[導讀]全國大學生電子設計競賽是教育部和工業(yè)和信息化部共同發(fā)起的大學生學科競賽之一，是面向大學生的群眾性科技活動，目的在于推動高等學校促進信息與電子類學科課程體系和課程內(nèi)容的改革。競賽的特點是與高等學校相關專業(yè)的課程體系和課程內(nèi)容改革密切結合，以推
第一章 電源簡介
1.1 電源分類
1.1.1 電源與電源轉換器
?? 電源轉換器是能夠?qū)㈦娏δ茉吹男问竭M行控制和轉換的裝置，它的能量變化過程是電能→電能，而非其他能量→電能。電源轉換器能夠轉換主電源電能的形式或規(guī)格，用于滿足不同用電設備對不同電能形式的需要，或用在供電電源與負載之間，對電能進行變換或穩(wěn)定處理。本書中所講的“電源”概念，實際上指的是電源轉換器。
1.1.2 電源轉換器類型
?? AC-AC(交流-交流)轉換器：如交流電源變壓器、變頻器等。AC-DC(交流-直流)轉換器：整流器。DC-DC(直流-直流)轉換器。DC-AC(直流-交流)轉換器：逆變器。
（2）根據(jù)轉換的方法分類，可分為
?? 線性電源：使用工作在線性區(qū)的功率器件調(diào)整管，靠調(diào)整功率管上的電壓降來穩(wěn)定輸出。線性電源的缺點是：由于調(diào)整管靜態(tài)損耗大，因此效率相對較低，且需要安裝一個很大的散熱器來散熱；由于變壓器工作在工頻(50Hz)上，所以 體積和重量較大。優(yōu)點是穩(wěn)定性高、紋波小、可靠性高，易做成多路、輸出連續(xù)可調(diào)的成品。
??開關電源：開關電源是通過控制開關管的開通和關斷來輸出電壓的一種電源。它的優(yōu)點是：與同功率檔次的線性電源相比，體積小、重量輕，在高功率產(chǎn)品中這種差異更為明顯，這是因為開關電源不需要沉重的工頻變壓器和很大容量的濾波電容，同時開關管功耗比線性電源調(diào)整管小得多，因此所需散熱片面積比較?。婚_關電源的控制方式和電路拓撲決定了它的功耗小、轉換效率高、穩(wěn)壓范圍寬、濾波效率高、安全可靠、電路形式靈活。開關電源近年來一直有較大的發(fā)展，研究人員提出了包括高頻化、軟開關技術、諧振直流環(huán)、屏蔽技術等在內(nèi)的多項新技術，很多廠家也都不斷推出高性能高集成度的控制IC，使得開關電源的線路在不斷簡化的同時具有更可靠高效的性能。
??開關電源按控制方式可分為：
?? 脈沖調(diào)制變換器：驅(qū)動波形為方波。包括PWM調(diào)制、PFM調(diào)制、混合調(diào)制等。
?? 諧振式變換器：驅(qū)動波形為使用諧振電路得到的正弦波。包括ZCS(零電流諧振開關)、ZVS(零電壓諧振開關)等。
??按拓撲結構可分為：
?? 隔離式：采用變壓器來實現(xiàn)輸出與輸入電氣隔離。包括單管正激式、單管反激式、雙管正激式、雙管反激式、推挽式、半橋式和全橋式等類型。
?? 非隔離式：拓撲中不使用隔離變壓器，輸入與輸出不存在電氣隔離。包括降壓式(Buck)、升壓式(Boost)、升壓降壓式(Buck Boost)、Cuk DC/DC轉換器、Zeta DC/DC轉換器和SEPIC DC/DC轉換器等類型。
（3）根據(jù)調(diào)控的效果分類，可分為:
?? 穩(wěn)壓電源：能為負載提供穩(wěn)定的交流或直流電壓的電源。當電網(wǎng)電壓或負載出現(xiàn)波動時，輸出電壓保持不變。
?? 恒流電源：能向負載提供恒定電流的電源，在電網(wǎng)電壓產(chǎn)生波動或阻抗特性發(fā)生變化時仍能使輸出電流保持恒定?，F(xiàn)有的恒流電源的恒流范圍大致為1μA～20A。它既可以為各種放大電路提供偏流以穩(wěn)定其靜態(tài)工作點，又可以作為其有源負載以提高放大倍數(shù)，在差動放大電路、脈沖產(chǎn)生電路中也得到了廣泛應用。恒流電源依據(jù)其主要構成元件可以分為晶體管恒流源、場效應管恒流源、集成運放恒流源等。
