開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用及展望*

張鐘艾，張祖軒，張正輝，于德添，孫 強(qiáng)，王 麗

天津農(nóng)學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院，天津 300392

0 引言

開(kāi)關(guān)電源出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代，之后以令人矚目的速度高速發(fā)展并不斷革新。開(kāi)關(guān)電源發(fā)展初期是線性穩(wěn)壓電源，其機(jī)械體積大、轉(zhuǎn)換效率低、能量損耗高且輸入與輸出之間難以隔離。隨著計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備的高度集成化，電子設(shè)備的功能不斷增強(qiáng)，體積逐漸縮小，在這種環(huán)境下迫切需要一種效率高、性能好、重量輕、體積小的新型電源。同時(shí)，功率半導(dǎo)體技術(shù)和電路制造工藝水平也取得了突破性進(jìn)展，不僅極大地降低了半導(dǎo)體器件的通斷損耗，而且提高了其工作穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)速度，新型開(kāi)關(guān)電源由此產(chǎn)生。

到了20世紀(jì)90年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)的微型化發(fā)展促進(jìn)了開(kāi)關(guān)電源的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變革，使其朝著與計(jì)算機(jī)微型化和無(wú)線通信高頻化相匹配的方向發(fā)展，由此奠定了開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展方向。技術(shù)的不斷升級(jí)使開(kāi)關(guān)電源的工作性能和系統(tǒng)穩(wěn)定性得到了進(jìn)一步提高，在國(guó)防、航天、工業(yè)、運(yùn)輸、通信、家電、儀器儀表和醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用并發(fā)揮著十分重要的作用。同時(shí)，人們對(duì)于電源的需求也隨時(shí)代的發(fā)展而增加，希望開(kāi)關(guān)電源能夠在有限的空間內(nèi)具有更高的輸出功率、更好的轉(zhuǎn)換效率、更豐富的輸出路數(shù)以及更完備的軟件控制功能。

如今，開(kāi)關(guān)電源在現(xiàn)代生活中的使用十分廣泛，特別是在一些高精度控制的電子產(chǎn)品中發(fā)揮著極其重要的作用。隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，日漸成熟的數(shù)字技術(shù)促使開(kāi)關(guān)電源向著高頻化、輕量化、小型化、低噪聲、低輸出電壓、高可靠性、智能化的方向發(fā)展。

1 開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用領(lǐng)域

開(kāi)關(guān)電源發(fā)展至今已取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，在國(guó)防、航天、工業(yè)、運(yùn)輸、通信、醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

（1）國(guó)防。在國(guó)防領(lǐng)域，高頻高壓開(kāi)關(guān)電源可滿足雷達(dá)發(fā)射機(jī)的電源需求，利用其良好的電磁兼容性，使雷達(dá)工作時(shí)具有超強(qiáng)的抗干擾能力，可勝任惡劣環(huán)境干擾下的工作。雷達(dá)發(fā)射機(jī)如圖1所示。

圖1 雷達(dá)發(fā)射機(jī)

（2）航天。在航天領(lǐng)域，在航天地面供電設(shè)備中應(yīng)用智能復(fù)合開(kāi)關(guān)電源能夠避免供電電源在投切瞬間造成的設(shè)備損失或數(shù)據(jù)失真，保證試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作的安全性和可靠性[1]。

（3）工業(yè)。在工業(yè)領(lǐng)域，大功率高頻開(kāi)關(guān)電源可為大負(fù)載工業(yè)設(shè)備提供穩(wěn)定電源，具有低損耗、高效率、高穩(wěn)定、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，滿足工業(yè)生產(chǎn)需求[2]。

（4）運(yùn)輸。在運(yùn)輸領(lǐng)域，可根據(jù)直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)具有特定機(jī)械結(jié)構(gòu)和專一功能的新型開(kāi)關(guān)電源，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸效率的最大化。

（5）通信。在通信領(lǐng)域，使用開(kāi)關(guān)電源對(duì)無(wú)線通信設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行供電，使通信設(shè)備在惡劣條件下也能獲得穩(wěn)定的電壓，并依靠其電磁兼容性進(jìn)一步提高通信質(zhì)量，保障通信設(shè)備的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

