面試經(jīng)常問的問題：線性電源VS開關(guān)電源

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2022-11-07 17:07:22 828

電源按照轉(zhuǎn)換原理分類，可分為線性電源和開關(guān)電源。我們對(duì)電源進(jìn)行線性電源和開關(guān)電源分類的時(shí)候，其實(shí)要明確是AC/DC還是DC/DC。雖然這個(gè)分類是為了區(qū)分轉(zhuǎn)化的原理。但是實(shí)現(xiàn)AC/DC功能的線性電源和開關(guān)電源，都是完整的交流轉(zhuǎn)化為直流的過程嗎，其中有些電路的一部分就是由DC/DC組成的。

AC/DC的線性電源與開關(guān)電源

有很多的課本、書籍、文章，直接會(huì)把線性電源特指“AC/DC的線性電源”，什么是線性電源？線性電源（Linear power supply）是先將交流電經(jīng)過變壓器降低電壓幅值，再經(jīng)過整流電路整流后，得到脈沖直流電，后經(jīng)濾波得到帶有微小波紋電壓的直流電壓。

AC/DC的線性電源和開關(guān)電源的特點(diǎn)區(qū)別如下：

AC/DC的線性電源先用工頻變壓器進(jìn)行交流電降壓，然后對(duì)其進(jìn)行整流。通過變壓器降壓后電壓已經(jīng)比較低了，可以使用三端穩(wěn)壓器等電源芯片進(jìn)行穩(wěn)壓。線性電源的調(diào)整管工作在放大狀態(tài)，因而發(fā)熱量大，效率低（與壓降多少有關(guān)），需要加體積龐大的散熱片。工頻變壓器體積也相對(duì)比較大，當(dāng)要制作多組電壓輸出時(shí)，變壓器體積會(huì)更大。

AC/DC開關(guān)電源的調(diào)整管工作在飽和和截止?fàn)顟B(tài)，因而發(fā)熱量小，效率高。AC/DC開關(guān)電源省掉了大體積的工頻變壓器。但AC/DC開關(guān)電源輸出的直流上面會(huì)疊加較大的紋波，在輸出端并接穩(wěn)壓二極管有可能可以改善，另外由于開關(guān)管工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的尖峰脈沖干擾，也需要在電路中串連磁珠加以改善。相對(duì)而言線性電源的紋波可以做得很小。開關(guān)電源通過不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)，降壓、升壓、升降壓，而線性電源只能實(shí)現(xiàn)降壓。

早期很多電源適配器都比較重，其轉(zhuǎn)換原理就是AC/DC線性電源，其內(nèi)部用的是工頻變壓器。AC/DC線性電源是先用變壓器把交流電壓進(jìn)行降壓，這種直接在市電進(jìn)行降壓的變壓器，我們稱為工頻變壓器，如圖1.9所示。工頻變壓器也稱作低頻變壓器，以示與開關(guān)電源用高頻變壓器有區(qū)別，工頻變壓器在過去傳統(tǒng)的電源中大量使用。工頻電力工業(yè)的市電標(biāo)準(zhǔn)頻率，一般也稱作市電（“市電”是指：城市里主要供居民使用的電源）頻率，在我國是50Hz,其他*也有60Hz的?？梢愿淖冞@個(gè)頻率交流電的電壓的變壓器,就是叫工頻變壓器了。工頻變壓器相對(duì)于高頻變壓器，一般體積比較大。所以有工頻變壓器實(shí)現(xiàn)的AC/DC線性電源體積也就比較大。

工頻變壓器

下圖是典型的線性電源電路圖，實(shí)現(xiàn)交流轉(zhuǎn)直流的電源，市電交流220V經(jīng)過變壓器、整流器、電容濾波，由線性穩(wěn)壓管實(shí)現(xiàn)需要的輸出電壓，實(shí)例中實(shí)現(xiàn)+5V和-5V兩個(gè)直流的輸出。

典型的線性電源電路圖

60年代開始，由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了高反壓的晶體管，從此直流變換器就可以直接由市電經(jīng)整流、濾波后輸出一個(gè)高壓直流，作為電源轉(zhuǎn)換電路的輸入，不再需要工頻變壓器降壓了，從而極大地?cái)U(kuò)大了它的應(yīng)用范圍，并在此基礎(chǔ)上誕生了無工頻降壓變壓器的開關(guān)電源。省掉了工頻變壓器，又使開關(guān)穩(wěn)壓電源的體積和重量大為減小，開關(guān)穩(wěn)壓電源才真正做到了效率高、體積小、重量輕。下圖是一個(gè)典型的單端輸出反激式開關(guān)電源的功率部分原理圖。

