開關(guān)電源的工作原理及技術(shù)趨勢(shì)

石海英

摘要：在我們?nèi)粘Ｉ钜约肮ぷ髦校瑢?duì)于電能的應(yīng)用十分的普遍。隨著我國(guó)科技水平的不斷提高與發(fā)展，對(duì)開關(guān)電源技術(shù)趨勢(shì)起到了非常大的推動(dòng)作用，開關(guān)電源技術(shù)也在社會(huì)各行各業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。本文主要闡述了開關(guān)電源的由來、開關(guān)電源的工作原理、設(shè)計(jì)以及開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源;工作原理;設(shè)計(jì);技術(shù)趨勢(shì)

引言：隨著信息化科技和數(shù)字化技術(shù)的飛速發(fā)展，為開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。而開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展，使開關(guān)電源在各行各業(yè)獲得了廣泛應(yīng)用。隨著數(shù)字化技術(shù)的有效開展，數(shù)字化已經(jīng)成為開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的主要技術(shù)趨。加大開關(guān)電源技術(shù)的研究與發(fā)展，對(duì)于提升開關(guān)電源技術(shù)應(yīng)用有著十分重要的作用。

1.開關(guān)電源的由來

開關(guān)電源技術(shù)最早開始20世紀(jì)50年代由美國(guó)宇航局研制出來的，它是開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的開端。隨著生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)水平不斷發(fā)展，開關(guān)電源技術(shù)逐漸向工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用。20世紀(jì)70年代，是開關(guān)電源技術(shù)快速發(fā)展時(shí)期，電力電子理論建立與完善給開關(guān)電源技術(shù)提供了良好的理論實(shí)踐基礎(chǔ)。在開關(guān)電源應(yīng)用初期，開關(guān)電源產(chǎn)品存在開關(guān)頻率低、功率密度低、可靠性差等缺點(diǎn)。我國(guó)于1992年開始率先在通信領(lǐng)域推廣并使用開關(guān)電源技術(shù)。經(jīng)過多年的實(shí)踐總結(jié)，開關(guān)電源技術(shù)在軍工科技、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人們的日常工作生活中起到了十分重大的意義與作用[1]。

2.開關(guān)電源的工作原理

2.1脈沖寬度調(diào)制式

脈沖寬度調(diào)制式是開關(guān)電源控制方式最普遍的控制方式。其主要特點(diǎn)就是固定開關(guān)頻率，通過改變脈沖寬度進(jìn)行空間占比調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電壓的目的。當(dāng)電源輸出的負(fù)載量過大時(shí)，增加相應(yīng)的占比空間，脈沖變寬，使得輸入終端向輸出終端提供更多的能量，達(dá)到穩(wěn)定的效果。當(dāng)負(fù)載量變小時(shí)，相應(yīng)的減小占比空間，脈沖變窄，使得傳輸能量減少，穩(wěn)定電源。開關(guān)周期的固定為設(shè)計(jì)濾波電路提供了方便。它的缺點(diǎn)是受功率開關(guān)最小導(dǎo)通時(shí)間的限制，對(duì)輸出電壓不能做寬度調(diào)節(jié)。

2.2脈沖頻率調(diào)制式

脈沖頻率調(diào)制式特點(diǎn)是將脈沖寬度固定，通過改變開關(guān)頻率開調(diào)節(jié)空間占比，實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定的目的。在電路設(shè)計(jì)上要用固定脈寬發(fā)生器代替脈寬調(diào)制器中鋸齒波發(fā)生器，并利用電壓頻率轉(zhuǎn)換器改變電壓頻率。穩(wěn)壓原理是當(dāng)輸出的電壓升高時(shí)，脈沖寬度不變，周期變長(zhǎng)，空間占比減小。當(dāng)電壓降低時(shí)，脈沖頻率式開關(guān)電源電壓輸出范圍變寬，此時(shí)輸出端不可以接假負(fù)載[2]。

