開關(guān)電源的基本原理與技術(shù)發(fā)展綜述

王思聰

摘要： 隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，使開關(guān)電源技術(shù)也得到了很大程度的更新與進步。開關(guān)電源的高頻化、模塊化和數(shù)字化的發(fā)展，使其被廣泛的應用于電子、通信、航天、醫(yī)療等各個領(lǐng)域。本文闡述了開關(guān)電源的基本原理及組成，對開關(guān)電源的不同技術(shù)發(fā)展階段的發(fā)展歷程進行了論述，總結(jié)了不同技術(shù)的特點，并展望了開關(guān)電源的發(fā)展趨勢。

Abstract： With the rapid development of modern power electronics technology， the switching power supply technology has also been largely updated and improved. The development of switching power supply with high frequency， modularization and digitalization. It has been widely used in electronics， communications， aerospace， medical and other fields. In this paper the basic principle and composition of switching power supply is described， the development course of different technology development stages of switching power supply is discussed. The characteristics of different technologies are summarized， and the development trend of switching power supply is prospected.

關(guān)鍵詞： 開關(guān)電源；硬開關(guān)；軟開關(guān)；同步整流；數(shù)字控制

Key words： switching mode power supply；hard switching；soft switching；synchronous rectification；digital control

中圖分類號：TM56 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）14-0269-03

0 引言

隨著世界經(jīng)濟全球化和我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，國防、航空、通信、信息、電力等行業(yè)對電力電子設(shè)備的需求越來越大，品質(zhì)要求也越來越高。其中電源作為用電設(shè)備的心臟，為設(shè)備提供動力。開關(guān)電源之前，線性電源和相控電源是當時應用最廣泛的直流電源。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源的出現(xiàn)使電源系統(tǒng)的應用領(lǐng)域不斷擴大，趨于小型化和低成本的同時，提出了更多的要求，如開關(guān)電源的體積小、效率高、靈活性好等。開關(guān)電源作為高效節(jié)能電源，代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向。隨著半導體技術(shù)和制造工藝的創(chuàng)新與發(fā)展，使半導體功率器件的可靠性和響應速度不斷提高，器件的導通損耗越來越小，同時開關(guān)電源的系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性、電磁兼容性及效率得到了很大程度上提高，有助于改善系統(tǒng)的動態(tài)參數(shù)，提高工作頻率，逐漸向高頻化發(fā)展。由于數(shù)字控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，使開關(guān)電源逐漸走向智能控制的時代。本文對開關(guān)電源的基本原理與電路構(gòu)成進行了闡述，重點對開關(guān)電源的不同發(fā)展階段的發(fā)展路徑和技術(shù)特點進行介紹和總結(jié)，并展望了開關(guān)電源的發(fā)展趨勢。

1 開關(guān)電源的基本原路與電路構(gòu)成

1.1 開關(guān)電源的基本原理

依照控制原理不同，可將開關(guān)電源分為三類工作方式，即脈沖頻率調(diào)制式、脈沖寬度調(diào)制式、混合調(diào)制式。

①脈沖頻率調(diào)制方式，簡稱脈頻調(diào)制（Pulse Frequency Modulation，縮寫為PFM）式。其特點是保持脈沖寬度不變，通過改變開關(guān)頻率來控制占空比，進而實現(xiàn)穩(wěn)壓目的。脈頻調(diào)制器是其核心。在電路設(shè)計中，用固定脈寬發(fā)生器來代替脈寬調(diào)制器中的鋸齒波發(fā)生器，并通過電壓/頻率轉(zhuǎn)換器（例如壓控振蕩器Vco）改變頻率。其穩(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(guān)電源的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍很寬，輸出端可不接假負載。

②脈沖寬度調(diào)制式，簡稱脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，縮寫PWM）式。其特點是保持開關(guān)頻率不變，通過改變脈沖寬度來控制占空比，進而實現(xiàn)穩(wěn)壓目的。脈寬調(diào)制器是其核心。固定開關(guān)周期十分有利于濾波電路的設(shè)計。但其也存在明顯缺點，即受功率開關(guān)最小導通時間的制約。當前多數(shù)集成開關(guān)電源采用PWM方式。

③混合調(diào)制方式，是指脈沖寬度與開關(guān)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(diào)制器和脈頻調(diào)制器。由于tp和T均可單獨調(diào)節(jié)，因此占空比調(diào)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(diào)節(jié)的開關(guān)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。需要注意的是，脈寬調(diào)制器不僅能夠被應用在獨立的集成電路中，還能夠被應用在DC/DC變換器及AC/DC變換器中。其中，開關(guān)電源通常為AC/DC電源變換器，開關(guān)穩(wěn)壓器屬于DC/DC電源變換器。

