什么是電源適配器?

電源適配器(Poweradapter)是小型便攜式電子設(shè)備及電子電器的供電電源變換設(shè)備，一般由外殼、變壓器、電感、電容、控制IC、PCB板等元器件組成，它的工作原理由交流輸入轉(zhuǎn)換為直流輸出;按連接方式可分為插墻式和桌面式。廣泛配套于安防攝像頭，機(jī)頂盒，路由器，燈條，按摩儀等設(shè)備中。

電源適配器又叫外置電源，是小型便攜式電子設(shè)備及電子電器的供電電壓變換設(shè)備，常見于手機(jī)、液晶顯示器和筆記本電腦等小型電子產(chǎn)品上。

電源適配器的結(jié)構(gòu)組成

其中DC/DC變換器用以進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換,它是電源適配器的核心部分，此外還有啟動、過流與過壓保護(hù)、噪聲濾波等電路?輸出采樣電路(R1?R2)檢測輸出電壓變化，并與基準(zhǔn)電壓U，比較誤差電壓經(jīng)過放大及脈寬調(diào)制(PWM)電路，再經(jīng)過驅(qū)動電路控制功率器件的占空比，從而達(dá)到調(diào)整輸出電壓大小的目的。

DC/DC變換器有多種電路形式,常用的有工作波形為方波的PWM變換器以及工作波形為準(zhǔn)正弦波的諧振型變換器。

對于串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源，輸出對輸入的瞬態(tài)響應(yīng)特性主要由調(diào)整管的頻率特性決定。但為準(zhǔn)正弦波的諧振型變換器對于開關(guān)型穩(wěn)壓電源，輸入的瞬態(tài)變化比較多地表現(xiàn)在輸出端。提高開關(guān)頻率的同時(shí)，由于反饋放大器的頻率特性得到改善，電源適配器的瞬態(tài)響應(yīng)問題也能得到改善。負(fù)載變化瞬態(tài)響應(yīng)主要由輸出端LC濾波器特性決定，所以可以利用提高開關(guān)頻率?降低輸出濾波器LC乘積的方法來改善瞬態(tài)響應(yīng)特性。

電源適配器的主要分類

電源適配器可分為AC/DC和DC/DC兩大類?作為二次電源的DC/DC變換器現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)模塊化,且設(shè)計(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化,并已得到用戶的認(rèn)可?但一次電源AC/DC,因其自身的特性使得在模塊化的進(jìn)程中,遇到了較為復(fù)雜的技術(shù)問題和工藝制造問題?以下分別對兩類電源適配器的結(jié)構(gòu)和特性加以闡述?

DC/DC類電源適配器

DC/DC類電源適配器是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓,也稱為直流斬波器?斬L.DCDC類電源適配器波器的工作方式有兩種:一是脈寬調(diào)制方式T不變,改變頻率調(diào)制方式t(通用);二是頻率調(diào)制方式t不變而改變T(易產(chǎn)生干擾)?其具體的電路有以下幾類

①Buck電路—降壓斬波器,其輸出平均電壓Uo小于輸入電壓UD,極性入出相同;

②Boost電路—升壓斬波器,其輸出平均電壓Uo大于輸入電壓UD,極性入出相同;

③Buck-Boost電路下降壓或升壓斬波器,其輸出平均電壓Uo大于或小于輸入電壓

④Cuk電路—降壓或升壓斬波器,其輸出平均電壓Uo大于或小于輸入電壓UD,極性極性入出相反,電感傳輸。

當(dāng)今軟開關(guān)技術(shù)使得DC/DC變換器發(fā)生了質(zhì)的飛躍?美國VICOR電源適配器公司設(shè)計(jì)入出相反,電容傳輸制造的多種ECI軟開關(guān)DC/DC變換器,其最大輸出功率有300W?600W?800W等,相應(yīng)的功率密度為6.2W/cm3?10W/cm3?17W/cm3,效率為80%~90%?日本NemicLambda公司最新推出的一種采用軟開關(guān)技術(shù)的高頻電源適配器模塊RM系列,其開關(guān)頻率為200~300kHz,功率密度已達(dá)到27W/cm3,采用同步整流器(mos-fet代替肖特基二極管),使整個(gè)電路效率提高到90%

電源適配器AC/DC變換器

AC/DC變換器是將交流變換為直流，其功率電流流向可以是雙向的。功率電流流向負(fù)載的變換稱為“整流”，功率電流由負(fù)載傳輸回電源的稱為“有源逆變”。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電，必須經(jīng)整流?濾波，相對來說體積較大的濾波電解電容器是必不可少的。同時(shí)，因遇到安全問題,如UL?CCEE等標(biāo)準(zhǔn)及EMC指令的限制(如IEC、FCC、CSA)，交流輸入則必須加EMC濾波及使用符合安全標(biāo)準(zhǔn)的元件，這樣就限制了AC/DC電源的體積進(jìn)一步小型化。另外，由于內(nèi)部的高頻?高壓?大電流開關(guān)動作，使得解決EMC電磁兼容問題的難度加大，也就對內(nèi)部高密度安裝電路的設(shè)計(jì)提出了很高的要求?由于同樣的原因，高電壓。大電流開關(guān)使得電源工作損耗增大，限制了AC/DC變換器模塊化的進(jìn)程。因此，必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法才能使其工作效率達(dá)到一定的滿意程度。

