開關(guān)電源效率的優(yōu)化設(shè)計

□劉慧娟 黃 權(quán)

開關(guān)電源的效率

傳統(tǒng)開關(guān)電源是一種連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓電源，此種穩(wěn)壓方式應(yīng)用較多，由于調(diào)整管總是工作于放大區(qū)，流過的電流是連續(xù)的，這些結(jié)構(gòu)及電路特性上的特點顯示出其過載承受與短路承受能力差，效率低（35～60%），而且調(diào)整管還需較大的散熱器。

開關(guān)調(diào)整式穩(wěn)壓器即開關(guān)電源是一種調(diào)整管工作于開關(guān)狀態(tài)下，功率損耗小，效率高（70～95%以上），體積小，重量輕，調(diào)整管損耗小，則散熱器也隨之減小。由于開關(guān)頻率較高，一般在20KHz 以上的超音頻范圍，故所須的濾波電容、電感可用小數(shù)值的元件，能忍耐較高的環(huán)境溫度。同時也存在控制電路復雜、輸出電壓紋波電壓高、瞬態(tài)響應(yīng)較差的缺陷，因而在使用中有局限性。

開關(guān)電源對元件要求及其附帶影響。開關(guān)電源中必須采用高頻變壓器、電感等磁性元件以及平滑用的電容，比如低高頻內(nèi)阻的電解，高頻陶瓷電容如積層電容，高頻薄膜電容如金屬膜電容、P-P 電容等。

調(diào)整用的開關(guān)管從雙極型的NPN、PNP 管（開關(guān)頻率可達100KHz），到MOSFET（頻率可達500KHz），以及IGBT、GTO、新型電力電子器件的出現(xiàn)，使得開關(guān)電源頻率不斷提高，功率不斷提高，耐壓耐流方面也不斷提高。

一般而言，開關(guān)電源的頻率越高，同等體積下其功率就越大，大致成正比；頻率的提高，開關(guān)調(diào)整管的速度也要求越高，而頻率高開關(guān)管的損耗亦隨之加劇。開關(guān)管高速開關(guān)工作時，電路中的分布電感、分布電容會由于二極管蓄積電荷影響，產(chǎn)生浪涌電壓與噪聲，不但影響周邊電子設(shè)備的工作，而且開關(guān)電源自身的可靠性亦顯著降低。

開關(guān)管工作的噪聲要采用RC、LC 等L-C-R 電路網(wǎng)絡(luò)來吸收，對于二極管蓄積電荷產(chǎn)生的浪涌電壓則要用非晶態(tài)磁芯或矩形磁芯的磁吸收電路。對于MHz 以上更高頻率的開關(guān)電源，目前多采用諧振電路，即稱為諧振開關(guān)方式。這種方式原理上可實現(xiàn)開關(guān)管損耗為零，噪聲最小，可消除浪涌電壓或電流浪涌。

由于開關(guān)電源工作頻率高，所以其變壓器上各輸出繞組上取出直流電壓時，要用快速二極管、超快速二極管以及消特基二極管等。磁性元件的有效利用，對于提高開關(guān)電源技術(shù)是極重要的。

開關(guān)電源控制電路集成化，由于開關(guān)電源的控制電路較為復雜，而且對控制開關(guān)管的信號要求要可靠、安全、響應(yīng)好，為此，把各控制電路制作于同芯片上的控制單元IC，如3845、3524 等；還有的將控制單元與功率開關(guān)管，以及反饋控制電路亦集成于同一芯片上，有的還甚至與單片機可直接接口控制。

開關(guān)電源的設(shè)計

在開關(guān)電源中，逆變器（DC/AC 變換器）是開關(guān)電源的一個特殊應(yīng)用，下面所講的開關(guān)電源主要是講直流變直流變換器，即DC/DC 變換器，因為DC/DC 變換器在高頻在線機中用得最廣泛。

在脈寬調(diào)制型（PWM）DC/DC 變換器中，除了DC/DC 變換器進行功率變換外，還須有啟動電路、過流、過壓保護電路、噪聲濾波、浪涌電流、電壓抑制電路等。

脈寬調(diào)制器即PWM 信號發(fā)生器，PWM 信號發(fā)生器的頻率不變，但其占空比隨負反饋量的大小而改變，從而保證輸出電壓的穩(wěn)定。常用的PWM 控制IC 其輸出PWM 信號的占空比最大值有兩種，即接近于0.5 和接近于1。

開關(guān)電源從控制時間的角度講，是滯后型控制，即前一個脈沖的輸出要在下一個或幾個脈沖過后，才能起控制作用。開關(guān)電源的瞬態(tài)響應(yīng)差，與串聯(lián)型穩(wěn)壓電源相比較如下表：

開關(guān)電源優(yōu)化原理

開關(guān)穩(wěn)壓電源的分類：開關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)有很多種，分類方法也不同。按驅(qū)動開關(guān)管的方式來分有自激式、他激式兩種；按DC/DC 變換器的工作方式分有隔離型（通/通方式、通/過方式、中心抽頭方式、推挽式、半橋方式、全橋方式、諧振方式）和非隔離型（降壓式、升壓式、極性反轉(zhuǎn)式、開關(guān)電容式、諧振式）；按控制方式分為脈寬控制方式（他激式和自激式）、磁放大器的混合控制方式（電壓控制式、電流控制式、并聯(lián)控制式）和脈寬控制與磁放大器的混合式；按控制信號的隔離方式分為光電耦合隔離、變壓器耦合隔離、電壓/頻率變換、頻率/電壓變換、磁放大器隔離；按過流保護方式分為輸出電流檢測方式和開關(guān)電流檢測方式。

開關(guān)電源正弦波產(chǎn)生——三角波單脈沖S PWM 調(diào)制法。這種S PWM 產(chǎn)生的方法主要是用來產(chǎn)生一個含有正弦波信息的脈寬調(diào)制波，如果這種S PWM 波Uo 被濾波后，便得到一個正弦波U，主要用于逆變器來產(chǎn)生交流正弦波。它產(chǎn)生S PWM的原理與單脈沖三角波法類似，核心也是一個比較器IC2。此比較器的一個輸入端接一個上、下、左、右均對稱的等腰三角形波，另外一個輸入端輸入一個正弦波U2。

在實際應(yīng)用中，像單脈沖三角波調(diào)制法一樣，由于該等腰三角形頻率、峰值保持不變，其輸出的正弦波U 一般作為反饋信號，故須在調(diào)制器IC2 正弦波輸入端接一個誤差放大器IC1。

正弦波——三角波調(diào)制法請參見T1K逆變信號產(chǎn)生、輸出、反饋電路等。

正弦波——三角波調(diào)制式開關(guān)電源的輸出方式一般是用半橋式或全橋式變壓器隔離式來輸出其交流電壓，而且都需要特殊配置的濾波器。