1.2 開關(guān)電源的組成

圖1表示開關(guān)電源的典型結(jié)構(gòu)，其工作原理：市電進入電源首先經(jīng)整流和濾波轉(zhuǎn)為高壓直流電，然后通過開關(guān)電路和高頻開關(guān)變壓器轉(zhuǎn)為高頻率低壓脈沖，再經(jīng)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。

開關(guān)電源主要由四部分組成，具體如下：

①主電路：主要包括功率開關(guān)管、輸入整流濾波器、輸入電磁干擾濾波器、高頻變壓器和輸出整流濾波器，是指交流電網(wǎng)輸入，到直流輸出的主要電路。

②控制電路：包括脈寬調(diào)制器、反饋電路、輸出端取樣電路。

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

④其他電路：如偏置電路、鋸齒波發(fā)生器、光耦合器等。

2 開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展

2.1 硬開關(guān)技術(shù)

硬開關(guān)一般是指開關(guān)元件的硬開通和硬關(guān)斷。通常開關(guān)元件工作時，由于di/dt和du/dt不可能無窮大，且開關(guān)元件的工作狀態(tài)不會在截止狀態(tài)和導通狀態(tài)之間直接的跳變，而是在開關(guān)期間有一段電壓和電流的交疊過渡區(qū)存在。

二十世紀六十年代，PWM硬開關(guān)技術(shù)開始被人們廣泛的應用，其工作的頻率在400～500kHz之間，硬開關(guān)技術(shù)的拓撲結(jié)構(gòu)包括正激式、反激式、推挽式、降壓式、升壓式和升降壓式等方式。

采用PWM硬開關(guān)技術(shù)控制的代表芯片主要有TI公司的電壓型PWM控制器TL494，電流型PWM控制器UC3842和UCCX809等。硬開關(guān)技術(shù)的特點是電路結(jié)構(gòu)簡單，但其開關(guān)損耗大、感性關(guān)斷電壓尖峰大、容性開通電流尖峰大、電磁干擾嚴重。

2.2 軟開關(guān)技術(shù)

二十世紀八十年代，與硬開關(guān)技術(shù)相對應地提出了軟開關(guān)技術(shù)，軟開關(guān)技術(shù)可以有效地提高DC/DC開關(guān)電源的功率密度，改善高頻性能和動態(tài)響應。軟開關(guān)技術(shù)可分為零電壓開關(guān)（ZVS）和零點六開關(guān)（ZCS），利用諧振原理控制開關(guān)管在零電壓或零電流條件下進行切換，有助于降低功率器件的開關(guān)損耗，提高開關(guān)電源的工作效率。

軟開關(guān)按照控制方式可以分為PFM型、PWM型和移相全橋型。

①通常諧振變換器和準諧振變換器（QFC）采用脈沖頻率調(diào)制法（PFM）。

諧振變換器的總體結(jié)構(gòu)示意圖，主要由開關(guān)電路、諧振電路、整流電路、濾波電路四部分組成。

開關(guān)網(wǎng)絡(luò)將直流信號變換為方波形式功率信號，方波信號經(jīng)諧振電路變換為正弦信號，在經(jīng)過整流、濾波得到直流輸出信號。假設(shè)整流電路為全波整流器，則整流器的輸出為全波整流波形。從頻譜分析觀點看，整流電路的作用相當于頻譜搬移。諧振變換器的特點包括：雖然通過增加飽和磁元件或吸收電容來實現(xiàn)功率開關(guān)器件的零電壓關(guān)斷和零電流導通，同時增加了電路的實現(xiàn)難度和失誤率；由于電路中的回路電流類似于正弦信號，容易出現(xiàn)低EMI的產(chǎn)品。

準諧振變換器的開關(guān)電路中，諧振元件只在開關(guān)周期中的一部分時間參與諧振，其電壓與電流的波形為準正弦波。QRC運用了比較典型的VICOR公司有源箝位零電壓/電流軟開關(guān)技術(shù)。準諧振變換器的技術(shù)特點：開關(guān)管的結(jié)電容被吸收，實現(xiàn)了零電壓開關(guān)，而整流二極管的結(jié)電容未被吸收，它將于諧振電感產(chǎn)生振蕩，影響變壓器正常工作；開關(guān)管的電壓應力與負載范圍有關(guān)，負載范圍越寬，開關(guān)管的電壓應力越大；變換器的導通時間固定，關(guān)斷損耗較小，電流應力大，開通損耗大，不能空載工作；變換器實現(xiàn)軟開關(guān)技術(shù)后，開關(guān)頻率可以提高到幾兆甚至幾十兆赫茲，但由于QRC為變頻工作模式，所以很難對濾波器進行優(yōu)化，且電壓和電流的應力很大。