AC/DC變換器按電路的結(jié)線方式可分為半波電路和全波電路;按電路的控制特點(diǎn)可分為不可控、半控和全控三類;按電源相數(shù)可分為單相?三相和多相;按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限和四象限。

電源適配器的優(yōu)點(diǎn)

1、體積小、重量輕。開關(guān)電源適配器沒有采用笨重的工頻變壓器。由于開關(guān)MOS管上的耗散功率大幅度降低后，又省去了較大的散熱片。由于這兩方面原因，所以開關(guān)電源適配器的體積小，重量輕。

2、功耗小、效率高。開關(guān)電源適配器電路中，開關(guān)MOS管在激勵(lì)信號的激勵(lì)下，它交替地工作在導(dǎo)通—截止和截止—導(dǎo)通的開關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換速度很快，頻率一般為50kHz以上，在一些先進(jìn)的開關(guān)電源線路中，可以做到幾百或者近兆Hz。這使得開關(guān)MOS管的功耗很小，電源的效率可以大幅度地提高，其效率可達(dá)到90%。

3、濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減少。開關(guān)電源適配器的工作頻率目前基本上是工作在50kHz以上，是線性穩(wěn)壓電源適配器的1000倍以上，這使整流后的濾波效率幾乎也提高了1000倍;即使采用半波整流后加電容濾波，效率也提高了500倍。在相同的紋波輸出電壓下，采用開關(guān)電源時(shí)，濾波電容的容量只是線性穩(wěn)壓電源中濾波電容的1/500～1/1000。

4、穩(wěn)壓范圍寬。開關(guān)電源適配器的輸出電壓是由激勵(lì)信號的占空比來調(diào)節(jié)的，輸入信號電壓的變化可以通過調(diào)頻或調(diào)寬來進(jìn)行補(bǔ)償。這樣，在工頻電網(wǎng)電壓變化較大時(shí)，它仍能夠保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。所以開關(guān)電源適配器的穩(wěn)壓范圍很寬，穩(wěn)壓效果很好。此外，改變占空比的方法有脈寬調(diào)制型和頻率調(diào)制型兩種。開關(guān)穩(wěn)壓電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，而且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的方法也較多，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求，靈活地選用各種類型的開關(guān)電源集成電路芯片方案。

電源適配器的發(fā)展趨勢

目前市場上的電源適配器是利用電力電子技術(shù)，通過控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)，調(diào)整輸出電壓一種穩(wěn)壓電源適配器。

中國電源適配器發(fā)展第一階段為1976年以前，是中國開關(guān)電源，電源適配器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初期萌芽階段。各相關(guān)電源技術(shù)都不成熟，沒有系統(tǒng)化，標(biāo)準(zhǔn)化。

外置電源在80年代之前主要還是以線性電源為主，線性電源最大缺點(diǎn)是體積和重量大于電源適配器，且效率低，但優(yōu)點(diǎn)是工作穩(wěn)定，電路簡單，但特別笨重，粗糙，不方便攜帶。

所以在80年代中期日本的東芝率先把開關(guān)電源技術(shù)用于筆記本的外置電源，它的創(chuàng)舉開創(chuàng)了世界上電源適配器發(fā)展歷史上新的一頁，也成為了世界第一個(gè)獨(dú)立的筆記本電源適配器，因?yàn)槔瞄_關(guān)電源技術(shù)的電源外置所以筆記本不需要再考慮到電源轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的熱量聚集在筆記本本身，且電源適配器便于攜帶，成而為它有效的提高了筆記本電腦的商業(yè)化和普及化，一直沿用到了今天。

自從東芝開啟了筆記本電源全面實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源化，率先完成計(jì)算機(jī)電源換代后筆記本廠商全面效仿，在90年代電源適配器已廣泛應(yīng)用在各種電子、電器設(shè)備，程控交換機(jī)、通訊、電力檢測設(shè)備電源和控制設(shè)備電源之中。

電源適配器一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成，是目前穩(wěn)壓電源的代表性之一。

1989年中國標(biāo)準(zhǔn)化的電源生產(chǎn)企業(yè)已發(fā)展到171家，產(chǎn)品規(guī)格340多種，年產(chǎn)電源60多萬臺。

在這一階段，隨著電源產(chǎn)業(yè)的逐步快速發(fā)展，廣大的電源科技工作者急需打破原來的封閉狀態(tài)，了解外部世界。自70年代中期開始，電源科技人員自發(fā)組織技術(shù)交流，1978年召開了第一次全國電源技術(shù)交流研討會，1983年成立了中國電源學(xué)會，1986年得到國家科委的批準(zhǔn)。

就在90年代末歐洲關(guān)于電源轉(zhuǎn)換效率和待機(jī)功耗提出一系列標(biāo)準(zhǔn)將電源適配器推向了一個(gè)無法跨越的高度。電源適配器高頻化使其發(fā)展的方向，高頻化使開關(guān)電源小型化，并使電源適配器更進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動了高技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外電源適配器的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。

在2001年蘋果研發(fā)出時(shí)尚而又輕巧的電源適配器，從而又將電源適配器推向了另一個(gè)新的巔峰，電源適配器被潮流帶向輕巧時(shí)尚的方向，從而電源適配器外觀給人的感覺不再像之前的外觀單一且不太美觀的印象。