當輸入電壓高於輸出時使用。透過控制導通時間比例來降低輸出電壓。屬常見DC-DC架構。導通時電感儲能,截止時經二極體或MOSFET釋放能量。電路簡單、成本低。
升壓型(升壓轉換器)電路
當需要高於輸入的輸出電壓時使用。開關導通時電感儲能,截止時經二極體向負載釋放,因此輸出高於輸入。
推挽式
一次側兩組相同匝數線圈交替導通,在變壓器磁芯中產生交流磁場。二次側頻率為一次側2倍,有利於濾波小型化。適用較大容量電源。
正激式
導通期間透過變壓器向二次側供電。適用數百W以下電源,效率高。
反激式
導通時在變壓器一次側儲能,截止時由二次側經二極體整流與平滑電路輸出DC。結構簡單但電流較大。
全橋式
四開關交替導通,適合大功率電源,亦用於計算設備POL。
半橋式
其中降壓、升壓、升降壓為非隔離型;正激、反激、推挽、半橋與全橋為隔離型。
24V開關電源的特點與應用
24V電源的優勢
24V開關電源廣泛應用於工業設備與FA系統。
- 安全性高
- 標準化程度高
- 擴充性佳
提升可靠性與安全性的技術
包含隔離設計、過壓與過流保護、PFC等,並符合UL、EN等國際規範。
12V開關電源的選型重點
用途與基準
12V開關電源常用於LED與通訊設備。
- 額定功率(W)
- 效率與散熱
- 安全認證
開關電源的雜訊問題與對策
雜訊來源
主要來自高頻開關與電流突變。
對策
- 適當配置電容
- 選用高速二極體
- 加入緩衝電路
開關電源製造商的選擇
UNIFIVE的特色
- 品質管理完善
- 支援客製化
- 產品線齊全
總結
本文說明了開關電源的原理、種類與選型重點。開關電源在效率與小型化方面優勢明顯,但需重視雜訊與保護設計。
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