開關電源的基本原理及發(fā)展趨勢探析

侯清江，張黎強，許棟剛

HOU Qing-jiang, ZHANG Li-qiang, XU Dong-gang

（鄭州職業(yè)技術學院，鄭州 450121）

開關電源的基本原理及發(fā)展趨勢探析

The basic principle of switching power supply and development trend of

侯清江，張黎強，許棟剛

HOU Qing-jiang, ZHANG Li-qiang, XU Dong-gang

（鄭州職業(yè)技術學院，鄭州 450121）

電源是各種電子設備不可或缺的組成部分，其性能優(yōu)劣直接關系到電子設備的技術指標及能否安全可靠地工作。本文從開關電源自身的優(yōu)點及其發(fā)展和應用現(xiàn)狀出發(fā)，闡述了其脈沖寬度調制式、脈沖頻率調制方式、混合調制方式的工作原理，并從主電路、控制電路等方面分析了其組成，最后論述了開關電源的發(fā)展趨勢。

開關電源；基本原理；發(fā)展趨勢

1 開關電源概述

電源是各種電子設備不可或缺的組成部分，其性能優(yōu)劣直接關系到電子設備的技術指標及能否安全可靠地工作。目前常用的直流穩(wěn)壓電源和開關電源兩大類。由于開關電源本身消耗的能量低，電源效率比普通線性穩(wěn)壓電源提高一倍，被廣泛用于電子計算機、通訊、家電等各個行業(yè)。對于開關電源的廣泛應用，有必要對其原理進行了解、對其發(fā)展趨勢有所掌握，對現(xiàn)實工作將有極大幫助。開關電源(Switch Mode Power Supply，即SMPS)被譽為高效節(jié)能型電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)已成穩(wěn)壓電源的主流產品。半個世紀以來，開關電源大致經歷了四個發(fā)展階段。早期的開關電源全部由分離元件構成，不僅開關頻率低、效率不高，而且電路復雜，不易調試。在20世紀70年代研制出的脈寬調制器集成電路，僅對開關電源中的控制電路實現(xiàn)了集成化。20世紀80年代問世的單片開關穩(wěn)壓器，從本質上講仍屬于DC/DC電源變換器。隨著各種類型單片開關電源集成電路的問世，AC/DC電源變換器的集成化變?yōu)楝F(xiàn)實。

隨著全球對能源問題的重視，電子產品的耗能問題將愈來愈突出，如何降低其待機功耗，提高供電效率成為一個急待解決的問題。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源雖然電路結構簡單、工作可靠，但它存在著效率低（只有40%－50%）、體積大、銅鐵消耗量大，工作溫度高及調整范圍小等缺點。為了提高效率，人們研制出了開關式穩(wěn)壓電源，它的效率可達85%以上，穩(wěn)壓范圍寬，除此之外，還具有穩(wěn)壓精度高、不使用電源變壓器等特點，是一種較理想的穩(wěn)壓電源。正因為如此，開關式穩(wěn)壓電源已廣泛應用于各種電子設備中，開關電源就是用通過電路控制開關管進行高速的導通與截止，將直流電轉化為高頻率的交流電提供給變壓器進行變壓，從而產生所需要的一組或多組電壓。

2 開關電源的基本原理和組成

2.1 基本原理

開關電源按控制原理來分類，大致有以下3種工作方式：

1）脈沖寬度調制式，簡稱脈寬調制(Pulse Width Modulation，縮寫為PWM)式。其主要特點是固定開關頻率，通過改變脈沖寬度來調節(jié)占空比，實現(xiàn)穩(wěn)壓目的。其核心是脈寬調制器。開關周期的固定為設計濾波電路提供了方便。但是，它的缺點是受功率開關最小導通時間的限制，對輸出電壓不能作寬范圍調節(jié)；此外，輸出端一般要接假負載(亦稱預負載)，以防止空載時輸出電壓升高。目前，大多數(shù)的集成開關電源采用PWM方式。

2）脈沖頻率調制方式，簡稱脈頻調制(Pulse Frequency Modulation，縮寫為PFM)式。其特點是將脈沖寬度固定，通過改變開關頻率來調節(jié)占空比，實現(xiàn)穩(wěn)壓的目的。其核心是脈頻調制器。在電路設計上要用固定脈寬發(fā)生器來代替脈寬調制器中的鋸齒波發(fā)生器，并利用電壓?頻率轉換器(例如壓控振蕩器VCO)改變頻率。它的穩(wěn)壓原理是：當輸出電壓Uo升高時，控制器輸出信號的脈沖寬度不變而周期變長，使占空比減小，Uo降低。PFM式開關電源的輸出電壓調節(jié)范圍很寬，輸出端可不接假負載。PWM方式和PFM方式的調制波形分別如圖1(a)、(b)所示，tp表示脈沖寬度(即功率開關管的導通時間tON)，T代表周期。從中可以比較容易的看出兩者的區(qū)別。但它們也有共同之處：（1）均采用時間比率控制(TRC)的穩(wěn)壓原理，無論是改變tp還是T，最終調節(jié)的都是脈沖占空比。盡管采用的方式不同，但控制目標一致，可謂殊途同歸。（2）當負載由輕變重，或者輸入電壓從高變低時，分別通過增加脈寬、升高頻率的方法使輸出電壓保持穩(wěn)定。

