开关电源与线性电源.docx

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开关电源与线性电源

电源重要性：

电源是电路设计中的重要部分，电源的稳定性在很大程度上决定了电路的稳定性。

可以毫不客气的说，一个电路的质量在很大程度上取决于其电源的质量。

电源电路的作用：

电源电路的功能基本上是将交流转化为直流或直流转化为交流，也可能是直流间的电压转化。

交流转化为直流都是通过整流二极管来完成，直流转化为交流都是通过振荡电路来完成，这两点在任何电源电路中都是一样。

电源电路按其原理可分为直流电源、开关电源和相控电源。

由于相控电源用在要求不高，电流特大的场合，一般在电子行业中用不到。

这里就不介绍了。

线性电源和开关电源：

根据电源电路的工作原理，电源电路主要可分为两类：

线性电源和开关电源。

不论是线性电源还是开关电源，最终都是生成直流电的。

而且在直流转直流的电源中，几乎全部使用开关电源。

如果你看到电压转换芯片，那么不用怀疑，其原理肯定是开关电源，因为线性电源做不到那么小。

先看线性电源和开关电源的原理图（实际电路可能要复杂一些）。

线性电源原理：

原理如图1（a）所示，图中所示为串联线性稳压电源，并非代表所有线性稳压电源的电路拓扑结构。

若输入为交流市电，则线性电源的工作原理是：

先将220V低频交流市电通过工频变压器（工频为50Hz）转化为低压低频交流电，然后通过整流电路将低压低频交流电转化为低压直流电。

其中，在整流过程中必须加入大电容来滤波，如图1（a）所示。

晶体管和运放构成的是反馈电路，用来稳定最终的直流输出，因此其中的晶体管也叫调整管。

这种技术很成熟，因此，线性电源的输出非常稳定，纹波极小，这是优点。

缺点是工频变压器和大电容体积巨大，不能集成，且调整管工作在放大状态，耗能和发热巨大，导致电源效率不高且整体烫手。

此外，调整管发热大，需要大的散热片，也是一大缺点。

开关电源原理：

如果要想减小元件的尺寸，同时提高效率，一个容易想到的方法就是将市电的低频交流电变成高频交流电再转化为直流电，因为高频器件会尺寸会小很多（尤其是变压器）。

开关电源利用的就是这种思想。

开关电源是先把220V的低频市电直接整流成高压直流电（不降压！

这和线性电源不同），然后将高压直流电加到变压器初级上，利用高频PWM信号控制开关管将高压直流信号变成高频高压的方波信号。

然后，通过高频变压器将高频高压的方波信号转换为高频低压的交流信号。

最后，通过整流滤波将高频低压的交流信号变为低压直流信号。

由于市电是单相交流电，而这里的整流为单相半波整流（只有一只整流管，图中右边的那只应该是稳压管，用于稳定输出电压的），因此整流后的信号只保留高频低压交流信号的上半部分，即只保留正向电压。

记住，在单个周期中，这个正向电压的宽度就是开关管开通的时间。

而半波整流后的滤波电路是低通滤波，相当于积分效果。

因此，最终的直流输出值就取决于半波整流后正向电压的宽度，也就取决于开关管的开通时间，也就是说实现了PWM调制。

输出的直流电压最终会反馈到PWM电路中去稳定输出。

图中的PC为光耦合器，起到一个电路前后级隔离的作用。

通过上述分析，可知开关电源的优点是元器件小，易于集成，且晶体管工作在开关状态，发热小，因此电源整体效率高。

缺点是开关管和后面的半波整流管、稳压管都会产生噪声，因此输出的信号质量较低，纹波较大。

本部分具体参见X:

\MyLibaray\Electronics\电源电路\线性电源和开关电源的区别（Elec.No23）和X:

\MyLibaray\Electronics\电源电路\开关电源与线性电源性能的比较（Elec.No22）。

线性电源和开关电源比较：

区别这两种电源电路的关键是看电路中晶体管的工作状态，若是工作在放大状态，且晶体管起到一个反馈调节最用，则是线性电源；若是工作在开关状态，晶体管的目的是为了产生高频信号，则是开关电源。

