開關(guān)電源的基本原理及發(fā)展趨勢分析

1、開關(guān)電源概述

電源是各種電子設(shè)備不可或缺的組成部分，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)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(guān)電源兩大類。由于開關(guān)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(guān)電源的廣泛應(yīng)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(guān)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(guān)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(guān)式穩(wěn)壓電源已廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，開關(guān)電源就是用通過電路控制開關(guān)管進行高速的導(dǎo)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。

2、開關(guān)電源的基本原理和組成

2.1、基本原理

開關(guān)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(PulseWidthModulaon，縮寫為PWM)式。其主要特點是固定開關(guān)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(guān)周期的固定為設(shè)計濾波電路提供了方便。但是，它的缺點是受功率開關(guān)最小導(dǎo)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(yù)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(guān)電源采用PWM方式。

圖1 兩種控制方式的調(diào)制波形

2)脈沖頻率調(diào)制方式，簡稱脈頻調(diào)制(PulseFrequencyModulaon，縮寫為PFM)式。其特點是將脈沖寬度固定，通過改變開關(guān)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(shè)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(dāng)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。PWM方式和PFM方式的調(diào)制波形分別如圖1(a)、(b)所示，tp表示脈沖寬度(即功率開關(guān)管的導(dǎo)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(dāng)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(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”(meRaoControl，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(guān)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(guān)電源集成電路)。其中，開關(guān)穩(wěn)壓器屬于DC/DC電源變換器，開關(guān)電源一般為AC/DC電源變換器。

2.2、開關(guān)電源的組成

開關(guān)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(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。

圖2 開關(guān)電源的典型結(jié)構(gòu)

開關(guān)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(guān)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(shè)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。

3、開關(guān)電源的發(fā)展趨勢

開關(guān)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(fù)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(guān)電源的技術(shù)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(shè)計和控制。

5)低輸出電壓技術(shù)。

開關(guān)電源的發(fā)展從來都是與半導(dǎo)體器件及磁性元件等的發(fā)展休戚相關(guān)，高頻化的實現(xiàn)，需要相應(yīng)的高速半導(dǎo)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(shè)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(guān)電源小型化始終產(chǎn)生著巨大的推動作用。

4、結(jié)論

目前，開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應(yīng)用于以電子計算機為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備等幾乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)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(guān)電源提出了小型輕量要求，此外要求開關(guān)電源效率要更高、性能更好、可靠性更高等。

電力電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新，使開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。要加快我國開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度，就必須走技術(shù)創(chuàng)新之路，走出有中國特色的產(chǎn)學(xué)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。