开关电源技术发展概述

摘 要：任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。电子设备的小型化和低成本化，使电源以轻，薄、小和高效率为发展方向。本文论述了开关电源技术的发展过程，及其最新成果。

关键词：开关电源；体积；功耗

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。

现代开关电源有两种：一种是直流开关电源；另一种是交流开关电源。这里主要介绍的只是直流开关电源，其功能是将电能质量较差的原生态电源（粗电），如市电电源或蓄电池电源，转换成满足设备要求的质量较高的直流电压（精电）。直流开关电源的核心是DC/DC转换器。因此直流开关电源的分类是依赖DC/DC转换器分类的。

传统的晶体管串联调整稳压电源是连续控制的线性稳压电源。这种传统稳压电源技术比较成熟，并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好，输出纹波电压小，使用可靠等优点。但通常都需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器。由于调整管工作在线性放大状态，为保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率低，一般只有45%左右。另外由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，很难满足现代电子设备的发展要求。20世纪50年代，美国宇航局以小型化，重量轻为目标，为搭载火箭开发了开关电源。在近半个世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代了传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备供电中。

在电力电子技术高速发展的时代，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。

开关型稳压电源采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。其效率可高达70%-95%。而功耗小，散热器也随之减小，稳定性也高。开关稳压电源直接对电网电压进行整流、滤波、调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压器。此外，开关工作频率为几十千赫，滤波电容器、电感器数值较小，应此开关电源具有体重轻、体积小等优点。另外，由于功耗小，机内温升低，提高了整机的稳定性和可靠性。而且对电网的适应能力也有较大的提高，一般串联稳压电源允许电网波动范围为220V 10%，而开关型稳压电源字电网电压为110～260V范围内变化时，都可获得稳定的输出电压。

开关电源的高频化是电源技术发展的创新技术，高频化带来的效益是使开关电源装置空前的小型化，并使开关电源进入更广泛的领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻变化，另外开关电源的发展与应用在节约资源及保护环境方面都具有深远的意义。

21世纪，市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管，开关频率可达几十千赫；采用MOSFET的开关电源转换频率可达几百千赫。为提高开关频率，必需采用高速开关器件。对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路，这种工作方式称为谐振开关方式。它可以极大地提高开关速度，理论上开关损耗为零，噪声也很小，这是提高开关电源工作频率的一种方式。21世纪开关电源的追求和发展趋势可以概括为以下四个方面。

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（磁性原件和电容）决定的，因此开关频率的小型化，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，不仅能有效的减小电容、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一个新的发展方向。

高可靠性。开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍，因此提高了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器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，这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护等功能，简化了电路，提高了平均无故障时间。

低噪声。开关电源的缺点之一是噪声大。单纯的追求高频化，噪声也会随之增大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上可以提高频率又可以降低噪声，所以，尽可能的降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。

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。在电路中引入微机监测和控制，可构成多功能监控系统，可以实时检测、记录并自动报警等。此外，计算机辅助设备控制的应用，对于电源技术的智能化发展提供了新的方向。

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的。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。发展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件，开发高频用的低损磁性材料，改进磁性元件的结构及设计方法，提高电容的介电常数及降低其等效串联电阻，对于开关电源小型化始终产生着巨大的推动作用。

现代电子系统，即便是最简单的由单片机和单一I/O接口电路所组成的电子系统来讲， 其电源电压，一般也要由+5V，±15V或±12V等多路组成，而对较复杂的电子系统来讲，不同的电子系统，不仅对上述各种电压组合有严格的要求，而且对这些电源电压的诸多电特性也有较严格的要求，如电压精度，电压的负载能力（输出电流），电压的纹波和噪声，起动延迟，上升时间，恢复时间，电压过冲，断电延迟时间，跨步负载响应，跨步线性响应，交叉调整率，交叉干扰等。对于电源应用者来讲，一般都希望其所选择的电源产品为“傻瓜型”的，即所选择的电源电压只要负载不超过电源最大值，无论系统的各路负载特性如何变化，而各路电源电压依然精确无误。

参考文献：

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[2] 袁冰，来新泉，贾新章，叶强，王红义.片内频率补偿实现电流模DC-DC高稳定性[J]. 西安电子科技大学学报.2008（04）：23-25 .

作者简介：李梅（1996-02），湖北省黄冈市人，电气工程及其自动化专业。