这也是为什么叫做“开关电源”的原因。

在现实生活中，根据不同的应用需求选择不同的电源。

例如，笔记本电脑对电源质量要求很高，因此用的是直流电源，这也是为什么笔记本电源很热的原因。

而台式机用的是开关电源（也就是ATX电源），因为台式机功率大且对电源质量要求不高，因此选用高效率的电源电路。

记住，线性电源和开关电源没有孰优孰劣，也不存在谁淘汰谁，只是应用场合不同而已。

但是为什么笔记本电源体积比台式机要小呢？

这应该是由于笔记本的功率要比台式机小很多，所以体积可以小一些。

还有就是笔记本电源采用更优良的设计和器件，进一步降低了电源体积。

本部分具体参见X:

\MyLibaray\Electronics\电源电路\线性电源和开关电源的区别（Elec.No23）。

ATX电源：

ATX电源是计算机的工作电源，作用是把交流220V的电源转换为计算机内部使用的直流5V，12V，24V的电源。

异步电机（感应电机）的工作原理是通过定子的旋转磁场在转子中产生感应电流,产生电磁转矩,转子中并不直接产生磁场.因此,转子的转速一定是小于同步速的（没有这个差值,即转差率,就没有转子感应电流）,也因此叫做异步电机.

而同步电机转子本身产生固定方向的磁场（用永磁铁或直流电流产生）,定子旋转磁场"拖着"转子磁场（转子）转动,因此转子的转速一定等于同步速,也因此叫做同步电机.

作为电动机时,大部分是用异步机;发电机都是同步机。

同步电机和异步电机的区别

三相交流电通过一定结构的绕组时,要产生旋转磁场.在旋转磁场的作用下,转子随旋转磁场旋转.如果转子的转速同旋转磁场的转速完全一致,就是同步电机;如果转子的转速小于磁场转速,也就是说两者不同步,就是异步电机.异步电机结构简单,应用广泛.同步电机要求转子有固定的磁极（永磁或电磁）,如交流发电机和同步交流电动机.

电机的转速（定子转速）小于旋转磁场的转速，从而叫为异步电机。

它和感应电机基本上是相同的。

s=（ns-n）/ns。

s为转差率，

ns为磁场转速，n为转子转速。

基本原理：

（1）当三相异步电机接入三相交流电源时，三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势（定子旋转磁动势）并产生旋转磁场。

（2）该旋转磁场与转子导体有相对切割运动,根据电磁感应原理,转子导体产生感应电动势并产生感应电流。

（3）根据电磁力定律，载流的转子导体在磁场中受到电磁力作用，形成电磁转矩，驱动转子旋转，当电动机轴上带机械负载时，便向外输出机械能。

特点:

优点：

结构简单，制造方便，价格便宜，运行方便。

缺点：

功率因数滞后，轻载功率因数低，调速性能稍差。

主要做电动机用，一般不做发电机！

异步电机是一种交流电机，其负载时的转速与所接电网的频率之比不是恒定关系。

异步电机包括感应电机、双馈异步电机和交流换向器电机。

感应电机应用最广，在不致引起误解或混淆的情况下，一般可称感应电机为异步电机。

普通异步电机的定子绕组接交流电网，转子绕组不需与其他电源连接。

因此，它具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠以及质量较小，成本较低等优点。

异步电机有较高的运行效率和较好的工作特性，从空载到满载范围内接近恒速运行，能满足大多数工农业生产机械的传动要求。

异步电机还便于派生成各种防护型式，以适应不同环境条件的需要。

异步电机运行时，必须从电网吸取无功励磁功率，使电网的功率因数变坏。

因此，对驱动球磨机、压缩机等大功率、低转速的机械设备，常采用同步电机。

由于异步电机的转速与其旋转磁场转速有一定的转差关系，其调速性能较差（交流换向器电动机除外）。

对要求较宽广和平滑调速范围的交通运输机械、轧机、大型机床、印染及造纸机械等，采用直流电机较经济、方便。

但随着大功率电子器件及交流调速系统的发展，目前适用于宽调速的异步电机的调速性能及经济性已可与直流电机的相媲美。

同步电机和感应电机一样是一种常用的交流电机。

特点是：

稳态运行时，转子的转速和电网频率之间有不变的关系n=ns=60f/p，ns称为同步转速。

若电网的频率不变，则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关。

同步电机分为同步发电机和同步电动机。

现代发电厂中的交流机以同步电机为主。

工作原理

◆主磁场的建立：

励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。

◆载流导体：

三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。

◆切割运动：

原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。

◆交变电势的产生：

由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。

通过引出线，即可提供交流电源。

◆交变性与对称性：

由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。

运行方式

◆同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。

作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。

同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。

近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。

同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。

这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。

同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。

一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。

最常用的是转场式同步发电机,其定子铁心的内圆均匀散布着定子槽，槽内嵌放着按规律排列的三相对称绕组。

这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。

转子铁心上装有制成必定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的散布磁场，称为励磁磁场（也称主磁场、转子磁场）。

