开关电源效率的优化设计

□刘慧娟 黄 权

开关电源的效率

传统开关电源是一种连续控制的线性稳压电源，此种稳压方式应用较多，由于调整管总是工作于放大区，流过的电流是连续的，这些结构及电路特性上的特点显示出其过载承受与短路承受能力差，效率低（35～60%），而且调整管还需较大的散热器。

开关调整式稳压器即开关电源是一种调整管工作于开关状态下，功率损耗小，效率高（70～95%以上），体积小，重量轻，调整管损耗小，则散热器也随之减小。由于开关频率较高，一般在20KHz 以上的超音频范围，故所须的滤波电容、电感可用小数值的元件，能忍耐较高的环境温度。同时也存在控制电路复杂、输出电压纹波电压高、瞬态响应较差的缺陷，因而在使用中有局限性。

开关电源对元件要求及其附带影响。开关电源中必须采用高频变压器、电感等磁性元件以及平滑用的电容，比如低高频内阻的电解，高频陶瓷电容如积层电容，高频薄膜电容如金属膜电容、P-P 电容等。

调整用的开关管从双极型的NPN、PNP 管（开关频率可达100KHz），到MOSFET（频率可达500KHz），以及IGBT、GTO、新型电力电子器件的出现，使得开关电源频率不断提高，功率不断提高，耐压耐流方面也不断提高。

一般而言，开关电源的频率越高，同等体积下其功率就越大，大致成正比；频率的提高，开关调整管的速度也要求越高，而频率高开关管的损耗亦随之加剧。开关管高速开关工作时，电路中的分布电感、分布电容会由于二极管蓄积电荷影响，产生浪涌电压与噪声，不但影响周边电子设备的工作，而且开关电源自身的可靠性亦显著降低。

开关管工作的噪声要采用RC、LC 等L-C-R 电路网络来吸收，对于二极管蓄积电荷产生的浪涌电压则要用非晶态磁芯或矩形磁芯的磁吸收电路。对于MHz 以上更高频率的开关电源，目前多采用谐振电路，即称为谐振开关方式。这种方式原理上可实现开关管损耗为零，噪声最小，可消除浪涌电压或电流浪涌。

由于开关电源工作频率高，所以其变压器上各输出绕组上取出直流电压时，要用快速二极管、超快速二极管以及消特基二极管等。磁性元件的有效利用，对于提高开关电源技术是极重要的。

开关电源控制电路集成化，由于开关电源的控制电路较为复杂，而且对控制开关管的信号要求要可靠、安全、响应好，为此，把各控制电路制作于同芯片上的控制单元IC，如3845、3524 等；还有的将控制单元与功率开关管，以及反馈控制电路亦集成于同一芯片上，有的还甚至与单片机可直接接口控制。

开关电源的设计

在开关电源中，逆变器（DC/AC 变换器）是开关电源的一个特殊应用，下面所讲的开关电源主要是讲直流变直流变换器，即DC/DC 变换器，因为DC/DC 变换器在高频在线机中用得最广泛。

在脉宽调制型（PWM）DC/DC 变换器中，除了DC/DC 变换器进行功率变换外，还须有启动电路、过流、过压保护电路、噪声滤波、浪涌电流、电压抑制电路等。

脉宽调制器即PWM 信号发生器，PWM 信号发生器的频率不变，但其占空比随负反馈量的大小而改变，从而保证输出电压的稳定。常用的PWM 控制IC 其输出PWM 信号的占空比最大值有两种，即接近于0.5 和接近于1。

开关电源从控制时间的角度讲，是滞后型控制，即前一个脉冲的输出要在下一个或几个脉冲过后，才能起控制作用。开关电源的瞬态响应差，与串联型稳压电源相比较如下表：

开关电源优化原理

开关稳压电源的分类：开关电源的电路结构有很多种，分类方法也不同。按驱动开关管的方式来分有自激式、他激式两种；按DC/DC 变换器的工作方式分有隔离型（通/通方式、通/过方式、中心抽头方式、推挽式、半桥方式、全桥方式、谐振方式）和非隔离型（降压式、升压式、极性反转式、开关电容式、谐振式）；按控制方式分为脉宽控制方式（他激式和自激式）、磁放大器的混合控制方式（电压控制式、电流控制式、并联控制式）和脉宽控制与磁放大器的混合式；按控制信号的隔离方式分为光电耦合隔离、变压器耦合隔离、电压/频率变换、频率/电压变换、磁放大器隔离；按过流保护方式分为输出电流检测方式和开关电流检测方式。

开关电源正弦波产生——三角波单脉冲S PWM 调制法。这种S PWM 产生的方法主要是用来产生一个含有正弦波信息的脉宽调制波，如果这种S PWM 波Uo 被滤波后，便得到一个正弦波U，主要用于逆变器来产生交流正弦波。它产生S PWM的原理与单脉冲三角波法类似，核心也是一个比较器IC2。此比较器的一个输入端接一个上、下、左、右均对称的等腰三角形波，另外一个输入端输入一个正弦波U2。

在实际应用中，像单脉冲三角波调制法一样，由于该等腰三角形频率、峰值保持不变，其输出的正弦波U 一般作为反馈信号，故须在调制器IC2 正弦波输入端接一个误差放大器IC1。

正弦波——三角波调制法请参见T1K逆变信号产生、输出、反馈电路等。

正弦波——三角波调制式开关电源的输出方式一般是用半桥式或全桥式变压器隔离式来输出其交流电压，而且都需要特殊配置的滤波器。