（6）醫(yī)療。在醫(yī)療領(lǐng)域，在外科手術(shù)過(guò)程中可以使用高頻開(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)的高頻電刀，相較于傳統(tǒng)手術(shù)刀，高頻開(kāi)關(guān)電源（見(jiàn)圖2）驅(qū)動(dòng)的高頻電刀在手術(shù)臨床診療活動(dòng)中能夠明顯減少切口出血量，降低感染率，極大地提高手術(shù)成功率，在現(xiàn)代醫(yī)療領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作用[3]。在外科手術(shù)過(guò)程中應(yīng)用的高頻開(kāi)關(guān)電源如圖2所示。

圖2 外科手術(shù)過(guò)程中應(yīng)用的高頻開(kāi)關(guān)電源

2 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展階段與展望

2.1 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展階段

開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展經(jīng)歷了硬開(kāi)關(guān)電源、軟開(kāi)關(guān)電源、同步整流開(kāi)關(guān)電源和數(shù)字控制開(kāi)關(guān)電源四個(gè)發(fā)展階段。

2.1.1 硬開(kāi)關(guān)電源

硬開(kāi)關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，初期，各項(xiàng)技術(shù)的不成熟導(dǎo)致其工作過(guò)程中存在極高的開(kāi)關(guān)損耗，且具有嚴(yán)重的電磁干擾。

2.1.2 軟開(kāi)關(guān)電源

改進(jìn)后的軟開(kāi)關(guān)電源提高了直流變換器的功率密度，降低了系統(tǒng)的容性開(kāi)通電流尖峰和感性關(guān)斷電壓尖峰，改善了高頻性能和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

在發(fā)展初期，受電源技術(shù)發(fā)展的限制，開(kāi)關(guān)電源器件在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)都是硬開(kāi)關(guān)電源，隨著軟開(kāi)關(guān)電源的日漸成熟，其以明顯的經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)受到廣大消費(fèi)者的青睞。在相同的經(jīng)濟(jì)條件下，軟開(kāi)關(guān)電源的電能損耗更低，能量轉(zhuǎn)換率更高，可以結(jié)合使用軟開(kāi)關(guān)電源與硬開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)勢(shì)，在設(shè)計(jì)電器產(chǎn)品時(shí)，既要發(fā)揮軟開(kāi)關(guān)電源的效率高、頻率高、損耗小的優(yōu)勢(shì)，又要充分利用硬開(kāi)關(guān)電源的電流、電壓定額小，易于濾波的獨(dú)特性能，得到最佳的能量轉(zhuǎn)換性能。

2.1.3 同步整流開(kāi)關(guān)電源

同步整流開(kāi)關(guān)電源用具有極低的導(dǎo)通壓降的功率器件MOSFET替換功率變換器中的功率二極管，可以極大地降低開(kāi)關(guān)電源工作時(shí)的導(dǎo)通損耗，避免出現(xiàn)轉(zhuǎn)換器功率開(kāi)關(guān)閉合使電感電流變?yōu)榱愕那闆r。

2.1.4 數(shù)字控制開(kāi)關(guān)電源

數(shù)字控制開(kāi)關(guān)電源是將數(shù)字電源通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器采樣，利用微控制器計(jì)算誤差，通過(guò)數(shù)字電源控制器單片機(jī)、DSP、FPGA的閉環(huán)算法，得到一定的占空比來(lái)控制功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)斷。

數(shù)字控制開(kāi)關(guān)電源的參數(shù)一致性好，可最大限度地避免誤差、老化、溫漂等問(wèn)題，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，而且在一些精密、復(fù)雜的系統(tǒng)中，采用高級(jí)的控制算法可以提高工作效率。然而，數(shù)字開(kāi)關(guān)電源也存在不少弊端，如采樣及量化精度低、相位延遲長(zhǎng)、控制周期長(zhǎng)等技術(shù)難關(guān)尚未攻克，因此極大地限制了其使用場(chǎng)所和市場(chǎng)普及率[4]。

2.2 開(kāi)關(guān)電源的展望

隨著科技革命席卷全球，半導(dǎo)體技術(shù)取得了巨大突破。加之制造工藝水平的不斷提升，半導(dǎo)體功率器件的可靠性和響應(yīng)速度隨之提升。目前，開(kāi)關(guān)電源廣泛用于由電力電子元件構(gòu)成的終端和通信設(shè)備中，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電源向更高水平發(fā)展，需要實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源的“四高”（高頻率、高效率、高可靠性、高功率密度）和“四化”（標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、智能化、電磁兼容化）。若能將開(kāi)關(guān)電源每個(gè)發(fā)展階段的技術(shù)優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，將進(jìn)一步拓展開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用范圍，使開(kāi)關(guān)電源邁入更高的發(fā)展階段，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的革新。