原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。

从严格的意义来讲，谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。

从广义上讲，由于交流电网有效分量为工频单一频率，因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波，这时“谐波”这个词的的意义已经变得与原意有些不符。

正是因为广义的谐波概念，才有了“分数谐波”、“间谐波”、“次谐波”等等说法。

产生的原因：

由于正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变产生谐波。

主要非线性负载有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。

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直接启动:

直接启动的优点是所需设备少，启动方式简单，成本低。

电动机直接启动的电流是正常运行的5倍左右，理论上来说，只要向电动机提供电源的线路和变压器容量大于电动机容量的5倍以上的，都可以直接启动。

这一要求对于小容量的电动机容易实现，所以小容量的电动机绝大部分都是直接启动的，不需要降压启动。

对于大容量的电动机来说，一方面是提供电源的线路和变压器容量很难满足电动机直接启动的条件，另一方面强大的启动电流冲击电网和电动机，影响电动机的使用寿命，对电网不利，所以大容量的电动机和不能直接启动的电动机都要采用降压启动。

直接启动可以用胶木开关、铁壳开关、空气开关（断路器）等实现电动机的近距离操作、点动控制，速度控制、正反转控制等，也可以用限位开关、交流接触器、时间继电器等实现电动机的远距离操作、点动控制、速度控制、正反转控制、自动控制等。

由于刚启动的时候转差率为1，也就是转子处于堵转状态，这时候由于转差率太大，也就是说转子导条和定子磁场的相对速度很高，这时候就会在转子导条的两端产生一个比较高的感应电压，由于转子导条处于短路状态，所以肯定会产生一个很大的启动电流，如果结合变压器来考虑的话，那么电动机转子就相当于变压器的负载侧，负载侧短路就相当于原边短路，所以转子的电流变化势必会表现在定子上面，这就会造成定子绕组输入电流达到额定电流的4到7倍，一旦转子转动起来以后，转差率变小，感应到转子上面的电压也会降低，这样转子电流就会降低，转子电流的变化同样也会表现在定子绕组上，这样等电动机启动结束以后其实感应到转子上的电压是比较低的，由于感应到转子的电压比较低，这样转子上面的电流也不会太大，相应的定子上面的电流也就不会太大，一旦加载以后，转差率的改变就会改变转子以及定子的电流！

使用自偶变压器降压启动:

采用自耦变压器降压启动，电动机的启动电流及启动转矩与其端电压的平方成比例降低，相同的启动电流的情况下能获得较大的启动转。

如启动电压降至额定电压的65％，其启动电流为全压启动电流的42％，启动转矩为全压启动转矩的42%。

自耦变压器降压启动的优点是可以直接人工操作控制，也可以用交流接触器自动控制，经久耐用，维护成本低，适合所有的空载、轻载启动异步电动机使用，在生产实践中得到广泛应用。

缺点是人工操作要配置比较贵的自偶变压器箱（自偶补偿器箱），自动控制要配置自偶变压器、交流接触器等启动设备和元件。

Y－△降压启动:

定子绕组为△连接的电动机，启动时接成Y，速度接近额定转速时转为△运行，采用这种方式启动时，每相定子绕组降低到电源电压的58％，启动电流为直接启动时的33％，启动转矩为直接启动时的33％。

启动电流小，启动转矩小。

Y－△降压启动的优点是不需要添置启动设备，有启动开关或交流接触器等控制设备就可以实现，缺点是只能用于△连接的电动机，大型异步电机不能重载启动。

转子串电阻启动:

