原创 电源系统的分类_电源技术概要

一、 电源系统的类型：

1、按输出特性分类：

一般来说，电器系统中的电源，其任务就是为电器系统中的各种电路提供电能。由于电路的类型各易、功能有别，因此对电源供给也有不同的要求。这就给电源输出提出了各种各样的要求：

①恒压电源：又叫稳压电源，要求输出电压值固定，不随负载、输入电压等外部工作条件而变化。同时对电源的最大输出电流、最大输出功率、工作效率、输出电压稳定度（漂移）、纹波系数、电磁兼容EMC特性、温度效应、噪声、阻抗特性等都有特定的要求。

此类电源的应用最广，绝大多数的电子电路都需要电压稳定的电能供给，以至于很多人认为电源就是指稳压电源。

②恒流电源：要求能够在一定的负载变化范围内，提供稳定的电流输出。同时对最高输出电压、最大输出功率、工作效率、输出电压稳定度（漂移）、纹波系数、电磁兼容 EMC特性、温度效应、噪声、阻抗特性等都有特定的要求。

此类电源一般只应用在一些特殊的场合，比如：电池充电电路。恒流电源还有一个比较特殊的用处，由于恒流电源具有极高的交流阻抗（理论值为∞）特性，因此在信号放大系统中也常常用它来作为交流负载，即可以获得足够大的交流增益，还可以靠它为放大电路提供电能。

③综合电源：一些特殊的应用，要求电源在不同的时候呈现恒压或恒流的特性。比如一些比较高级的电池充电器电源，在刚开始的时候采用恒流方式给电池充电，当充电接近完成时，自动转换成为恒压方式充电。

2、按输入输出电量类型分类：

我们最容易获得的，而且是最廉价的电能是220V工频的交流电，因此多数的电器都被设计成为能够使用这种交流电；一些便携式电器设备，如移动电话，笔记本电脑等，为了移动方便，使用了电池供电，电池的输出是低压直流电。但是，电器中几乎全部的电子电路，都只能在特定电压的直流供电状态下工作。因此，这就带来了交流电（AC）与直流电（DC）之间的转化问题，以及交流电压、直流电压的高低变换问题，于是我们按照电源的输入输出电量类型关系，可以把电源分为以下类型：

①普通电源（AC/DC）：输入非稳定的220V工频交流电，输出为较低电压的稳定直流电。



②直流变换器（DC/DC）：输入非稳定的直流电，输出为稳定的更高电压，或者更低电压的直流电。

③交流逆变器（DC/AC）：输入非稳定的直流电，输出稳定的220V工频交流电。此类电源常用在交通工具上，用来使蓄电池对常规电器设备（电视、录象机等）供电。

④交流稳压器（AC/AC）：输入非稳定的220V工频交流电，输出稳定220V工频交流电。

⑤组合电源：以上类型电源的组合。比如应急电源UPS就是AC/DC电源与DC/AC电源的组合。

3、按电源主回路的联接方式分类：

无论是什么类型的电源，都是通过某种方式对输出端的电压或者电流进行特定的操作。比如DC/DC是对输出电压的幅度进行调整，其实稳压的过程实质也是调整输出电压值，通过电压反馈的方式调整输出电压，使其稳定在某一个数值上。而“调整”最终都需要由调整器件来完成。

电源主回路的联接关系，实际上就是：输入端、调整器件、负载（输出端）三者的联接关系。

① 串联式电源：主要特征是调整器件与负载为串联联接，如下图所示。其中，三极管VT为调整器件，RL为负载。

②并联式电源：主要特征是调整器件与负载为并联联接，如下图所示。其中，三极管VT为调整器件，RL为负载，R为限流电阻。



4、按调整器件的工作方式分类：

调整器件是通过改变电荷的通过数量，来达到调整或者稳定负载（输出）端电压或者电流的目的，而调整的方法有两种，一种是限制电流大小的方式，另一种是限制导通时间的方式：

①模拟方式：通过改变调整器件的阻抗，限制电流大小，从而达到调整目的，由于调整器件处于连续导电状态，工作于线性模式，因此称为“模拟方式”，也叫模拟电源。

②高速开关方式：通过改变调整器件的导通时间，限制平均电流的大小，从而达到调整目的，由于调整器件处于高速通断的开关导电状态，工作于开关模式，因此称为“开关方式”，也叫开关电源。

下图是串联型和并联型开关电源主回路的原理示意，并联型结构，能够得到Uo＞Ui的升压型DC/DC变换；串联型结构，能够得到Uo＜Ui的降压型DC/DC变换。以后我们将更详细地分析电路的工作原理。

开关电源最大的优点是效率极高，由于调整器件无论处于通电状态（端电压等于零），还是处于关断状态（电流等于零），都不消耗能量，因此，理论上可以做到 100%的工作效率，实际也可以达到80%以上。而模拟电源是绝对达不到如此高的工作效率。因此开关电源成为现代电子电源的主流发展方向。

5、按调整器件的类型分类：

电源中的调整器件是组成电源系统的关键。半导体双极型功率三极管（普通功率三极管）、功率场效应管、可控硅器件、电子真空管、半导体稳压二极管、饱和电感器辉光放电管等都可以作为电源系统的调整器件，因此可以有以下一些电源的种类：

①双极型半导体电源；

②场效应管电源；

③真空管电源；

④其他类型电源。

在现代电源系统中，前面两类为主流类型。

此外还有许多的分类方法，如：反馈型与参数型、稳定输出型与非稳定输出型、标准输出波形（指AC输出）与非标准波形电源、隔离与非隔离型电源，等等，将在后面的文章中分别介绍