如圖所示 兩種控制方式的調(diào)制波形

脈沖寬度調(diào)制式（a）和脈沖頻率調(diào)制式（b），tp表示脈沖寬度，T代表周期。從圖中可以看出二者之間既有區(qū)別又有共同之處。

共同處：第一，二者均采用時(shí)間比率控制的穩(wěn)定電壓原理，無論是脈沖寬度還是周期，最終都是由冒充空間占比來調(diào)節(jié)的，雖然采用不同方式，但是最終控制目標(biāo)是一致的。第二，當(dāng)負(fù)載有輕變重，或者輸入電壓由高變低是，分別通過增加脈沖寬度，升高脈沖頻率的方法，穩(wěn)定電壓。

2.3混合調(diào)制式

混合調(diào)制式就是靈活的運(yùn)動(dòng)調(diào)整脈沖寬度和開關(guān)頻率，屬于脈沖寬度調(diào)制式和脈沖頻率調(diào)制式的混合方式?；旌戏绞郊骖櫫嗣}沖寬度調(diào)制式和脈沖頻率調(diào)制式兩種模式，所以可以靈活運(yùn)用。脈沖寬度調(diào)制式和脈沖頻率調(diào)制式都可以單獨(dú)進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以占比空間越高，輸出范圍也就越寬。

以上三種方式是開關(guān)電源控制原理的基本原理。隨著科技技術(shù)的進(jìn)步與飛速發(fā)展，開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，開關(guān)電源芯片研究發(fā)展也越來越成熟，越來越多的開關(guān)電源芯片技術(shù)應(yīng)用到開關(guān)電源控制中，實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的調(diào)節(jié)。開關(guān)電源技術(shù)越來越成熟，開關(guān)電源性能越來越好，開關(guān)電源的功能也就越來越強(qiáng)大。

3.開關(guān)電源可靠性設(shè)計(jì)

3.1電磁兼容性

開關(guān)電源主要是抑制干擾源，干擾源在開關(guān)電路與輸出整流電路中。采用的技術(shù)包括濾波技術(shù)、布局與布線技術(shù)、屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)等。

3.2元器件可靠性

元器件直接決定電源的可靠性，所以元器件的原則及其重要。元器件失效的原因主要有元器件生產(chǎn)質(zhì)量問題、器件設(shè)計(jì)問題以及器件損耗問題。

3.3電源設(shè)備可靠性

溫度也是影響設(shè)備可靠性最重要的因素。電源設(shè)備內(nèi)部的溫度過高，將會(huì)導(dǎo)致元器件的失效。當(dāng)溫度超過一定值時(shí)，要強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱量比自然冷卻大十倍以上，才能確保溫度降下來。

3.4安全性

安全性也是決定電源性能得重要因素，不安全的產(chǎn)品不但不會(huì)完成規(guī)定的功能，還會(huì)造成嚴(yán)重的事故產(chǎn)生。

4.開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

4.1高頻化技術(shù)的發(fā)展

隨著科技的發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)于開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展也有著更高的要求。開關(guān)電源的高頻技術(shù)對(duì)比之前在逐漸提高。隨著高頻技術(shù)的日益提高，開關(guān)電源的體積和重量也在逐漸降低，有效的適應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展的需求。高頻技術(shù)的不斷更新與發(fā)展為開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展提供了新的機(jī)遇。同時(shí)在開關(guān)電源在應(yīng)用高頻技術(shù)的同時(shí)，還是會(huì)加速開關(guān)電源元器件的損耗程度，降低元器件使用壽命，這些都是現(xiàn)實(shí)存在的問題[3]。

