开关电源的应用及展望*

张钟艾，张祖轩，张正辉，于德添，孙 强，王 丽

天津农学院 工程技术学院，天津 300392

0 引言

开关电源出现于20世纪50年代，之后以令人瞩目的速度高速发展并不断革新。开关电源发展初期是线性稳压电源，其机械体积大、转换效率低、能量损耗高且输入与输出之间难以隔离。随着计算机等电子设备的高度集成化，电子设备的功能不断增强，体积逐渐缩小，在这种环境下迫切需要一种效率高、性能好、重量轻、体积小的新型电源。同时，功率半导体技术和电路制造工艺水平也取得了突破性进展，不仅极大地降低了半导体器件的通断损耗，而且提高了其工作稳定性和瞬态响应速度，新型开关电源由此产生。

到了20世纪90年代，计算机技术的微型化发展促进了开关电源的产业结构变革，使其朝着与计算机微型化和无线通信高频化相匹配的方向发展，由此奠定了开关电源的发展方向。技术的不断升级使开关电源的工作性能和系统稳定性得到了进一步提高，在国防、航天、工业、运输、通信、家电、仪器仪表和医疗等领域得到了广泛应用并发挥着十分重要的作用。同时，人们对于电源的需求也随时代的发展而增加，希望开关电源能够在有限的空间内具有更高的输出功率、更好的转换效率、更丰富的输出路数以及更完备的软件控制功能。

如今，开关电源在现代生活中的使用十分广泛，特别是在一些高精度控制的电子产品中发挥着极其重要的作用。随着现代化进程的不断推进，日渐成熟的数字技术促使开关电源向着高频化、轻量化、小型化、低噪声、低输出电压、高可靠性、智能化的方向发展。

1 开关电源的应用领域

开关电源发展至今已取得了巨大的经济效益和社会效益，在国防、航天、工业、运输、通信、医疗等领域得到了广泛应用。

（1）国防。在国防领域，高频高压开关电源可满足雷达发射机的电源需求，利用其良好的电磁兼容性，使雷达工作时具有超强的抗干扰能力，可胜任恶劣环境干扰下的工作。雷达发射机如图1所示。

图1 雷达发射机

（2）航天。在航天领域，在航天地面供电设备中应用智能复合开关电源能够避免供电电源在投切瞬间造成的设备损失或数据失真，保证试验现场测试工作的安全性和可靠性[1]。

（3）工业。在工业领域，大功率高频开关电源可为大负载工业设备提供稳定电源，具有低损耗、高效率、高稳定、维护方便等优点，满足工业生产需求[2]。

（4）运输。在运输领域，可根据直线电机运输系统的需求，设计具有特定机械结构和专一功能的新型开关电源，实现运输效率的最大化。

（5）通信。在通信领域，使用开关电源对无线通信设备系统进行供电，使通信设备在恶劣条件下也能获得稳定的电压，并依靠其电磁兼容性进一步提高通信质量，保障通信设备的稳定可靠运行。

（6）医疗。在医疗领域，在外科手术过程中可以使用高频开关电源驱动的高频电刀，相较于传统手术刀，高频开关电源（见图2）驱动的高频电刀在手术临床诊疗活动中能够明显减少切口出血量，降低感染率，极大地提高手术成功率，在现代医疗领域中发挥着极其重要的作用[3]。在外科手术过程中应用的高频开关电源如图2所示。

图2 外科手术过程中应用的高频开关电源

2 开关电源的发展阶段与展望

2.1 开关电源的发展阶段

开关电源的发展经历了硬开关电源、软开关电源、同步整流开关电源和数字控制开关电源四个发展阶段。

2.1.1 硬开关电源

硬开关电源的电路结构比较简单，初期，各项技术的不成熟导致其工作过程中存在极高的开关损耗，且具有严重的电磁干扰。

2.1.2 软开关电源

改进后的软开关电源提高了直流变换器的功率密度，降低了系统的容性开通电流尖峰和感性关断电压尖峰，改善了高频性能和动态响应。

在发展初期，受电源技术发展的限制，开关电源器件在较长的一段时间内都是硬开关电源，随着软开关电源的日渐成熟，其以明显的经济技术优势受到广大消费者的青睐。在相同的经济条件下，软开关电源的电能损耗更低，能量转换率更高，可以结合使用软开关电源与硬开关电源的优势，在设计电器产品时，既要发挥软开关电源的效率高、频率高、损耗小的优势，又要充分利用硬开关电源的电流、电压定额小，易于滤波的独特性能，得到最佳的能量转换性能。