在《电源技术概要㈠》中，我们介绍了电器系统中使用的各式各样的电源。使我们感到要深入研究，或者全面掌握电源技术似乎比较困难。其实我们可以换一个思路，尽管电源的类别很多，但是各数类型的电源，都可以看成是由一些功能模块（或者称为单元电路，下同）组合而成，而这些组成电源的功能模块其实数量并不多，只要清楚了这些单元电路的工作原理和结构特征，就很容易全面掌握电源技术要领。本节将首先简要说明这些单元电路的基本作用、基本原理。更详细的细节知识，设计要求，以及如何通过这些单元电路组成我们需要的电源系统，等等问题将在后面的文章中专门探讨。

二、电源系统基本单元电路介绍

1、 整流与滤波电路（ AC/DC）

　　整流电路的作用就是将极性双向变化的交流电或者双向脉冲电，转变成为单向脉冲电，单向脉冲电再经过滤波电路的积分作用就成为直流电。因此整流和滤波电路的共同作用，才能完成了交流电到直流电的转化。

　　普通二极管的单向导电性，是构成基本整流电路的基础。以下是三种二极管整流电路原理图，它们分别是：半波整流、全波整流、桥式整流。

　　二极管的参数（型号）依工作电压和最大输出功率确定，如果所整流的对象是非50HZ交流电或者是非正弦波脉冲，还需要考虑二极管的频率特性（开关特性）。

　　下图是一种可以同时输出两种电压的特殊整流电路，此电路常常使用在需要适应两种不同标准（美国标准110V，中国标准220V）工频电压的电器中。



　　还可以通过多级倍压的方法获得更高的整流输出直流电压，如下图所示：


　　此外，也可以使用可控硅器件，构成输出电压连续可调的整流电路。

　　图中，通过改变每一个正弦周期中可控硅的触发时间，控制导通角，达到调整输出电压的目的。

　　还可以使用工作于开关状态的功率场效应管构成开关同步整流电路。由于在大电流工作状态下，场效应比二极管的导通电压更低，开关特性更好，因此同步整流电路比较适合用在大电流低电压的高频脉冲整流中。下图是使用了两只场效应管（SR1、SR2）构成的自驱动同步整流电路。



　　下图是由MAX1638构成的直流变换器电路，其中输出端采用了同步整流为外驱动方式。



2、 线性稳压电路

　　下图是最基本的串联型反馈式线性稳压电路的原理图。其中，VZ是是普通的稳压二极管，用来产生基准电压，T1是调整管，R1、R2构成对输出电压的取样电路。


　　
　　串联型反馈式线性稳压电路的稳压过程是：输出电压取样，与基准电压比较，获得输出电压的误差量，对调整器件实施反馈控制，改变其电流导通量，达到修正输出电压的目的，属于电压型负反馈类型。

3、 开关稳压电路

　　开关稳压电源的控制方式，也是采用了与线性稳压电源相同的电压型负反馈类型，也分为串联和并联两种类型。最大的区别是：调整器件工作于高频率的通断状态，通过改变通断的时间比例（脉冲占空比），来改变平均电流值，达到修正输出电压的目的。基本原理参见以下方框图。



4、 恒流输出的方法及电路

　　所谓恒流输出是指，当输入电压或者负载阻抗在一定范围内变化时，电源能够保持对负载的输出电流恒定不变。实现恒流输出的基本方法是采取电流反馈。下图所示是线性恒流电源的组成方框图，同样可以采用与开关稳压电源类似的调整方式，实现电源恒流输出。



5、 直流电压变换（DC/DC）方法

　　电压变换是指电压高低的变换，即升压或者降压。交流电压的升降变换，一般通过普通的变压器就可以完成。而直流电压不能够简单地直接变换，需要通过功率脉冲振荡器，先将直流电转变成为脉冲交流电，再通过脉冲变压器升压或者降压，最后经过整流滤波电路还原成为直流电，它实际上属于开关电源的一种类型。
在高压大功率应用场合。为了减小高压大功率变换器开关器件的电压应力，提出了三电平直流变换器的方案，该方法可使开关管的电压应力是输入直流电压的一半。其变换过程如下图所示：



　　选用高的振荡频率，有助于大幅度减少脉冲变压器的体积，但却带来了对功率开关调整器件频率特性的更高要求，也加大了EMC设计的难度。所以一般选择几十千赫兹到兆赫兹范围的振荡频率。

6、 逆变（DC/AC）方法

　　逆变就是把直流电转变成为工频交流电。最简单直接的逆变方法，就是使用工频正弦波信号去驱动低频功率放大器，从放大器输出端获得工频交流电，再经过普通铁磁变压器获得所需要的电压值。这种方法的主要缺点是，成本高、转化效率低、输出功率有限。

　　现代逆变器多数采用了 PWM（脉冲宽度调制）技术，获得大功率、高效率的交流逆变输出，基本工作原理如下图左所示，下图右是脉冲变压器付边的电流、电压波形。



7、变压器及电源隔离技术

　　变压器是电源系统中不可缺少的主要部件，铁磁变压器笨重，用于变换工频交流电的电压；铁氧体材料的脉冲变压器轻巧、低成本，适合用来变换高频率的脉冲电压。变压器原边与付边之间是通过磁场传递能量，原边与付边之间没有电接触，因此在电源系统中，变压器还有一个重要的作用，就是实现原边与付边的电隔离。下图是使用TOP202Y构成的小功率低输出电压开关电源原理图，其中通过脉冲变压器以及光电偶合器，实现了输入输出的完全隔离。