绕线式三相异步电动机，转子绕组通过滑环与电阻连接。

外部串接电阻相当于转子绕组的内阻增加了，减小了转子绕组的感应电流。

从某个角度讲，电动机又像是一个变压器，二次电流小，相当于变压器一次绕组的电动机励磁绕组电流就相应减小。

根据电动机的特性，转子串接电阻会降低电动机的转速，提高转动力矩，有更好的启动性能。

在这种启动方式中，由于电阻是常数，将启动电阻分为几级，在启动过程中逐级切除，可以获取较平滑的启动过程。

根据上述分析知：

要想获得更加平稳的启动特性，必须增加启动级数，这就会使设备复杂化。

采用了在转子上串频敏变阻器的启动方法，可以使启动更加平稳。

频敏变阻器启动原理是：

电动机定子绕组接通电源电动机开始启动时，由于串接了频敏变阻器，电动机转子转速很低，启动电流很小，故转子频率较高，f2≈f1，频敏变阻器的铁损很大，随着转速的提升，转子电流频率逐渐降低，电感的阻抗随之减小。

这就相当于启动过程中电阻的无级切除。

当转速上升到接近于稳定值时，频敏电阻器短接，启动过程结束。

转子串电阻或频敏变阻器虽然启动性能好，可以重载启动，由于只适合于价格昂贵、结构复杂的绕线式三相异步电动机，所以只是在启动控制、速度控制要求高的各种升降机、输送机、行车等行业使用。

软启动器启动:

软起动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为SoftStarter。

它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管交流调压器。

运用不同的方法，改变晶闸管的触发角，就可调节晶闸管调压电路的输出电压。

在整个起动过程中，软起动器的输出是一个平滑的升压过程，直到晶闸管全导通，电机在额定电压下工作

软启动器的优点是降低电压启动，启动电流小，适合所有的空载、轻载异步电动机使用。

缺点是启动转矩小，不适用于重载启动的大型电机。

变频器启动:

通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。

该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电（DC）。

然后再把直流电（DC）变换为三相或单相交流电（AC）。

变频器同时改变输出频率与电压，也就是改变了电机运行曲线上的n0，使电机运行曲线平行下移。

因此变频器可以使电机以较小的启动电流，获得较大的启动转矩，即变频器可以启动重载负荷。

变频器具有调压、调频、稳压、调速等基本功能，价格贵但性能良好，内部结构复杂但使用简单，所以不只是用于启动电动机，而是广泛的应用到各个领域，各种功率、各种用途等都有应用。

变频器可以改变初始输出频率，比如从0Hz开始输出频率，逐渐提升至150Hz，从而使启动电流减小，但是变频电机无法重载启动.

电子信息工程、自动化、通信工程、电气类等专业面试将会遇到试题大全

模拟电路

1、基尔霍夫定理的内容是什么？

（仕兰微电子）

基尔霍夫电流定律是一个电荷守恒定律,即在一个电路中流入一个节点的电荷与流出同一个节点的电荷相等.

基尔霍夫电压定律是一个能量守恒定律,即在一个回路中回路电压之和为零.

2、平板电容公式（C=εS/4πkd）。

（未知）

3、最基本的如三极管曲线特性。

（未知）

4、描述反馈电路的概念，列举他们的应用。

（仕兰微电子）

5、负反馈种类（电压并联反馈，电流串联反馈，电压串联反馈和电流并联反馈）；负反馈的优点（降低放大器的增益灵敏度，改变输入电阻和输出电阻，改善放大器的线性和非线性失真，有效地扩展放大器的通频带，自动调节作用）（未知）

6、放大电路的频率补偿的目的是什么，有哪些方法？

（仕兰微电子）

7、频率响应，如：

怎么才算是稳定的，如何改变频响曲线的几个方法。

（未知）

8、给出一个查分运放，如何相位补偿，并画补偿后的波特图。

（凹凸）

9、基本放大电路种类（电压放大器，电流放大器，互导放大器和互阻放大器），优缺点

，特别是广泛采用差分结构的原因。

（未知）

10、给出一差分电路，告诉其输出电压Y+和Y-,求共模分量和差模分量。

（未知）

11、画差放的两个输入管。

（凹凸）

12、画出由运放构成加法、减法、微分、积分运算的电路原理图。

并画出一个晶体管级的

运放电路。

（仕兰微电子）

13、用运算放大器组成一个10倍的放大器。

（未知）

14、给出一个简单电路，让你分析输出电压的特性（就是个积分电路），并求输出端某点

的rise/fall时间。

（Infineon笔试试题）

15、电阻R和电容C串联，输入电压为R和C之间的电压，输出电压分别为C上电压和R上电压，要求制这两种电路输入电压的频谱，判断这两种电路何为高通滤波器，何为低通滤波器。

