开关电源的工作原理及技术趋势

石海英

摘要：在我们日常生活以及工作中，对于电能的应用十分的普遍。随着我国科技水平的不断提高与发展，对开关电源技术趋势起到了非常大的推动作用，开关电源技术也在社会各行各业中得到了广泛应用。本文主要阐述了开关电源的由来、开关电源的工作原理、设计以及开关电源技术发展趋势。

关键词：开关电源;工作原理;设计;技术趋势

引言：随着信息化科技和数字化技术的飞速发展，为开关电源技术的发展奠定坚实的基础。而开关电源技术的发展，使开关电源在各行各业获得了广泛应用。随着数字化技术的有效开展，数字化已经成为开关电源技术发展的主要技术趋。加大开关电源技术的研究与发展，对于提升开关电源技术应用有着十分重要的作用。

1.开关电源的由来

开关电源技术最早开始20世纪50年代由美国宇航局研制出来的，它是开关电源技术发展的开端。随着生产力和科学技术水平不断发展，开关电源技术逐渐向工业领域应用。20世纪70年代，是开关电源技术快速发展时期，电力电子理论建立与完善给开关电源技术提供了良好的理论实践基础。在开关电源应用初期，开关电源产品存在开关频率低、功率密度低、可靠性差等缺点。我国于1992年开始率先在通信领域推广并使用开关电源技术。经过多年的实践总结，开关电源技术在军工科技、工农业生产以及人们的日常工作生活中起到了十分重大的意义与作用[1]。

2.开关电源的工作原理

2.1脉冲宽度调制式

脉冲宽度调制式是开关电源控制方式最普遍的控制方式。其主要特点就是固定开关频率，通过改变脉冲宽度进行空间占比调节，实现稳定电压的目的。当电源输出的负载量过大时，增加相应的占比空间，脉冲变宽，使得输入终端向输出终端提供更多的能量，达到稳定的效果。当负载量变小时，相应的减小占比空间，脉冲变窄，使得传输能量减少，稳定电源。开关周期的固定为设计滤波电路提供了方便。它的缺点是受功率开关最小导通时间的限制，对输出电压不能做宽度调节。

2.2脉冲频率调制式

脉冲频率调制式特点是将脉冲宽度固定，通过改变开关频率开调节空间占比，实现电压稳定的目的。在电路设计上要用固定脉宽发生器代替脉宽调制器中锯齿波发生器，并利用电压频率转换器改变电压频率。稳压原理是当输出的电压升高时，脉冲宽度不变，周期变长，空间占比减小。当电压降低时，脉冲频率式开关电源电压输出范围变宽，此时输出端不可以接假负载[2]。

如图所示 两种控制方式的调制波形

脉冲宽度调制式（a）和脉冲频率调制式（b），tp表示脉冲宽度，T代表周期。从图中可以看出二者之间既有区别又有共同之处。

共同处：第一，二者均采用時间比率控制的稳定电压原理，无论是脉冲宽度还是周期，最终都是由冒充空间占比来调节的，虽然采用不同方式，但是最终控制目标是一致的。第二，当负载有轻变重，或者输入电压由高变低是，分别通过增加脉冲宽度，升高脉冲频率的方法，稳定电压。

2.3混合调制式

混合调制式就是灵活的运动调整脉冲宽度和开关频率，属于脉冲宽度调制式和脉冲频率调制式的混合方式。混合方式兼顾了脉冲宽度调制式和脉冲频率调制式两种模式，所以可以灵活运用。脉冲宽度调制式和脉冲频率调制式都可以单独进行调节，所以占比空间越高，输出范围也就越宽。

以上三种方式是开关电源控制原理的基本原理。随着科技技术的进步与飞速发展，开关电源技术的发展日趋成熟，开关电源芯片研究发展也越来越成熟，越来越多的开关电源芯片技术应用到开关电源控制中，实现开关电源的调节。开关电源技术越来越成熟，开关电源性能越来越好，开关电源的功能也就越来越强大。