3 開(kāi)關(guān)電源的調(diào)制方式和展望

3.1 開(kāi)關(guān)電源的調(diào)制方式

電磁兼容技術(shù)的飛速發(fā)展與電源集成度的不斷提高使得開(kāi)關(guān)電源調(diào)制方式的選取變得尤為重要，其模擬調(diào)制方式分為脈沖寬度調(diào)制（PWM）、脈沖頻率調(diào)制（PFM）和混合調(diào)制（PWM-PFM）三種[5]。

3.1.1 PWM調(diào)制

PWM調(diào)制分為電壓型PWM調(diào)制和電流型PWM調(diào)制。在輸出電壓、外部負(fù)載或其他外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，電壓型PWM調(diào)制將基準(zhǔn)信號(hào)與被控制信號(hào)進(jìn)行對(duì)比形成閉環(huán)控制，繼而構(gòu)成反饋，調(diào)節(jié)MOSFET管的占空比，輸出高頻穩(wěn)定的電壓；電流型PWM調(diào)制是將輸出電流作為反饋信號(hào)，輸出電壓通過(guò)反向電流調(diào)制驅(qū)動(dòng)脈沖寬度進(jìn)行穩(wěn)定，具有即時(shí)反饋迅速的優(yōu)點(diǎn)。

3.1.2 PFM調(diào)制

PFM調(diào)制通過(guò)固定脈沖寬度、改變開(kāi)關(guān)頻率來(lái)調(diào)節(jié)占空比。它的主要優(yōu)點(diǎn)是靜態(tài)功耗很小，缺點(diǎn)是不夠穩(wěn)定，沒(méi)有限流功能。很多便攜設(shè)備一般采用PFM調(diào)制方式，因?yàn)橄噍^于PWM方式，PFM型開(kāi)關(guān)電源在頻率和占空比不高時(shí)，可以使用小電流驅(qū)動(dòng)控制芯片工作，以降低損耗[6]。

3.1.3 混合調(diào)制

混合調(diào)制方式結(jié)合了PWM和PFM兩種調(diào)制方法，同時(shí)使用脈寬調(diào)制器和脈頻調(diào)制器，可以改變脈沖的時(shí)鐘頻率和占空比，無(wú)論接入大功率或小功率負(fù)載，都具備很高的實(shí)用價(jià)值。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)煩瑣、價(jià)格高昂，不能在所有電子設(shè)備中使用[7]。

3.2 開(kāi)關(guān)電源調(diào)制方式的展望

目前，集成電路的發(fā)展已達(dá)到瓶頸，雖然開(kāi)關(guān)電源模擬調(diào)制的優(yōu)勢(shì)很多，但缺點(diǎn)也不容忽視。其使用的元器件較多，需占用很大空間，不利于設(shè)備放置，而且元器件本身的參數(shù)會(huì)隨使用環(huán)境條件的改變而變化，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)能力。

根據(jù)相關(guān)理論可知，通過(guò)數(shù)字方式控制的開(kāi)關(guān)電源具有工作高效性和系統(tǒng)穩(wěn)定性，而且排除了主觀因素的影響，保證了設(shè)備工作的可靠性。然而，目前的數(shù)字控制技術(shù)目前并不成熟，只在一些簡(jiǎn)單的元件設(shè)備中有所應(yīng)用，對(duì)于精密復(fù)雜的器件設(shè)備，存在關(guān)鍵性的理論問(wèn)題尚未攻克，且實(shí)際的工藝制造水平有限，目前還無(wú)法生產(chǎn)出高精度、高集成化的數(shù)字控制芯片。目前，數(shù)字控制的開(kāi)關(guān)電源還處在發(fā)展階段，但其優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)，具有很廣闊的發(fā)展前景，值得研發(fā)工作者努力探索[8-9]。

4 結(jié)論

開(kāi)關(guān)電源發(fā)展至今經(jīng)歷了多次革新，緊跟時(shí)代步伐，不斷創(chuàng)新發(fā)展，從而滿足人們的生活需要。如今，展現(xiàn)在人們面前的現(xiàn)代開(kāi)關(guān)電源相較于早期雖然提升巨大，但是站在人類(lèi)科技發(fā)展史的角度來(lái)看，開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展還有很長(zhǎng)的路要走。隨著半導(dǎo)體技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、電磁技術(shù)、數(shù)字智能技術(shù)等的不斷發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源未來(lái)將朝著高頻化、數(shù)字化、模塊化、綠色化的方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代電源技術(shù)的智能高效與綠色可靠發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)電源技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展。