开关电源原理及其发展趋势
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开关电源原理及其发展趋势摘要：电源是各种电子设备不可或缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。
对于开关电源的广泛应用，有必要对其原理进行了解、对其发展趋势有所掌握，对现实工作将有极大帮助。
本文从开关电源自身的优点及其发展和应用现状出发，阐述了其脉冲宽度调制式、脉冲频率调制方式、混合调制方式的工作原理，并从主电路、控制电路等方面分析了其组成，最后论述了开关电源的发展趋势。
关键词：开关电源；基本原理；发展趋势1 开关电源概述电源是各种电子设备不可或缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。
目前常用的直流稳压电源和开关电源两大类。
由于开关电源本身消耗的能量低，电源效率比普通线性稳压电源提高一倍，被广泛用于电子计算机、通讯、家电等各个行业。
开关电源(Switch Mode Power Supply，即SMPS)被誉为高效节能型电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成稳压电源的主流产品。
半个世纪以来，开关电源大致经历了四个发展阶段。
早期的开关电源全部由分离元件构成，不仅开关频率低、效率不高，而且电路复杂，不易调试。
在20世纪70年代研制出的脉宽调制器集成电路，仅对开关电源中的控制电路实现了集成化。
20世纪80年代问世的单片开关稳压器，从本质上讲仍属于DC/DC电源变换器。
随着各种类型单片开关电源集成电路的问世，AC/DC电源变换器的集成化变为现实。
随着全球对能源问题的重视，电子产品的耗能问题将愈来愈突出，如何降低其待机功耗，提高供电效率成为一个急待解决的问题。
传统的线性稳压电源虽然电路结构简单、工作可靠，但它存在着效率低（只有40%－50%）、体积大、铜铁消耗量大，工作温度高及调整范围小等缺点。
为了提高效率，人们研制出了开关式稳压电源，它的效率可达85%以上，稳压范围宽，除此之外，还具有稳压精度高、不使用电源变压器等特点，是一种较理想的稳压电源。
正因为如此，开关式稳压电源已广泛应用于各种电子设备中，开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的导通与截止，将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压。
2 开关电源的基本原理开关电源按控制原理来分类，大致有以下3种工作方式：1）脉冲宽度调制式，简称脉宽调制(PulseWidth Modulation，缩写为PWM)式。
其主要特点是开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来调节占空比，实现稳压目的。
其核心是脉宽调制器。
开关周期的固定为设计滤波电路提供了方便。
但是，它的缺点是受功率开关最小导通时间的限制，对输出电压不能作宽范围调节；此外，输出端一般要接假负载(亦称预负载)，以防止空载时输出电压升高。
目前，大多数的集成开关电源采用PWM方式。
2）脉冲频率调制方式，简称脉频调制(PulseFrequency Modulation，缩写为PFM)式。
其特点是将脉冲宽度固定，通过改变开关频率来调节占空比，实现稳压的目的。
其核心是脉频调制器。
在电路设计上要用固定脉宽发生器来代替脉宽调制器中的锯齿波发生器，并利用电压?频率转换器(例如压控振荡器VCO)改变频率。
它的稳压原理是：当输出电压Uo升高时，控制器输出信号的脉冲宽度不变而周期变长，使占空比减小，Uo降低。
PFM式开关电源的输出电压调节范围很宽，输出端可不接假负载。
PWM方式和PFM方式的调制波形分别如图(a)、(b)所示，tp表示脉冲宽度(即功率开关管的导通时间tON)，T代表周期。
(a) 脉宽调制(b) 脉频调制从中可以比较容易的看出两者的区别。
但它们也有共同之处：（1）均采用时间比率控制(TRC)的稳压原理，无论是改变tp还是T，最终调节的都是脉冲占空比。
尽管采用的方式不同，但控制目标一致，可谓殊途同归。
（2）当负载由轻变重，或者输入电压从高变低时，分别通过增加脉宽、升高频率的方法使输出电压保持稳定。
3）混合调制方式，是指脉冲宽度与开关频率均不固定，彼此都能改变的方式，它属于PWM和PFM的混合方式。
它包含了脉宽调制器和脉频调制器。
由于和T均可单独调节，因此占空比调节范围最宽，适合制作供实验室使用的输出电压可以宽范围调节的开关电源。
以上3 种工作方式统称为“时间比率控制”(Time Ratio Control，简称TRC)方式。
需要指出的是，脉宽调制器既可作为一片独立的集成电路使用(例如UC3842型脉宽调制器)，亦可被集成在DC/DC变换器中(例如LM2576型开关稳压器集成电路)，还能集成在AC/DC变换器中(例如TOP250型单片开关电源集成电路)。
其中，开关稳压器属于DC/DC 电源变换器，开关电源一般为AC/DC电源变换器。
3 开关电源的组成一般地, 开关电源大致由输入电路、变换器、控制电路、输出电路四个主体组成。
如果细致划分, 它包括: 输入滤波、输入整流、开关电路、采样、基准电源、比较放大、震荡器、V/F 转换、基极驱动、输出整流、输出滤波电路等。