3.开关电源可靠性设计

3.1电磁兼容性

开关电源主要是抑制干扰源，干扰源在开关电路与输出整流电路中。采用的技术包括滤波技术、布局与布线技术、屏蔽技术、接地技术等。

3.2元器件可靠性

元器件直接决定电源的可靠性，所以元器件的原则及其重要。元器件失效的原因主要有元器件生产质量问题、器件设计问题以及器件损耗问题。

3.3电源设备可靠性

温度也是影响设备可靠性最重要的因素。电源设备内部的温度过高，将会导致元器件的失效。当温度超过一定值时，要强迫风冷散热量比自然冷却大十倍以上，才能确保温度降下来。

3.4安全性

安全性也是决定电源性能得重要因素，不安全的产品不但不会完成规定的功能，还会造成严重的事故产生。

4.开关电源技术发展趋势

4.1高频化技术的发展

随着科技的发展，各行各业对于开关电源技术发展也有着更高的要求。开关电源的高频技术对比之前在逐渐提高。随着高频技术的日益提高，开关电源的体积和重量也在逐渐降低，有效的适应市场发展的需求。高频技术的不断更新与发展为开关电源技术的发展提供了新的机遇。同时在开关电源在应用高频技术的同时，还是会加速开关电源元器件的损耗程度，降低元器件使用寿命，这些都是现实存在的问题[3]。

4.2数字化技术的发展

随着数值化技术的飞速发展，开关电源在应用上也是离不开数字化技术支撑。对于传统的开关电源而言，模拟信号对控制部分的工作起到了引导作用。但是随着数字化技术应用，数字化控制已经被绝大部分设备所采用，通过数字化控制可以有效提高开关电源技术工作效率，更加准确的完成数字采集，使得计算机更加灵活的运用各种算法，提升电源开关技术的发展水平。

4.3低输出电压技术的发展

随着社会经济和科技水平的不断提高，半导体制造技术不断更新与发展，半导体在开关电源技术发展中有着十分重要的作用。在微处理器和便携电子设备的使用上有着至关重要的作用。这就要求半导体装置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需求，保障微处理器和便携式电子设备的工作质量和工作效率。

4.4模块化技术的发展

开关电源通过模块技术的发展，可以有效缩小开关电源的体积与重量，推进开关电源在各个领域应用要求。在开关电源应用中，功率需求增加，就可以通过模块化技术得以实现，大大节省开发研究成本，减少研究开发周期，方便用户售后维修和更换，更加适应科技技术发展的脚步。

4.5高可靠性和低噪声技术的发展

开关电源是为奇特设备和产品提供电能并保证可以正常工作的设备，所以开关电源必须有良好的安全性和可靠性。由于很多开关电源都是需要长期进行工作的，开关电源的元器件更容易损坏，这样就会降低开关电源的可靠性。各种开关电源的元器件寿命决定着开关电源的使用寿命。因此为了延长开关电源的使用寿命，就要降低元器件的使用率。

开关电源的噪声也是污染源。开关电源技术的缺点中就有噪音这一项，开关电源在工作时一定会有噪声的产生，使用的频率越高，噪声也就会越来越大。所以，要降低噪声的污染，就要采用谐振转换回路技术，谐振转换回路技术既可以提高开关电源频率又可以降低开关噪声，噪声降低技术是降低噪声污染问题未来发展的方向。

结束语：随着社会科技技术的不断进步与发展，为开关电源技术的发展与应用奠定了坚实的基础。随着数字化时代的到来，数字化开关电源技术是开关电源技术重要发展方向。所以相关科研人员对于开关电源技术的研究与发展有着更高的要求。科研人员应该加大开关电源技术的研发利用，促进我国开关电源研究水平提升有着重要意义与作用。

参考文献：

[1] 赵利华. 开关电源的工作原理及技术趋势[J]. 电子测试， 2021（11）：2.

[2] 谢启少. 开关电源的工作原理及技术趋势[J]. 电子技术与软件工程， 2019（12）：1.

[3] 林长瑀， 许富旺， 陈玉玲. 开关电源的发展与组成原理[J]. 计算机产品与流通， 2019（3）：1.