3）混合調制方式，是指脈沖寬度與開關頻率均不固定，彼此都能改變的方式，它屬于PWM和PFM的混合方式。它包含了脈寬調制器和脈頻調制器。由于 和T均可單獨調節(jié)，因此占空比調節(jié)范圍最寬，適合制作供實驗室使用的輸出電壓可以寬范圍調節(jié)的開關電源。

以上3種工作方式統(tǒng)稱為“時間比率控制”(Time Ratio Control，簡稱TRC)方式。需要指出的是，脈寬調制器既可作為一片獨立的集成電路使用(例如UC3842型脈寬調制器)，亦可被集成在DC/DC變換器中(例如LM2576型開關穩(wěn)壓器集成電路)，還能集成在AC/DC變換器中(例如TOP250型單片開關電源集成電路)。其中，開關穩(wěn)壓器屬于DC/DC電源變換器，開關電源一般為AC/DC電源變換器。

2.2 開關電源的組成

開關電源的典型結構如圖2所示，其工作原理是：市電進入電源首先經整流和濾波轉為高壓直流電，然后通過開關電路和高頻開關變壓器轉為高頻率低壓脈沖，再經過整流和濾波電路，最終輸出低電壓的直流電源。同時在輸出部分有一個電路反饋給控制電路，通過控制PWM占空比以達到輸出電壓穩(wěn)定。

圖2 開關電源的典型結構

開關電源由以下4部分構成：

1）主電路：從交流電網輸入，到直流輸出的主要電路。主要包括輸入濾波器、整流與濾波、逆變、輸出整流與濾波。

（1）輸入濾波器：其作用是將電網存在的雜波過濾,同時也阻礙本機產生的雜波反饋到公共電網。

（2）整流與濾波：將電網交流電源直接整流為較平滑的直流電,以供下一級變換。

（3）逆變：將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電,這是高頻開關電源的核心部分,頻率越高,體積、重量與輸出功率之比越小。

“腰椎管狹窄癥病因主要是腰肌勞損，因為肌肉力量的不均衡，造成腰椎退行性變，包括椎間小關節(jié)的骨質增生，黃韌帶的肥厚和椎間盤的退變。椎間盤的退變可能導致椎體高度的丟失、椎間盤的膨出，以及椎間盤的突出。椎間盤突出會比椎間盤膨出的癥狀更重。容易得腰椎管狹窄癥的人主要是中老年人、長時間坐姿不良的人和重體力勞動者。長期搬運重物或是彎腰活動會造成腰肌勞損，過重的負荷增加了椎間盤的退變和小關節(jié)的退變，這樣也會引起腰椎管狹窄癥。”

（4）輸出整流與濾波：根據(jù)負載需要,提供穩(wěn)定可靠的直流電源。

2）控制電路：一方面從輸出端取樣,經與設定標準進行比較,然后去控制逆變器,改變其頻率或脈寬,達到輸出穩(wěn)定,另一方面,根據(jù)測試電路提供的數(shù)據(jù),經保護電路鑒別,提供控制電路對整機進行各種保護措施。包括輸出端取樣電路、反饋電路和脈寬調制器。

3）檢測及保護電路：檢測電路有過電流檢測、過電壓檢測、欠電壓檢測、過熱檢測等；保護電路可分為過電流保護、過電壓保護、欠電壓保護、箝位保護、過熱保護、自動重啟動、軟啟動、緩啟動等多種類型。

4）其他電路：如鋸齒波發(fā)生器、偏置電路、光耦合器等。

3 開關電源的發(fā)展趨勢

開關電源的效率比線性電源高很多。這樣就節(jié)省了能源，因此它受到人們的青睞。但它也有缺點，就是電路復雜，維修困難，對電路的污染嚴重。電源噪聲大，不適合用于某些低噪聲電路。開關電源的技術追求和發(fā)展趨勢可以概括為以下四個方面：

1）小型化、薄型化、輕量化、高頻化。開關電源的體積、重量主要是由儲能元件（磁性元件和電容）決定的，因此開關電源的小型化實質上就是盡可能減小其中儲能元件的體積。在一定范圍內，開關頻率的提高，不僅能有效地減小電容、電感及變壓器的尺寸，而且還能夠抑制干擾，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，因此高頻化是開關電源的主要發(fā)展方向。