典型的單端輸出反激式開關(guān)電源的功率部分原理圖

交流/直流開關(guān)電源是需要先對(duì)交流電源進(jìn)行整流濾波形成一個(gè)近似的直流高壓，然后再通過控制開關(guān)管，產(chǎn)生高頻的脈沖，通過變壓器進(jìn)行變壓。交流/直流開關(guān)電源效率更高，體積更小。體積小的一個(gè)重要原因是高頻變壓器比工頻變壓器體積小很多。為什么頻率越高，變壓器體積越??？

變壓器鐵心材料都有飽和限制，所以磁場強(qiáng)度的峰值都有限制。而交流電的電流、磁場強(qiáng)度、磁通量都是正弦信號(hào)。我們知道，同樣幅度的正弦信號(hào)，頻率越高，信號(hào)的“變化率”的峰值也越大（正弦信號(hào)過零的瞬間是“變化率”的峰值，而信號(hào)峰值時(shí)變化率是0）。同時(shí)，感生電壓又是由磁通量的變化率決定的。所以，同樣的每匝電壓，頻率越高，需要的磁通量的峰值，就可以越小。但是上面已經(jīng)說過，磁場強(qiáng)度的峰值是有限制的。故磁通量要求小了，鐵芯的橫截面積就可以小。上面的分析，是假定同樣的每匝電壓。而每匝電壓這就和功率有關(guān)了。因此，也就是假定同樣的功率。假如功率小一些，電流也就小一些，允許的導(dǎo)線細(xì)一些，電阻稍大一些，就允許增加匝數(shù)，這樣，每匝的電壓也就減小了，同樣可以減小磁通量的要求。進(jìn)而減小體積。還有，上面的分析，是假定材料一定，即飽和磁場強(qiáng)度一定。當(dāng)然，如果采用了具有更高飽和磁場強(qiáng)度的材料，也可以減小體積的。我們知道，現(xiàn)在的變壓器，和幾十年前的同樣規(guī)模變壓器相比，現(xiàn)在的體積要小得多，就是因?yàn)楝F(xiàn)在采用了新型鐵芯材料。

根據(jù)麥克斯韋方程，變壓器線圈內(nèi)的感生電動(dòng)勢E為

也就是磁通密度B隨時(shí)間的變化率在N個(gè)面積為Ac的線匝的積分。

對(duì)于變壓器，變壓器原邊的感生電動(dòng)勢E與輸入側(cè)加的電壓U可以認(rèn)為是線性關(guān)系。變壓器輸入側(cè)的U幅值不變的前提下可以認(rèn)為E幅值也不變。

此外，每種磁芯的磁通密度B會(huì)有一個(gè)上限，高頻用的鐵氧體大約在零點(diǎn)幾特斯拉，工頻用的鐵芯大約在略大于一的水平，差距不是很大。

因此，當(dāng)頻率提高后，在磁通密度B峰值變化不大的前提下，每個(gè)周期內(nèi)的磁通密度變化率dB/dt是大幅增加的，因此可以用更小的Ac或N實(shí)現(xiàn)相同的感生電動(dòng)勢E。Ac減小，意味著磁芯截面面積減小；N減小，意味著可以縮小磁芯空窗的面積，兩者都可以幫助實(shí)現(xiàn)更小的磁芯體積。高頻變壓器的橫截面積更小，線圈的匝數(shù)變少，這樣它的體積也就更小了。

開關(guān)電源的調(diào)整管工作在飽和和截至狀態(tài)，因而發(fā)熱量小，效率高。AC/DC開關(guān)電源不需要使用大體積的工頻變壓器。但開關(guān)電源輸出的直流上面會(huì)疊加較大的紋波，另外由于開關(guān)管工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的尖峰脈沖干擾，也需要在電路中對(duì)電源進(jìn)行濾波加以改善電源的質(zhì)量。相對(duì)而言線性電源就沒有以上缺陷，它的紋波可以做的很小。

DC/DC的線性電源與開關(guān)電源

幾乎所有電子相關(guān)專業(yè)的同學(xué)，接觸最早的一個(gè)穩(wěn)壓電源，也是最簡單的一種穩(wěn)壓電源，就是三端穩(wěn)壓器，也是一種線性電源。

常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78XX系列和負(fù)電壓輸出的79XX系列。

三端穩(wěn)壓器是指這種可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓電壓輸出的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。經(jīng)常在有些電路實(shí)驗(yàn)課程中，它的樣子像是三極管，一般為TO-220 的標(biāo)準(zhǔn)封裝，也有TO-92封裝，如圖所示。這種大封裝的三端穩(wěn)壓器，可以實(shí)現(xiàn)大功率。

