开关电源的基本原理与技术发展综述

2018-05-03王思聪

价值工程 2018年14期

王思聪

摘要：随着现代电力电子技术的快速发展，使开关电源技术也得到了很大程度的更新与进步。开关电源的高频化、模块化和数字化的发展，使其被广泛的应用于电子、通信、航天、医疗等各个领域。本文阐述了开关电源的基本原理及组成，对开关电源的不同技術发展阶段的发展历程进行了论述，总结了不同技术的特点，并展望了开关电源的发展趋势。

Abstract： With the rapid development of modern power electronics technology， the switching power supply technology has also been largely updated and improved. The development of switching power supply with high frequency， modularization and digitalization. It has been widely used in electronics， communications， aerospace， medical and other fields. In this paper the basic principle and composition of switching power supply is described， the development course of different technology development stages of switching power supply is discussed. The characteristics of different technologies are summarized， and the development trend of switching power supply is prospected.

关键词：开关电源；硬开关；软开关；同步整流；数字控制

Key words： switching mode power supply；hard switching；soft switching；synchronous rectification；digital control

中图分类号：TM56 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）14-0269-03

0 引言

随着世界经济全球化和我国国民经济的飞速发展，国防、航空、通信、信息、电力等行业对电力电子设备的需求越来越大，品质要求也越来越高。其中电源作为用电设备的心脏，为设备提供动力。开关电源之前，线性电源和相控电源是当时应用最广泛的直流电源。随着电力电子技术的发展，开关电源的出现使电源系统的应用领域不断扩大，趋于小型化和低成本的同时，提出了更多的要求，如开关电源的体积小、效率高、灵活性好等。开关电源作为高效节能电源，代表着稳压电源的发展方向。随着半导体技术和制造工艺的创新与发展，使半导体功率器件的可靠性和响应速度不断提高，器件的导通损耗越来越小，同时开关电源的系统可靠性、稳定性、电磁兼容性及效率得到了很大程度上提高，有助于改善系统的动态参数，提高工作频率，逐渐向高频化发展。由于数字控制技术的迅猛发展，使开关电源逐渐走向智能控制的时代。本文对开关电源的基本原理与电路构成进行了阐述，重点对开关电源的不同发展阶段的发展路径和技术特点进行介绍和总结，并展望了开关电源的发展趋势。

1 开关电源的基本原路与电路构成

1.1 开关电源的基本原理

依照控制原理不同，可将开关电源分为三类工作方式，即脉冲频率调制式、脉冲宽度调制式、混合调制式。

①脉冲频率调制方式，简称脉频调制（Pulse Frequency Modulation，缩写为PFM）式。其特点是保持脉冲宽度不变，通过改变开关频率来控制占空比，进而实现稳压目的。脉频调制器是其核心。在电路设计中，用固定脉宽发生器来代替脉宽调制器中的锯齿波发生器，并通过电压/频率转换器（例如压控振荡器Vco）改变频率。其稳压原理是：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。

②脉冲宽度调制式，简称脉宽调制（Pulse Width Modulation，缩写PWM）式。其特点是保持开关频率不变，通过改变脉冲宽度来控制占空比，进而实现稳压目的。脉宽调制器是其核心。固定开关周期十分有利于滤波电路的设计。但其也存在明显缺点，即受功率开关最小导通时间的制约。当前多数集成开关电源采用PWM方式。

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tp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。需要注意的是，脉宽调制器不仅能够被应用在独立的集成电路中，还能够被应用在DC/DC变换器及AC/DC变换器中。其中，开关电源通常为AC/DC电源变换器，开关稳压器属于DC/DC电源变换器。

1.2 开关电源的组成

图1表示开关电源的典型结构，其工作原理：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。

开关电源主要由四部分组成，具体如下：

①主电路：主要包括功率开关管、输入整流滤波器、输入电磁干扰滤波器、高频变压器和输出整流滤波器，是指交流电网输入，到直流输出的主要电路。

②控制电路：包括脉寬调制器、反馈电路、输出端取样电路。

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

④其他电路：如偏置电路、锯齿波发生器、光耦合器等。

2 开关电源技术发展

2.1 硬开关技术

硬开关一般是指开关元件的硬开通和硬关断。通常开关元件工作时，由于di/dt和du/dt不可能无穷大，且开关元件的工作状态不会在截止状态和导通状态之间直接的跳变，而是在开关期间有一段电压和电流的交叠过渡区存在。

二十世纪六十年代，PWM硬开关技术开始被人们广泛的应用，其工作的频率在400～500kHz之间，硬开关技术的拓扑结构包括正激式、反激式、推挽式、降压式、升压式和升降压式等方式。