②PWM型軟開關(guān)。

由于在工作期間PFM技術(shù)頻率范圍較寬，導致在設(shè)置和布置諧振變換器的控制電路和濾波電路時較為復雜，再加上開關(guān)損耗原因，導致PWM高頻技術(shù)無法得到廣泛發(fā)展。PWM軟開關(guān)技術(shù)是建立在PWM技術(shù)和PFM軟開關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上形成的，結(jié)合兩者優(yōu)勢開展工作。采用了PWM部分諧振零電壓開關(guān)模式的有美國的POWERONE和ASTEC、日本的LAMBDA等公司。

PWM軟開關(guān)技術(shù)有兩種電路包括零電壓（ZVS）和零電流（ZCS）PWM電路，這兩種電路與傳統(tǒng)的PWM電路相比在開關(guān)管的工作效率方面有了很大提高，并且有效地降低了開關(guān)管的開關(guān)管應力和噪聲，減小了開關(guān)管的開關(guān)損耗。在ZVS電路中，開關(guān)管承受的最大正向電壓要比電源電壓更大；而在ZCS電路中，利用其對偶性可以得到，開關(guān)管承受的最大電流比負載電流還要大。正是由于上述特點，兩種PWM軟開關(guān)電路在應用方面存在差別，ZVS電路多用于開關(guān)器件頻率高、頻率低的場合；而ZCS更多的應用在開關(guān)頻率低，功率較大的電路。

③移相全橋軟開關(guān)。

在移相全橋變換器的控制中，通常由超前臂和滯后臂實現(xiàn)軟開關(guān)的控制，主要的工作方式有三種方式。

1）ZVS工作方式下，變壓器原邊電流處于恒流模式，超前臂與滯后臂均可實現(xiàn)ZVS。

2）ZVS-ZCS工作方式下，不僅可以實現(xiàn)超前臂的ZVS，還可以在全電壓全負載范圍內(nèi)實現(xiàn)滯后臂的ZCS。該種工作方式?jīng)]有初級環(huán)流，可有效提高工作的效率。

3）ZCS工作方式下，開關(guān)管都可實現(xiàn)ZCS工作，有效地避免了電流拖尾，而輸出的整流管工作在ZVS，不需要考慮反向恢復問題。由于滯后臂相比于超前臂不易實現(xiàn)ZCS，并且變壓器漏感和諧振電容會對變換器的工作造成影響，所以在初級輸出時存在占空比丟失的問題。

移相全橋技術(shù)的特點主要是電路的拓撲簡單，控制方法靈活性強，開關(guān)功率的變化只需要通過改變移相角就可實現(xiàn)，不但能提高功率轉(zhuǎn)換的效率、降低電壓/電流變化率，還能夠減小電磁干擾。但是存在一些問題包括：需增加一個有損諧振電感；占空比的丟失會使變換器的損耗更加嚴重；移相全橋的非對稱性無法實現(xiàn)同步整流；輕載時軟開關(guān)的死去時間不易控制。

移相全橋的控制芯片主要有TI公司的UC3875，UCC3895，凌特公司的LTC1922，LTC3722。通?？刂菩酒梢詼蚀_地調(diào)節(jié)開關(guān)時間，從而使移相全橋電路工作在最佳ZVS狀態(tài)。其中LTC3722的使用大大減小了諧振電感的電感量和體積，變換器的ZVS工作狀態(tài)的邊界條件加寬，減小了占空比的丟失量等。

2.3 同步整流技術(shù)

同步整流技術(shù)是將電路中的二極管整流變換成MOS管進行整流。

通過軟開關(guān)技術(shù)的PWM變換器的應用使開關(guān)管頻率得到很大程度的增加，同時開關(guān)變換器的功率密度也不斷變高。但在低壓大電流輸出時，整流二極管導通的壓降較大時，會導致?lián)p耗變大，效率隨之減小。當采用整流二極管（FRD/SRD）時，導通壓降高達1.0～1.2V，即使換成導通壓降僅為0.6V的肖特基勢壘二極管（SBD），電源的效率會大大減小。目前，MOSFET的導通電阻已降到mΩ以下，導通壓降可降低到0.006V左右，利用MOSFET管代替二極管整流的同步整流技術(shù)可將DC/DC變換器效率提高10%左右。