用78/79系列三端穩(wěn)壓器來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價(jià)格*。該系列集成穩(wěn)壓IC型號(hào)中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如7806表示輸出電壓為正6V，7909表示輸出電壓為負(fù)9V。因?yàn)槭褂梅奖悖娮又谱髦薪?jīng)常采用，這也誤導(dǎo)了很多剛畢業(yè)的工程師喜歡使用三端穩(wěn)壓器來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓電源。

這種三端穩(wěn)壓器是線性電源的一種。線性電源的基本原理就是：電阻分壓，只不過有一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)整的電阻。不管是線性電源還是開關(guān)電源都是輸出電壓負(fù)反饋。只不過線性電源通過一個(gè)三極管處于一個(gè)放大區(qū)，等效于一個(gè)可以變化阻值的電阻，對(duì)輸出負(fù)載進(jìn)行分壓。通過輸出電壓分壓后反饋，來控制三極管來實(shí)現(xiàn)輸出的穩(wěn)壓。

線性電源的優(yōu)點(diǎn)有:

①輸出電壓的精度較高

② 輸出電壓紋波低，幾個(gè)uV甚至更低

③ 沒有開關(guān)的跳變EMI比較小

④ 結(jié)構(gòu)簡單

⑤ 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，穩(wěn)壓性能好

線性電源的缺點(diǎn)有：

①損耗大，效率低

② 只能實(shí)現(xiàn)降壓

③ 散熱器的體積大，重量大

④ 輸入輸出電壓范圍適應(yīng)性差

其實(shí)我們?cè)诮榻BAC/DC線性電源和開關(guān)電源的時(shí)候，我們可以發(fā)現(xiàn)，其實(shí)都是將交流電源通過整流濾波變成直流信號(hào)，然后再利用“直流轉(zhuǎn)直流”的線性電源或者開關(guān)電源變換成我們期望的電壓輸出。只不過AC/DC的開關(guān)電源會(huì)有隔離的需求，我們會(huì)選擇隔離電源，利用變壓器實(shí)現(xiàn)隔離，并且利用變壓器的匝數(shù)比進(jìn)行降壓。

線性電源：采用調(diào)整管工作在線性區(qū)的方式，通過控制壓差實(shí)現(xiàn)，后級(jí)電路進(jìn)行穩(wěn)壓，沒有開關(guān)噪聲，輸入與輸出不能隔離。只能用于降壓，同時(shí)存在損耗，功耗大時(shí)溫度會(huì)逐步升高，一般用于功耗不大的應(yīng)用。

開關(guān)電源：采用開關(guān)管開關(guān)的方式，損耗一般較低，輸入與輸出能夠隔離，可以實(shí)現(xiàn)升壓和降壓、升降壓的電路。存在開關(guān)噪聲。電路相比于線性電源更復(fù)雜一些。

那么開關(guān)電源為什么發(fā)展越來越好，在各個(gè)領(lǐng)域逐步替代線性電源的比例越來越高呢？開關(guān)電源與線性電源的區(qū)別，也是經(jīng)常被問及的問題。對(duì)于直流轉(zhuǎn)直流的線性電源和開關(guān)電源的對(duì)比，如表1.2所示：

表 1.2線性電源與開關(guān)電源的對(duì)比

	線性電源	開關(guān)電源
輸入輸出電壓的關(guān)系	降壓	降壓、升壓、升降壓
相應(yīng)時(shí)間	快	慢
效率	低	高
噪聲	低	高
成本	低功率有優(yōu)勢	高功率有優(yōu)勢
是否可以隔離	不可以	可以

開關(guān)電源的效率計(jì)算比較復(fù)雜，實(shí)測出來也是一個(gè)曲線：

我們可以看到開關(guān)電源在輕載的時(shí)候和重載的時(shí)候效率比較低，在輸入電壓和輸出電壓的壓差大的時(shí)候效率更低。具體的計(jì)算過程，我們?cè)诤罄m(xù)進(jìn)行介紹。

一般情況下，相比于輸出功率，線性電源自身的基準(zhǔn)電壓源、放大器、取樣等電路消耗的功率比較小，工程實(shí)現(xiàn)時(shí)經(jīng)常忽略不計(jì)，即可以認(rèn)為線性電源的輸入電流和輸出電流大致相等，而線性電源自身的功耗可以認(rèn)為就是調(diào)整管上的功耗。線性電源的本質(zhì)是一個(gè)電阻分壓，所以我們可以直接用公式計(jì)算損耗功率及效率：

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