2.1.3 同步整流开关电源

同步整流开关电源用具有极低的导通压降的功率器件MOSFET替换功率变换器中的功率二极管，可以极大地降低开关电源工作时的导通损耗，避免出现转换器功率开关闭合使电感电流变为零的情况。

2.1.4 数字控制开关电源

数字控制开关电源是将数字电源通过A/D转换器采样，利用微控制器计算误差，通过数字电源控制器单片机、DSP、FPGA的闭环算法，得到一定的占空比来控制功率开关管的开断。

数字控制开关电源的参数一致性好，可最大限度地避免误差、老化、温漂等问题，具有较强的稳定性和抗干扰能力，而且在一些精密、复杂的系统中，采用高级的控制算法可以提高工作效率。然而，数字开关电源也存在不少弊端，如采样及量化精度低、相位延迟长、控制周期长等技术难关尚未攻克，因此极大地限制了其使用场所和市场普及率[4]。

2.2 开关电源的展望

随着科技革命席卷全球，半导体技术取得了巨大突破。加之制造工艺水平的不断提升，半导体功率器件的可靠性和响应速度随之提升。目前，开关电源广泛用于由电力电子元件构成的终端和通信设备中，驱动开关电源向更高水平发展，需要实现开关电源的“四高”（高频率、高效率、高可靠性、高功率密度）和“四化”（标准化、模块化、智能化、电磁兼容化）。若能将开关电源每个发展阶段的技术优势结合在一起进行优势互补，将进一步拓展开关电源的应用范围，使开关电源迈入更高的发展阶段，推动产业的革新。

3 开关电源的调制方式和展望

3.1 开关电源的调制方式

电磁兼容技术的飞速发展与电源集成度的不断提高使得开关电源调制方式的选取变得尤为重要，其模拟调制方式分为脉冲宽度调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）和混合调制（PWM-PFM）三种[5]。

3.1.1 PWM调制

PWM调制分为电压型PWM调制和电流型PWM调制。在输出电压、外部负载或其他外界环境发生变化时，电压型PWM调制将基准信号与被控制信号进行对比形成闭环控制，继而构成反馈，调节MOSFET管的占空比，输出高频稳定的电压；电流型PWM调制是将输出电流作为反馈信号，输出电压通过反向电流调制驱动脉冲宽度进行稳定，具有即时反馈迅速的优点。

3.1.2 PFM调制

PFM调制通过固定脉冲宽度、改变开关频率来调节占空比。它的主要优点是静态功耗很小，缺点是不够稳定，没有限流功能。很多便携设备一般采用PFM调制方式，因为相较于PWM方式，PFM型开关电源在频率和占空比不高时，可以使用小电流驱动控制芯片工作，以降低损耗[6]。

3.1.3 混合调制

混合调制方式结合了PWM和PFM两种调制方法，同时使用脉宽调制器和脉频调制器，可以改变脉冲的时钟频率和占空比，无论接入大功率或小功率负载，都具备很高的实用价值。但其结构复杂、生产烦琐、价格高昂，不能在所有电子设备中使用[7]。

3.2 开关电源调制方式的展望

目前，集成电路的发展已达到瓶颈，虽然开关电源模拟调制的优势很多，但缺点也不容忽视。其使用的元器件较多，需占用很大空间，不利于设备放置，而且元器件本身的参数会随使用环境条件的改变而变化，影响系统的稳定性和响应能力。

根据相关理论可知，通过数字方式控制的开关电源具有工作高效性和系统稳定性，而且排除了主观因素的影响，保证了设备工作的可靠性。然而，目前的数字控制技术目前并不成熟，只在一些简单的元件设备中有所应用，对于精密复杂的器件设备，存在关键性的理论问题尚未攻克，且实际的工艺制造水平有限，目前还无法生产出高精度、高集成化的数字控制芯片。目前，数字控制的开关电源还处在发展阶段，但其优点显而易见，具有很广阔的发展前景，值得研发工作者努力探索[8-9]。

4 结论

开关电源发展至今经历了多次革新，紧跟时代步伐，不断创新发展，从而满足人们的生活需要。如今，展现在人们面前的现代开关电源相较于早期虽然提升巨大，但是站在人类科技发展史的角度来看，开关电源的发展还有很长的路要走。随着半导体技术、自动控制技术、电磁技术、数字智能技术等的不断发展，开关电源未来将朝着高频化、数字化、模块化、绿色化的方向发展，实现现代电源技术的智能高效与绿色可靠发展，进而促进电源技术的现代化发展。