实际的开关电源还要有保护电路、功率因数校正电路、同步整流驱动电路及其它一些辅助电路等。
开关电源的典型结构如上图所示，其工作原理是：市电进入电源首先经整流和滤波转为高压直流电，然后通过开关电路和高频开关变压器转为高频率低压脉冲，再经过整流和滤波电路，最终输出低电压的直流电源。
同时在输出部分有一个电路反馈给控制电路，通过控制PWM 占空比以达到输出电压稳定。
(1)输入电路: 线性滤波电路、浪涌电流抑制电路、整流电路。
作用: 把输入电网交流电源转化为符合要求的开关电源直流输入电源。
(2)变换电路: 含开关电路、输出隔离( 变压器) 电路等, 是开关电源电源变换的主通道, 完成对带有功率的电源波形进行斩波调制和输出。
(3)控制电路: 向驱动电路提供调制后的矩形脉冲, 达到调节输出电压的目的。
基准电路、采样电路、比较放大、V/F 变换、振荡器。
基极驱动电路: 把调制后的振荡信号转换成合适的控制信号, 驱动开关管的基极。
(4)输出电路: 整流、滤波。
把输出电压整流成脉动直流, 并平滑成低纹波直流电压。
输出整流技术现在又有半波、全波、恒功率、倍流、同步等整流方式。
4 开关电源的发展趋势70 年代起, 我国在黑白电视机, 中小型计算机中开始应用5V, 20- 200A, 20kHZ AC- DC 开关电源。
80 年代进入大规模生产和广泛应用阶段, 并开发研究0.5～5MHz 准谐振型软开关电源。
80 年代中, 我国通信电源在AC- DC 及DC- DC 开关电源应用领域中所占比重还比较低。
90 年代, 中小型( 500W以下) ACDC和DC- DC 开关电源的特点是: 高频化( 开关频率达300-400kHZ) 以达到高功率密度, 体小量轻; 力求高效和高可靠; 低成本; 低输出电压( ≤3V; AC 输入端高功率同数等。
在今后几年内仍然将沿这些方向发展。
开关电源的效率比线性电源高很多。
这样就节省了能源，因此它受到人们的青睐。
但它也有缺点，就是电路复杂，维修困难，对电路的污染严重。
电源噪声大，不适合用于某些低噪声电路。
开关电源的技术追求和发展趋势可以概括为以下四个方面：1）小型化、薄型化、轻量化、高频化。
开关电源的体积、重量主要是由储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积。
在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能，因此高频化是开关电源的主要发展方向。
2）高可靠性。
开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍，因此降低了可靠性。
从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。
所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度，采用模块化技术可以满足分布式电源系统的需要，提高系统的可靠性。
3）低噪声。
开关电源的缺点之一是噪声大，单纯地追求高频化，噪声也会随之增大。
采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声，所以，尽可能降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。
4）采用计算机辅助设计和控制。
采用CAA和CDD技术设计最新变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。
在电路中引入微机检测和控制，可构成多功能监控系统，可以实时检测、记录并自动报警等。
5）低输出电压技术。
随着半导体制造技术的不断发展，微处理器和便携式电子设备的工作越来越低，这就要求未来的DC-DC变换器能够提供低输出电压以适应微处理器和便携式电子设备的供电要求。
开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关，高频化的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。
发展电力M O S F E T、I G B T等新型高速器件，开发高频用的低损磁性材料，改进磁元件的结构及设计方法，提高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等方面的工作，对于开关电源小型化始终产生着巨大的推动作用。
总之，人们在开关电源技术领域里，边开发低损耗回路技术，边开发新型元器件，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数的市场增长率向小型、薄型、高频、低噪声、高可靠方向发展。
参考文献：⏹雷媛媛吴胜益《试论开关电源技术的发展》期刊：通信电源技术 2008⏹侯清江张黎强许栋刚《开关电源的基本原理及发展趋势探析》刊物:制造业自动化2010⏹王学智《开关电源的原理和发展趋势》黑龙江科技信息 2007⏹闫永亮《浅论开关电源技术的发展趋势》[期刊论文]-中国科技信息 2009⏹林雯浅《谈开关电源的技术发展趋势》[期刊论文]-通信电源技术 2008⏹郝琦玮李树华《开关电源的原理与设计》内蒙古大学学报-自然科学版 2003⏹李靖魏琳《开关电源基本原理、发展和趋势》光盘技术-计算技术与自动化 200111。