?? 調(diào)頻/變頻電源：輸出電壓的頻率可調(diào)的(交流)電源。
1.2 電源的各項指標
1.2.1 直流電源指標
??其中， Uomax為輸入電壓變化時最大輸出電壓， Uomin為最小輸出電壓值， Uo為額定輸出電壓。
（2）負載調(diào)整率Si ：負載調(diào)整率也稱為電流調(diào)整率。表示在輸入電壓不變的情況下，在一定范圍內(nèi)改變負載時，輸出電壓的最大相對變化量。即：
??其中， Uo2為空載（或輕載）時輸出電壓， Uo1為滿載（或重載）時輸出電壓， Uo為額定負載時輸出電壓。
（3） 紋波電壓（電流）的指標形式：
??最大紋波電壓(電流)：在額定輸出電壓和負載電流下，輸出電壓(電流)的紋波(包括噪聲)峰-峰值大小，通常以峰-峰值△Vp-p(△Ip-p)或有效值△Vrms（△Irms）表示。
?? 紋波系數(shù) ：在額定負載電流下，輸出紋波電壓的有效值與輸出直流電壓之比。即：
1.2.2 交流電源指標
（4） 有功功率P：將電能轉換為其他形式能量(如機械能、光能、熱能等)的電功率，單位為瓦特(W)。 有功功率用一個周期內(nèi)瞬時功率的積分的平均值來計算。
??對于交流電，
??其中，u(t) i(t)分別為瞬時電壓、電流， T為周期。
??對于正弦交流電，
??其中， U和I分別為電壓、電流有效值， φ為電壓、電流相位差。
（5） 無功功率Q：電路中為建立交變磁場和感應磁通而需要的電功率，單位為乏(Var)。無功功率不對外作功，也不轉化為機械能、熱能，而是轉變?yōu)槠渌问降哪芰?，用于電路?nèi)電場與磁場的交換，并用來在電氣設備中建立和維持磁場。無功功率是交流電路中由于電抗性元件(指純電感或純電容)的存在，而進行可逆性轉換的那部分電功率。
（6） 視在功率S：視在功率是有功功率和無功功率的向量和，也可以用電壓和電流有效值的乘積來表示，單位為伏安(VA)或千伏安(kVA)。視在功率表明了用電器從電源(電網(wǎng))獲取的總功率，但并不代表用電器真正消耗的功率。它代表了一種能量之間的交換關系，也是衡量用電器最大負荷承受能力的指標之一。
（7） 功率因數(shù)PF：功率因數(shù)定義為有功功率P與視在功率S的比值，在正弦交流電中可等效為電壓與電流相位差的余弦值。功率因數(shù)計算公式為
??其中 φ表示 u(t)和i(t) 的相位差，也稱功率因數(shù)角；γ表示基波因數(shù)，定義為基波有效值(均方根值)與真有效值(均方根值)的比值，對于純正弦交流信號，γ=1 。
??功率因數(shù)是對電能進行安全有效利用的衡量標準之一，功率因數(shù)值越大，代表電力電子設備的電能利用率越高。
??如圖所示，“功率三角形”表示視在功率S、有功功率P和無功功率Q三者在數(shù)值上的關系。
（8） 諧波失真THD：THD有兩個常用的定義。在IEC 61000-4-7中，THD定義為指定 次全部諧波分量均方根值與基波分量均方根值之比。公式用來計算電壓和電流THD：
??這一THD定義更常見于能源計量系統(tǒng)，如果基波的貢獻小于其他諧波的總貢獻，得到的THD值可能會超過100%。
??THD的另外一個定義是指定次（ N）全部諧波分量均方根值與總均方根值之比。 總RMS值包括基波和其他諧波的作用。公式分別用來計算電壓和電流THD：
?? 在THD的這一定義中，由于總均方根被用作分母，而不僅僅是基波均方根值。因此，得到的值總小于100%。
??在公式中，Vh,rms 和 Ih,rms分別表示電壓、電流的h次諧波有效值。在測試THD精度時，需注意所使用的THD定義，因為這兩個不同的定義會得出兩個不同的值。
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