采用PWM硬开关技术控制的代表芯片主要有TI公司的电压型PWM控制器TL494，电流型PWM控制器UC3842和UCCX809等。硬开关技术的特点是电路结构简单，但其开关损耗大、感性关断电压尖峰大、容性开通电流尖峰大、电磁干扰严重。

2.2 软开关技术

二十世纪八十年代，与硬开关技术相对应地提出了软开关技术，软开关技术可以有效地提高DC/DC开关电源的功率密度，改善高频性能和动态响应。软开关技术可分为零电压开关（ZVS）和零点六开关（ZCS），利用谐振原理控制开关管在零电压或零电流条件下进行切换，有助于降低功率器件的开关损耗，提高开关电源的工作效率。

软开关按照控制方式可以分为PFM型、PWM型和移相全桥型。

①通常谐振变换器和准谐振变换器（QFC）采用脉冲频率调制法（PFM）。

谐振变换器的总体结构示意图，主要由开关电路、谐振电路、整流电路、滤波电路四部分组成。

开关网络将直流信号变换为方波形式功率信号，方波信号经谐振电路变换为正弦信号，在经过整流、滤波得到直流输出信号。假设整流电路为全波整流器，则整流器的输出为全波整流波形。从频谱分析观点看，整流电路的作用相当于频谱搬移。谐振变换器的特点包括：虽然通过增加饱和磁元件或吸收电容来实现功率开关器件的零电压关断和零电流导通，同时增加了电路的实现难度和失误率；由于电路中的回路电流类似于正弦信号，容易出现低EMI的产品。

准谐振变换器的开关电路中，谐振元件只在开关周期中的一部分时间参与谐振，其电压与电流的波形为准正弦波。QRC运用了比较典型的VICOR公司有源箝位零电压/电流软开关技术。准谐振变换器的技术特点：开关管的结电容被吸收，实现了零电压开关，而整流二极管的结电容未被吸收，它将于谐振电感产生振荡，影响变压器正常工作；开关管的电压应力与负载范围有关，负载范围越宽，开关管的电压应力越大；变换器的导通时间固定，关断损耗较小，电流应力大，开通损耗大，不能空载工作；变换器实现软开关技术后，开关频率可以提高到几兆甚至几十兆赫兹，但由于QRC为变频工作模式，所以很难对滤波器进行优化，且电压和电流的应力很大。

②PWM型软开关。

由于在工作期间PFM技术频率范围较宽，导致在设置和布置谐振变换器的控制电路和滤波电路时较为复杂，再加上开关损耗原因，导致PWM高频技术无法得到广泛发展。PWM软开关技术是建立在PWM技术和PFM软开关技术的基础上形成的，结合两者优势开展工作。采用了PWM部分谐振零电压开关模式的有美国的POWERONE和ASTEC、日本的LAMBDA等公司。

PWM软开关技术有两种电路包括零电压（ZVS）和零电流（ZCS）PWM电路，这两种电路与传统的PWM电路相比在开关管的工作效率方面有了很大提高，并且有效地降低了开关管的开关管应力和噪声，减小了开关管的开关损耗。在ZVS电路中，开关管承受的最大正向电压要比电源电压更大；而在ZCS电路中，利用其对偶性可以得到，开关管承受的最大电流比负载电流还要大。正是由于上述特点，两种PWM软开关电路在应用方面存在差别，ZVS电路多用于开关器件频率高、频率低的场合；而ZCS更多的应用在开关频率低，功率较大的电路。

③移相全桥软开关。

在移相全桥变换器的控制中，通常由超前臂和滞后臂实现软开关的控制，主要的工作方式有三种方式。

1）ZVS工作方式下，变压器原边电流处于恒流模式，超前臂与滞后臂均可实现ZVS。

2）ZVS-ZCS工作方式下，不仅可以实现超前臂的ZVS，还可以在全电压全负载范围内实现滞后臂的ZCS。该种工作方式没有初级环流，可有效提高工作的效率。

3）ZCS工作方式下，开关管都可实现ZCS工作，有效地避免了电流拖尾，而输出的整流管工作在ZVS，不需要考虑反向恢复问题。由于滞后臂相比于超前臂不易实现ZCS，并且变压器漏感和谐振电容会对变换器的工作造成影响，所以在初级输出时存在占空比丢失的问题。

