谐振式开关电源

开关电源的稳压性能、功率、体积比等优势,使其在电子领域得到广泛运用。但是,在目前开关电源技术如此完善的条件下,仍有些领域拒绝开关电源.这其中的原因之一是,开关电源的波形干扰造成的。最明显的例子是音响系统的供电,除开关电源的响应速度不适于音响供电以外,最大的问题是开关脉冲的噪声。目前的DC功放为了能充分突出音频20kHz以内平直的频响特性,为了实现泛音(即电子学上谐波成分)之间复杂的差拍关系,往往将放大器频响扩大到100kHz。如果开关噪声混人其中,虽人耳不可能直接听到20kHz以上的声音,但是高频噪声不同频率之间的差拍频率即可落人人耳可听频率范围内,造成脉冲千扰。所以至今,音响专业生产厂家仍沿用工频变压器加整流滤波的降压供电方式。业余发烧友曾试图将开关电源引入音响设备。但结果总是不满意。

    矩形波电源的运用在其他方面也有不足之处,其中普通的应急电源,如停电宝和低档的计算机用UPS,为了提高DC/AC的转换效率及简化设备,其输出均为近似方波的脉冲交流电。此类脉冲电源,对各种用电设备有不同的干扰和影响。例如,用停电宝向有抽头式凋速电机的风扇供电,供电电压虽不高于额定值,但却经常击穿电机绕组间绝缘,同时运转过程中电机发出极大的噪音;向日光灯等照明设备供电时,则会使灯管两头很快发黑,缩短寿命;对电视机、收音机等供电,会造成对伴音和图像的干扰等等。因此,精密电子设备,如测量仪器、医用电子设备(心电图、B超等)等是决不允许使用脉冲电源供电的。另外,由于脉冲电源有极丰富的谐波,对计算机也不利。因此稍高档的UPS均采用正弦波输出的应急电源。

    但要实现直流电逆变为正弦波交流电并非易事。首先是在输出为正弦波的情况-F,逆变器中开关电源不是工作在开关状态,而必须工作在放大状态,这就必然使其效率降低,而F,.没备庞大,成本也高。在较高档备用电源中,常采用多级方波叠加方式,形成金字塔形的方波组合,即所谓的准正弦波。但这种电路复杂,在家用和一般商业应急电源中难以推广。下面介绍一种得到准正弦波供电的简单方法,即低通滤波法。其特点是电路简单,成本低,输出波形与正弦波极为接近,输出波形中无矩形波前后沿的突变成分,因而可以基本消除前述弊端。根据傅立叶定理,如果保留基波频率的同时,滤除其三次以上的高次奇数倍谐波。则可得到准正弦波。设计开关电源电路时有两种方式可选择:其一,采用谐振于基波的串联谐振回路,当谐振时其等效阻抗最低,等于串联谐振回路的谐振阻抗,而对谐振频率以外其他频率则呈现较高感性或容性阻抗。将此谐振回路串联于负载电路,可以取得最大基波频率输出,高次谐波则被抑制,得到近似于正弦波的输出波形。其二,采用并联型谐振回路,在电感或电容两端得到谐振于基波的谐振电压,使基波幅度提高Q倍,以相对减小谐波的比例。采用低通滤波的方式削弱高次谐波的输出,在低频率的电路中不易得到高Q值的谐振回路,不仅其选频作用不明显,对谐振频率以外的衰减较少,同时还会增大基频信号的损耗,而且在大功率开关电路中会降低效率。


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