2）高可靠性。開關電源比連續(xù)工作電源使用的元器件多數(shù)十倍，因此降低了可靠性。從壽命角度出發(fā)，電解電容、光耦合器及排風扇等器件的壽命決定著電源的壽命。所以，要從設計方面著眼，盡可能使用較少的器件，提高集成度，采用模塊化技術可以滿足分布式電源系統(tǒng)的需要，提高系統(tǒng)的可靠性。

3）低噪聲。開關電源的缺點之一是噪聲大，單純地追求高頻化，噪聲也會隨之增大。采用部分諧振轉換回路技術，在原理上既可以提高頻率又可以降低噪聲，所以，盡可能降低噪聲影響是開關電源的又一發(fā)展方向。

4）采用計算機輔助設計和控制。采用CAA和CDD技術設計最新變換拓撲和最佳參數(shù)，使開關電源具有最簡結構和最佳工況。在電路中引入微機檢測和控制，可構成多功能監(jiān)控系統(tǒng)，可以實時檢測、記錄并自動報警等。

5）低輸出電壓技術。隨著半導體制造技術的不斷發(fā)展，微處理器和便攜式電子設備的工作越來越低，這就要求未來的DC-DC變換器能夠提供低輸出電壓以適應微處理器和便攜式電子設備的供電要求。

開關電源的發(fā)展從來都是與半導體器件及磁性元件等的發(fā)展休戚相關，高頻化的實現(xiàn)，需要相應的高速半導體器件和性能優(yōu)良的高頻電磁元件。發(fā)展電力M O S F E T、I G B T等新型高速器件，開發(fā)高頻用的低損磁性材料，改進磁元件的結構及設計方法，提高濾波電容的介電常數(shù)及降低其等效串聯(lián)電阻等方面的工作，對于開關電源小型化始終產生著巨大的推動作用?？傊?，人們在開關電源技術領域里，邊開發(fā)低損耗回路技術，邊開發(fā)新型元器件，兩者相互促進推動著開關電源每年以超過兩位數(shù)的市場增長率向小型、薄型、高頻、低噪聲、高可靠方向發(fā)展。

4 結論

目前，開關電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用于以電子計算機為主導的各種終端設備、通信設備等幾乎所有的電子設備，是當今電子信息產業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式；并對開關電源提出了小型輕量要求，此外要求開關電源效率要更高、性能更好、可靠性更高等。當前，各國正在努力開新器件、新材料以及改進裝連方法，進一步提高效率，縮小體積，降低價格，以解決開關電源面臨的課題，即環(huán)境適配性，包括噪聲與諧波等的電磁適配性，以及同人類之間的安全適配性等。開關電源雖有很多優(yōu)點，但它是強電流高頻電路。除了電壓調整器的輸入、輸出端口的電容必須是與工作頻率適應的高頻電容外，抑制電感和導線的磁場干擾及射頻輻射干擾是必須注意的問題。在電壓調整器中和輸出濾波器中的電感，要通過單向性強電流。為作有效的磁屏蔽并抑制輻射，宜用有氣隙(防磁飽和)的鐵氧體作為磁芯的線圈。此外，開關電源和有關的元件要有較好的電磁屏蔽，經良好的濾波后輸出直流電壓和電流。

電力電子技術的不斷創(chuàng)新，使開關電源產業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。要加快我國開關電源產業(yè)的發(fā)展速度，就必須走技術創(chuàng)新之路，走出有中國特色的產學研聯(lián)合發(fā)展之路，為我國國民經濟的高速發(fā)展做出貢獻。

[1] 謝嘉奎.電子線路[M].北京：高等教育出版社,2000.

[2] 王楚,余道衡.電子線路原理[M].北京：北京大學出版社,1987.

[3] 康華光.電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社,2000.

[4] 楊素行.模擬電子技術基礎簡明教程[M].2002.

[5] 傅豐林.電子線路基礎[M].西安：西安電子科技大學出版社,2001.

[6] 高文煥,劉潤生.電子線路基礎[M].北京：高等教育出版社,2000.

[7] Stanley G,Burns Paul R,Bard,黃汝激,譯.電子電路原理[M].機械工業(yè)出版社,2000.

[8] 王英劍,常敏慧.新型開關電源實用技術[M].北京：電子工業(yè)出版社,1999.

[9] 葉慧貞,楊興洲.新穎開關穩(wěn)壓電源[M].北京：國防工業(yè)出版社,1999.

[10]慕丕勛,馮桂林.開關穩(wěn)壓電源原理與實用技術[M].科學出版社,2005.

TN86

A

1009-0134(2010)09-0160-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.09.49

2009-12-25

侯清江（1968 -），男，河南新安人，講師，本科，研究方向為電子技術、自動化。