開關電源 - 開關電源的基本原理及發(fā)展趨勢分析

電源是各種電子設備不可或缺的組成部分，其性能優(yōu)劣直接關系到電子設備的技術指標及能否安全可靠地工作。目前常用的直流穩(wěn)壓電源和開關電源兩大類。由于開關電源本身消耗的能量低，電源效率比普通線性穩(wěn)壓電源提高一倍，被廣泛用于電子計算機、通訊、家電等各個行業(yè)。對于開關電源的廣泛應用，有必要對其原理進行了解、對其發(fā)展趨勢有所掌握，對現(xiàn)實工作將有極大幫助。開關電源(SwitchModePowerSupply，即SMPS)被譽為高效節(jié)能型電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)已成穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。

隨著全球?qū)δ茉磫栴}的重視，電子產(chǎn)品的耗能問題將愈來愈突出，如何降低其待機功耗，提高供電效率成為一個急待解決的問題。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源雖然電路結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，但它存在著效率低(只有40%-50%)、體積大、銅鐵消耗量大，工作溫度高及調(diào)整范圍小等缺點。為了提高效率，人們研制出了開關式穩(wěn)壓電源，它的效率可達85%以上，穩(wěn)壓范圍寬，除此之外，還具有穩(wěn)壓精度高、不使用電源變壓器等特點，是一種較理想的穩(wěn)壓電源。正因為如此，開關式穩(wěn)壓電源已廣泛應用于各種電子設備中，開關電源就是用通過電路控制開關管進行高速的導通與截止，將直流電轉(zhuǎn)化為高頻率的交流電提供給變壓器進行變壓，從而產(chǎn)生所需要的一組或多組電壓。

開關電源按控制原理來分類，大致有以下3種工作方式：

1)脈沖寬度調(diào)制式，簡稱脈寬調(diào)制(PulseWidthModulation，縮寫為PWM)式。其主要特點是固定開關頻率，通過改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)占空比，實現(xiàn)穩(wěn)壓目的。其核心是脈寬調(diào)制器。開關周期的固定為設計濾波電路提供了方便。但是，它的缺點是受功率開關最小導通時間的限制，對輸出電壓不能作寬范圍調(diào)節(jié);此外，輸出端一般要接假負載(亦稱預負載)，以防止空載時輸出電壓升高。目前，大多數(shù)的集成開關電源采用PWM方式。

2)脈沖頻率調(diào)制方式，簡稱脈頻調(diào)制(PulseFrequencyModulation，縮寫為PFM)式。其特點是將脈沖寬度固定，通過改變開關頻率來調(diào)節(jié)占空比，實現(xiàn)穩(wěn)壓的目的。其核心是脈頻調(diào)制器。在電路設計上要用固定脈寬發(fā)生器來代替脈寬調(diào)制器中的鋸齒波發(fā)生器，并利用電壓?頻率轉(zhuǎn)換器(例如壓控振蕩器VCO)改變頻率。它的穩(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式開關電源的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍很寬，輸出端可不接假負載。PWM方式和PFM方式的調(diào)制波形，tp表示脈沖寬度(即功率開關管的導通時間tON)，T代表周期。從中可以比較容易的看出兩者的區(qū)別。但它們也有共同之處：

(1)均采用時間比率控制(TRC)的穩(wěn)壓原理，無論是改變tp還是T，最終調(diào)節(jié)的都是脈沖占空比。盡管采用的方式不同，但控制目標一致，可謂殊途同歸。

(2)當負載由輕變重，或者輸入電壓從高變低時，分別通過增加脈寬、升高頻率的方法使輸出電壓保持穩(wěn)定。

3)混合調(diào)制方式，是指脈沖寬度與開關頻率均不固定，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)的開關電源。

以上3種工作方式統(tǒng)稱為“時間比率控制”(TimeRatioControl，簡稱TRC)方式。需要指出的是，脈寬調(diào)制器既可作為一片獨立的集成電路使用(例如UC3842型脈寬調(diào)制器)，亦可被集成在DC/DC變換器中(例如LM2576型開關穩(wěn)壓器集成電路)，還能集成在AC/DC變換器中(例如TOP250型單片開關電源集成電路)。其中，開關穩(wěn)壓器屬于DC/DC電源變換器，開關電源一般為AC/DC電源變換器。

開關電源的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示，其工作原理是：市電進入電源首先經(jīng)整流和濾波轉(zhuǎn)為高壓直流電，然后通過開關電路和高頻開關變壓器轉(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。

開關電源 - 開關電源的基本原理及發(fā)展趨勢分析

開關電源由以下4部分構(gòu)成：

1)主電路：從交流電網(wǎng)輸入，到直流輸出的主要電路。主要包括輸入濾波器、整流與濾波、逆變、輸出整流與濾波。

(1)輸入濾波器：其作用是將電網(wǎng)存在的雜波過濾，同時也阻礙本機產(chǎn)生的雜波反饋到公共電網(wǎng)。

(2)整流與濾波：將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電，以供下一級變換。

(3)逆變：將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開關電源的核心部分，頻率越高，體積、重量與輸出功率之比越小。

(4)輸出整流與濾波：根據(jù)負載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。

2)控制電路：一方面從輸出端取樣，經(jīng)與設定標準進行比較，然后去控制逆變器，改變其頻率或脈寬，達到輸出穩(wěn)定，另一方面，根據(jù)測試電路提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)保護電路鑒別，提供控制電路對整機進行各種保護措施。包括輸出端取樣電路、反饋電路和脈寬調(diào)制器。

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

4)其他電路：如鋸齒波發(fā)生器、偏置電路、光耦合器等。

開關電源的效率比線性電源高很多。這樣就節(jié)省了能源，因此它受到人們的青睞。但它也有缺點，就是電路復雜，維修困難，對電路的污染嚴重。電源噪聲大，不適合用于某些低噪聲電路。開關電源的技術追求和發(fā)展趨勢可以概括為以下五個方面：

1)小型化、薄型化、輕量化、高頻化。

2)高可靠性。

3)低噪聲。

4)采用計算機輔助設計和控制。

5)低輸出電壓技術。

開關電源的發(fā)展從來都是與半導體器件及磁性元件等的發(fā)展休戚相關，高頻化的實現(xiàn)，需要相應的高速半導體器件和性能優(yōu)良的高頻電磁元件。發(fā)展電力MOSFET、IGBT等新型高速器件，開發(fā)高頻用的低損磁性材料，改進磁元件的結(jié)構(gòu)及設計方法，提高濾波電容的介電常數(shù)及降低其等效串聯(lián)電阻等方面的工作，對于開關電源小型化始終產(chǎn)生著巨大的推動作用。

目前，開關電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用于以電子計算機為主導的各種終端設備、通信設備等幾乎所有的電子設備，是當今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式;并對開關電源提出了小型輕量要求，此外要求開關電源效率要更高、性能更好、可靠性更高等。

電力電子技術的不斷創(chuàng)新，使開關電源產(chǎn)業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。要加快我國開關電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度，就必須走技術創(chuàng)新之路，走出有中國特色的產(chǎn)學研聯(lián)合發(fā)展之路，為我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展做出貢獻。