4.2數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展

隨著數(shù)值化技術(shù)的飛速發(fā)展，開關(guān)電源在應(yīng)用上也是離不開數(shù)字化技術(shù)支撐。對(duì)于傳統(tǒng)的開關(guān)電源而言，模擬信號(hào)對(duì)控制部分的工作起到了引導(dǎo)作用。但是隨著數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用，數(shù)字化控制已經(jīng)被絕大部分設(shè)備所采用，通過數(shù)字化控制可以有效提高開關(guān)電源技術(shù)工作效率，更加準(zhǔn)確的完成數(shù)字采集，使得計(jì)算機(jī)更加靈活的運(yùn)用各種算法，提升電源開關(guān)技術(shù)的發(fā)展水平。

4.3低輸出電壓技術(shù)的發(fā)展

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技水平的不斷提高，半導(dǎo)體制造技術(shù)不斷更新與發(fā)展，半導(dǎo)體在開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展中有著十分重要的作用。在微處理器和便攜電子設(shè)備的使用上有著至關(guān)重要的作用。這就要求半導(dǎo)體裝置變換器能夠提供低輸出電壓以適應(yīng)微處理器和便攜式電子設(shè)備的供電需求，保障微處理器和便攜式電子設(shè)備的工作質(zhì)量和工作效率。

4.4模塊化技術(shù)的發(fā)展

開關(guān)電源通過模塊技術(shù)的發(fā)展，可以有效縮小開關(guān)電源的體積與重量，推進(jìn)開關(guān)電源在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用要求。在開關(guān)電源應(yīng)用中，功率需求增加，就可以通過模塊化技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，大大節(jié)省開發(fā)研究成本，減少研究開發(fā)周期，方便用戶售后維修和更換，更加適應(yīng)科技技術(shù)發(fā)展的腳步。

4.5高可靠性和低噪聲技術(shù)的發(fā)展

開關(guān)電源是為奇特設(shè)備和產(chǎn)品提供電能并保證可以正常工作的設(shè)備，所以開關(guān)電源必須有良好的安全性和可靠性。由于很多開關(guān)電源都是需要長(zhǎng)期進(jìn)行工作的，開關(guān)電源的元器件更容易損壞，這樣就會(huì)降低開關(guān)電源的可靠性。各種開關(guān)電源的元器件壽命決定著開關(guān)電源的使用壽命。因此為了延長(zhǎng)開關(guān)電源的使用壽命，就要降低元器件的使用率。

開關(guān)電源的噪聲也是污染源。開關(guān)電源技術(shù)的缺點(diǎn)中就有噪音這一項(xiàng)，開關(guān)電源在工作時(shí)一定會(huì)有噪聲的產(chǎn)生，使用的頻率越高，噪聲也就會(huì)越來越大。所以，要降低噪聲的污染，就要采用諧振轉(zhuǎn)換回路技術(shù)，諧振轉(zhuǎn)換回路技術(shù)既可以提高開關(guān)電源頻率又可以降低開關(guān)噪聲，噪聲降低技術(shù)是降低噪聲污染問題未來發(fā)展的方向。

結(jié)束語(yǔ)：隨著社會(huì)科技技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，為開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨著數(shù)字化時(shí)代的到來，數(shù)字化開關(guān)電源技術(shù)是開關(guān)電源技術(shù)重要發(fā)展方向。所以相關(guān)科研人員對(duì)于開關(guān)電源技術(shù)的研究與發(fā)展有著更高的要求?？蒲腥藛T應(yīng)該加大開關(guān)電源技術(shù)的研發(fā)利用，促進(jìn)我國(guó)開關(guān)電源研究水平提升有著重要意義與作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙利華. 開關(guān)電源的工作原理及技術(shù)趨勢(shì)[J]. 電子測(cè)試， 2021（11）：2.

[2] 謝啟少. 開關(guān)電源的工作原理及技術(shù)趨勢(shì)[J]. 電子技術(shù)與軟件工程， 2019（12）：1.

[3] 林長(zhǎng)瑀， 許富旺， 陳玉玲. 開關(guān)電源的發(fā)展與組成原理[J]. 計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通， 2019（3）：1.