現(xiàn)在市場中的高中檔開關(guān)電源幾乎都采用了同步整流技術(shù)，其中5V以下低電壓小功率同步整流多采用自驅(qū)控制，12～20V電壓輸出的開關(guān)電源通常采用IC控制驅(qū)動同步整流。目前越來越多的進行帶ZVS/ZCS軟開關(guān)控制的同步整流技術(shù)。最新研究出的雙輸出PWM控制IC，幾乎都具備同步整流軟開關(guān)控制的功能，例如凌特公司的LTC3722，INTEESIL公司的ISL6752等。上述公司生產(chǎn)的這些芯片不但擁有初級功率MOSFET的軟開關(guān)，還可實現(xiàn)次級同步整流管的ZVS換流。這種軟開關(guān)-同步整流開關(guān)電源DC/DC變換器的效率通常能達到94%以上。

2.4 數(shù)字控制技術(shù)

數(shù)字電源與模擬電源相比，它是通過A/D轉(zhuǎn)換器進行采樣，利用微控制器計算誤差，通過數(shù)字電源控制器DSP，MCU，F(xiàn)PGA等算法計算得到所需的占空比，由此來進行功率開關(guān)管的控制。數(shù)字電源主要由數(shù)字電源驅(qū)動器、數(shù)字電源PWM控制器、數(shù)字信號處理器等器件構(gòu)成。

數(shù)字開關(guān)電源主要有以下兩種控制方法：

①單片機控制。

單片機對數(shù)字開關(guān)電源進行控制時，系統(tǒng)先進行輸出信號的采樣，將采樣信號進行A/D轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字信號，然后對數(shù)字信號進行精確的運算和調(diào)節(jié)，而后將運算結(jié)果轉(zhuǎn)換為模擬信號來驅(qū)動PWM控制芯片，從而間接的實現(xiàn)開關(guān)電源的數(shù)字化控制。單片機的數(shù)字開關(guān)電源控制只需要利用幾個簡單的單片機就可實現(xiàn)閉環(huán)控制，一方面設(shè)計成本低、控制方法清晰，且技術(shù)已相當成熟；另一方面拓撲電路結(jié)構(gòu)復雜、數(shù)字轉(zhuǎn)換的延時較長，從而引起系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)壓精度較低。雖然通過在單片機上進行PWM輸出的集成可以改善數(shù)字延遲的時間，但是在單片機的時鐘頻率范圍內(nèi)無法產(chǎn)生于開關(guān)電源工作頻率相適應的PWM輸出控制信號。

②數(shù)字芯片控制。

采用高性能的數(shù)字控制芯片（如DSP）來進行開關(guān)電源系統(tǒng)的采樣，然后進行A/D轉(zhuǎn)換輸出PWM控制信號，通過驅(qū)動放大DSP輸出的PWM信號，然后將其作用于開關(guān)管。為提高系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，改善輸出電壓的調(diào)整精度，應采用高運算速度、高頻率的控制芯片，便于迅速地完成系統(tǒng)的控制算法，精確控制開關(guān)電源的數(shù)字邏輯。然而，高性能的數(shù)字芯片由于技術(shù)難度大、控制邏輯復雜、成本較高、性價比低，無法在開關(guān)電源領(lǐng)域得到廣泛應用。

數(shù)字電源的優(yōu)勢是模塊集成化程度高、數(shù)字智能芯片可操作性強、通信功能易于實現(xiàn)等，憑借這些優(yōu)勢數(shù)字電源越來越受到當前市場的青睞，但不可否認，當前數(shù)字電源依然存在許多亟待解決的技術(shù)問題，比如控制周期長、相位延遲時間長、數(shù)字電源采樣及量化精度低等。

3 結(jié)論

目前開關(guān)電源被廣泛的應用于電力電子元件構(gòu)成的終端和通信設(shè)備中，這也給開關(guān)電源的發(fā)展提出了更高的要求，開關(guān)電源逐漸向高效率、高性能和高可靠性方面發(fā)展。當前各國為了進一步提高開關(guān)電源的效率、縮小其體積、降低其成本，在軟開關(guān)技術(shù)、同步整流技術(shù)、數(shù)字控制等基礎(chǔ)上，不斷地進行新技術(shù)的創(chuàng)新與研究，若能將上述技術(shù)進行融合，不但可以提高開關(guān)電源的性能，還可實現(xiàn)對開關(guān)電源遠程的控制和故障診斷。

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