移相全桥技术的特点主要是电路的拓扑简单，控制方法灵活性强，开关功率的变化只需要通过改变移相角就可实现，不但能提高功率转换的效率、降低电压/电流变化率，还能够减小电磁干扰。但是存在一些问题包括：需增加一个有损谐振电感；占空比的丢失会使变换器的损耗更加严重；移相全桥的非对称性无法实现同步整流；轻载时软开关的死去时间不易控制。

移相全桥的控制芯片主要有TI公司的UC3875，UCC3895，凌特公司的LTC1922，LTC3722。通常控制芯片可以准确地调节开关时间，从而使移相全桥电路工作在最佳ZVS状态。其中LTC3722的使用大大减小了谐振电感的电感量和体积，变换器的ZVS工作状态的边界条件加宽，减小了占空比的丢失量等。

2.3 同步整流技术

同步整流技术是将电路中的二极管整流变换成MOS管进行整流。

通过软开关技术的PWM变换器的应用使开关管频率得到很大程度的增加，同时开关变换器的功率密度也不断变高。但在低压大电流输出时，整流二极管导通的压降较大时，会导致损耗变大，效率随之减小。当采用整流二极管（FRD/SRD）时，导通压降高达1.0～1.2V，即使换成导通压降仅为0.6V的肖特基势垒二极管（SBD），电源的效率会大大减小。目前，MOSFET的导通电阻已降到mΩ以下，导通压降可降低到0.006V左右，利用MOSFET管代替二极管整流的同步整流技术可将DC/DC变换器效率提高10%左右。

现在市场中的高中档开关电源几乎都采用了同步整流技术，其中5V以下低电压小功率同步整流多采用自驱控制，12～20V电压输出的开关电源通常采用IC控制驱动同步整流。目前越来越多的进行带ZVS/ZCS软开关控制的同步整流技术。最新研究出的双输出PWM控制IC，几乎都具备同步整流软开关控制的功能，例如凌特公司的LTC3722，INTEESIL公司的ISL6752等。上述公司生产的这些芯片不但拥有初级功率MOSFET的软开关，还可实现次级同步整流管的ZVS换流。这种软开关-同步整流开关电源DC/DC变换器的效率通常能达到94%以上。

2.4 数字控制技术

数字电源与模拟电源相比，它是通过A/D转换器进行采样，利用微控制器计算误差，通过数字电源控制器DSP，MCU，FPGA等算法计算得到所需的占空比，由此来进行功率开关管的控制。数字电源主要由数字电源驱动器、数字电源PWM控制器、数字信号处理器等器件构成。

数字开关电源主要有以下两种控制方法：

①单片机控制。

单片机对数字开关电源进行控制时，系统先进行输出信号的采样，将采样信号进行A/D转换，得到数字信号，然后对数字信号进行精确的运算和调节，而后将运算结果转换为模拟信号来驱动PWM控制芯片，从而间接的实现开关电源的数字化控制。单片机的数字开关电源控制只需要利用几个简单的单片机就可实现闭环控制，一方面设计成本低、控制方法清晰，且技术已相当成熟；另一方面拓扑电路结构复杂、数字转换的延时较长，从而引起系统动态性能和稳压精度较低。虽然通过在单片机上进行PWM输出的集成可以改善数字延迟的时间，但是在单片机的时钟频率范围内无法产生于开关电源工作频率相适应的PWM输出控制信号。

②数字芯片控制。

采用高性能的数字控制芯片（如DSP）来进行开关电源系统的采样，然后进行A/D转换输出PWM控制信号，通过驱动放大DSP输出的PWM信号，然后将其作用于开关管。为提高系统的动态响应速度，改善输出电压的调整精度，应采用高运算速度、高频率的控制芯片，便于迅速地完成系统的控制算法，精确控制开关电源的数字逻辑。然而，高性能的数字芯片由于技术难度大、控制逻辑复杂、成本较高、性价比低，无法在开关电源领域得到广泛应用。

数字电源的优势是模块集成化程度高、数字智能芯片可操作性强、通信功能易于实现等，凭借这些优势数字电源越来越受到当前市场的青睐，但不可否认，当前数字电源依然存在许多亟待解决的技术问题，比如控制周期长、相位延迟时间长、数字电源采样及量化精度低等。

3 结论

目前开关电源被广泛的应用于电力电子元件构成的终端和通信设备中，这也给开关电源的发展提出了更高的要求，开关电源逐渐向高效率、高性能和高可靠性方面发展。当前各国为了进一步提高开关电源的效率、缩小其体积、降低其成本，在软开关技术、同步整流技术、数字控制等基础上，不断地进行新技术的创新与研究，若能将上述技术进行融合，不但可以提高开关电源的性能，还可实现对开关电源远程的控制和故障诊断。