当RC<

hold

16、时钟周期为T,触发器D1的建立时间最大为T1max，最小为T1min。

组合逻辑电路最大延迟为T2max,最小为T2min。

问，触发器D2的建立时间T3和保持时间应满足什么条件.（华为）

17、给出某个一般时序电路的图，有Tsetup,Tdelay,Tck->q,还有clock的delay,写出决定最大时钟的因素，同时给出表达式。

（威盛VIA2003.11.06上海笔试试题）

18、说说静态、动态时序模拟的优缺点。

（威盛VIA

2003.11.06上海笔试试题）

19、一个四级的Mux,其中第二级信号为关键信号如何改善timing。

（威盛VIA2003.11.06上海笔试试题）

20、给出一个门级的图，又给了各个门的传输延时，问关键路径是什么，还问给出输入,使得输出依赖于关键路径。

（未知）

21、逻辑方面数字电路的卡诺图化简，时序（同步异步差异），触发器有几种（区别，优点），全加器等等。

（未知）

22、卡诺图写出逻辑表达使。

（威盛VIA2003.11.06上海笔试试题）

23、化简F（A,B,C,D）=m（1,3,4,5,10,11,12,13,14,15）的和。

（威盛）

24、pleaseshowtheCMOSinverterschmatic,layoutanditscrosssectionwithP-

wellprocess.Plotitstransfercurve（Vout-Vin）Andalsoexplaintheoperation

regionofPMOSandNMOSforeachsegmentofthetransfercurve?

（威盛笔试题c

ircuitdesign-beijing-03.11.09）

25、TodesignaCMOSinvertorwithbalanceriseandfalltime,pleasedefineth

erationofchannelwidthofPMOSandNMOSandexplain?

26、为什么一个标准的倒相器中P管的宽长比要比N管的宽长比大？

（仕兰微电子）

27、用mos管搭出一个二输入与非门。

（扬智电子笔试）

28、pleasedrawthetransistorlevelschematicofacmos2ｉｎｐｕｔANDgateandexplainwhichｉｎｐｕｔhasfasterresponseforoutputrisingedge.（lessdelaytime）。

（威盛笔试题circuitdesign-beijing-03.11.09）

29、画出NOT,NAND,NOR的符号，真值表，还有transistorlevel的电路。

（Infineon笔试）

30、画出CMOS的图，画出tow-to-onemuxgate。

（威盛VIA2003.11.06上海笔试试题）

31、用一个二选一mux和一个inv实现异或。

（飞利浦－大唐笔试）

32、画出Y=A*B+C的cmos电路图。

（科广试题）

33、用逻辑们和cmos电路实现ab+cd。

（飞利浦－大唐笔试）

34、画出CMOS电路的晶体管级电路图，实现Y=A*B+C（D+E）。

（仕兰微电子）

35、利用4选1实现F（x,y,z）=xz+yz’。

（未知）

36、给一个表达式f=xxxx+xxxx+xxxxx+xxxx用最少数量的与非门实现（实际上就是化简）.

37、给出一个简单的由多个NOT,NAND,NOR组成的原理图，根据输入波形画出各点波形。

（Infineon笔试）

38、为了实现逻辑（AXORB）OR（CANDD），请选用以下逻辑中的一种，并说明为什么？

1）INV2）AND3）OR4）NAND5）NOR6）XOR答案：

NAND（未知）

39、用与非门等设计全加法器。

（华为）

40、给出两个门电路让你分析异同。

（华为）

41、用简单电路实现，当A为输入时，输出B波形为…（仕兰微电子）

42、A,B,C,D,E进行投票，多数服从少数，输出是F（也就是如果A,B,C,D,E中1的个数比0多，那么F输出为1，否则F为0），用与非门实现，输入数目没有限制。

（未知）

43、用波形表示D触发器的功能。

（扬智电子笔试）

44、用传输门和倒向器搭一个边沿触发器。

（扬智电子笔试）

45、用逻辑们画出D触发器。

（威盛VIA2003.11.06上海笔试试题）

46、画出DFF的结构图,用verilog实现之。

（威盛）

47、画出一种CMOS的D锁存器的电路图和版图。

（未知）

48、D触发器和D锁存器的区别。

（新太硬件面试）

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