开关电源的基本原理及发展趋势探析

2010-04-11侯清江张黎强许栋刚

制造业自动化 2010年9期

关键词：稳压电源椎间盘滤波

侯清江，张黎强，许栋刚

HOU Qing-jiang, ZHANG Li-qiang, XU Dong-gang

（郑州职业技术学院，郑州 450121）

开关电源的基本原理及发展趋势探析

The basic principle of switching power supply and development trend of

侯清江，张黎强，许栋刚

HOU Qing-jiang, ZHANG Li-qiang, XU Dong-gang

（郑州职业技术学院，郑州 450121）

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。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。

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。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。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和组成

2.1 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(Pulse Width Modulation，缩写为PWM)式。其主要特点是固定开关频率，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(Pulse Frequency 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1(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。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。

2.2 开关电源的组成

开关电源的典型结构如图2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。

图2 开关电源的典型结构

开关电源由以下4部分构成：

1）主电路：从交流电网输入，到直流输出的主要电路。主要包括输入滤波器、整流与滤波、逆变、输出整流与滤波。

（1）输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤,同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。

（2）整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电,以供下一级变换。

（3）逆变：将整流后的直流电变为高频交流电,这是高频开关电源的核心部分,频率越高,体积、重量与输出功率之比越小。

“腰椎管狭窄症病因主要是腰肌劳损，因为肌肉力量的不均衡，造成腰椎退行性变，包括椎间小关节的骨质增生，黄韧带的肥厚和椎间盘的退变。椎间盘的退变可能导致椎体高度的丢失、椎间盘的膨出，以及椎间盘的突出。椎间盘突出会比椎间盘膨出的症状更重。容易得腰椎管狭窄症的人主要是中老年人、长时间坐姿不良的人和重体力劳动者。长期搬运重物或是弯腰活动会造成腰肌劳损，过重的负荷增加了椎间盘的退变和小关节的退变，这样也会引起腰椎管狭窄症。”

（4）输出整流与滤波：根据负载需要,提供稳定可靠的直流电源。

2）控制电路：一方面从输出端取样,经与设定标准进行比较,然后去控制逆变器,改变其频率或脉宽,达到输出稳定,另一方面,根据测试电路提供的数据,经保护电路鉴别,提供控制电路对整机进行各种保护措施。包括输出端取样电路、反馈电路和脉宽调制器。

3）检测及保护电路：检测电路有过电流检测、过电压检测、欠电压检测、过热检测等；保护电路可分为过电流保护、过电压保护、欠电压保护、箝位保护、过热保护、自动重启动、软启动、缓启动等多种类型。

4）其他电路：如锯齿波发生器、偏置电路、光耦合器等。

3 开关电源的发展趋势

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。

4 结论

目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式；并对开关电源提出了小型轻量要求，此外要求开关电源效率要更高、性能更好、可靠性更高等。当前，各国正在努力开新器件、新材料以及改进装连方法，进一步提高效率，缩小体积，降低价格，以解决开关电源面临的课题，即环境适配性，包括噪声与谐波等的电磁适配性，以及同人类之间的安全适配性等。开关电源虽有很多优点，但它是强电流高频电路。除了电压调整器的输入、输出端口的电容必须是与工作频率适应的高频电容外，抑制电感和导线的磁场干扰及射频辐射干扰是必须注意的问题。在电压调整器中和输出滤波器中的电感，要通过单向性强电流。为作有效的磁屏蔽并抑制辐射，宜用有气隙(防磁饱和)的铁氧体作为磁芯的线圈。此外，开关电源和有关的元件要有较好的电磁屏蔽，经良好的滤波后输出直流电压和电流。

电力电子技术的不断创新，使开关电源产业有着广阔的发展前景。要加快我国开关电源产业的发展速度，就必须走技术创新之路，走出有中国特色的产学研联合发展之路，为我国国民经济的高速发展做出贡献。

[1] 谢嘉奎.电子线路[M].北京：高等教育出版社,2000.

[2] 王楚,余道衡.电子线路原理[M].北京：北京大学出版社,1987.

[3] 康华光.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社,2000.

[4] 杨素行.模拟电子技术基础简明教程[M].2002.

[5] 傅丰林.电子线路基础[M].西安：西安电子科技大学出版社,2001.

[6] 高文焕,刘润生.电子线路基础[M].北京：高等教育出版社,2000.

[7] Stanley G,Burns Paul R,Bard,黄汝激,译.电子电路原理[M].机械工业出版社,2000.

[8] 王英剑,常敏慧.新型开关电源实用技术[M].北京：电子工业出版社,1999.

[9] 叶慧贞,杨兴洲.新颖开关稳压电源[M].北京：国防工业出版社,1999.

[10]慕丕勋,冯桂林.开关稳压电源原理与实用技术[M].科学出版社,2005.

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