高頻開關電源的設計探討

摘 要：隨著社會經濟的快速發展，工業、農業、化工、機械、煉鋼、航天、通信、國防等各個領域以及人們的日常生活對電能的需求量也越來越大，因此，對電能各方面的研究應不斷細化與深入。高頻開關電源作為用電設施中重要的一部分也逐漸受到人們的重視，與線性穩壓電源相比，具有占地面積小、穩定性較高、效率較高、開關耐受能力強等優點。文章主要闡述了高頻電源開關的發展歷程及特點，介紹了高頻電源開關的基本原理及設計觀念，并對其未來的發展作出展望。

關鍵詞：高頻開關電源；設計；發展

中圖分類號：TN710 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）21-0017-01

高頻開關電源是現代電力發展中不可或缺的一部分。隨著人們對用電要求的不斷提高，開關電源也有了突破性的進展。從最初的線性電源飛躍到當前被廣泛應用的高頻開關電源，從最初的20 kHz飛躍到目前的1 MHz，而且還向著更高的頻率的方向發展。工業化的快速發展促使電力需求量的提升，對高頻電源的質量及功能提出了更高的要求。

1 高頻開關電源的發展歷程

20世紀50年代左右，人們開始對開關電源進行研究和使用。由于受到技術水平的限制，最初的開關電源具有噪音較大、能夠承受的開關次數較少等缺點。隨著人民生活水平的逐漸提高，各個領域的用電量以及用電頻率逐漸增加，傳統的開關電源已經不能滿足人們的需要，于是，高頻電源開關應運而生。

GiantTransistor，即電力晶體管，是最初被使用的高頻電源開關。這種新型的開關電源噪聲較小，頻率達到了20 kHz，但是其適用范圍較窄，不適用于功率比較大的電源。隨著工業化的快速發展，各個工業產業，尤其是鋼廠、機械廠等大型制造類產業用電的功率逐漸增大，這些產業對高頻開關電源提出了更高的要求，人們又研制出絕緣柵雙極型晶體管，這種晶體管具有高輸入阻抗和低導通壓降兩大優點，滿足了這些高電壓產業的需求。進入到20世紀90年代，人們又逐漸研發出了軟開關技術，這種技術幾乎實現了開關零損耗，工作頻率以及效率也大大提高。21世紀，隨著電子科技的發展，開關電源走進了數字化時代，人們利用數控芯片對電源回路進行控制，實現了高頻開關電源的智能化。

2 高頻電源開關的基本原理

高頻開關電源能夠在瞬間將高頻的交流電壓轉換為穩定的直流電壓，其過程并不簡單。基本原理可以通過以下幾步來解釋：

①交流輸入電壓進入電網濾波器，電網濾波器替整個系統排除外界的各種干擾。

②排除干擾后的電流進入到整流濾波器，整流濾波器將交流電壓轉換為直流電壓。

③被轉換后的直流電壓進入到高頻開關變換器，再被轉換為高頻交流電壓。

④高頻交流電源經過變壓器的轉換，輸出交流電壓，這種交流電壓滿足隔離輸出需要。

⑤輸出整流濾波，使高頻交流電壓轉換為直流電壓。在整個轉換的過程中，控制電路與保護電路共同工作，相互配合，保證整個轉換過程的安全、穩定。

3 高頻開關電源的設計

3.1 輸入技術參數的設計

在對高頻開關電源進行設計時，技術參數是需要考量的重要內容。對于輸入技術參數來說，首先要考慮額定電壓。不同地區有不同的標準，所以在對高頻開關電源進行設計時，要選擇符合當地標準的額定電壓。如果要求設計的高頻開關電源能夠有比較廣的應用范圍，則需要在設計時加入切換功能。其次要考慮的是交流電頻率，設計時必須滿足國家標準，一般在50 Hz左右。最后要考慮開關電源的效率。開關電源的效率是指輸出功率與輸入功率的比值（去除無效功率）。開關電源的效率主要受電路損耗的影響，而電路損耗具有很多不確定因素，這些損耗也是無法避免的，只能盡量減小，為高頻開關電源設計一個較好的散熱環境，減輕電路的損耗。

3.2 輸出技術參數的設計

對輸出技術參數進行設計時，首先要考慮額定輸出電壓。要對額定輸出電壓的范圍、紋波系數等進行明確的規定。其次要考慮紋波噪聲：盡量降低紋波系數，一般情況下要小于1%，噪聲要小于輸出電壓的0.5%。最后要考慮穩壓精度，穩壓精度可以理解為調整電壓大小的能力。通常情況下，輸出電壓受很多因素的影響，溫度、負載、輸入電壓、紋波噪聲等這些因素變化在發生變化時，都會導致輸出電壓的變化，因此，要提高穩壓精度，就必須盡量減少這些因素的變化。

3.3 變換器的設計

變換器有很多設計方式，每種方式都有各自的優勢。最初的設計中，人們都采用各種線性變換器，隨著高頻開關電源的不斷發展，變換器的設計也不斷豐富，在原來線性變換器的基礎上，延伸出了多種直流開關電源變換器，這種變換器的優點是具有隔離功能。目前，應用比較廣泛的是全橋變換電路。全橋變換電路雖然比較復雜，整個電路中的開關也比較多，但是它具有很高的轉換效率，整個電路對輸入電壓消耗少，利用效率比較高。因此，對于轉換效率要求比較高的電源，通常都采用全橋變換電路。

3.4 變壓器的設計

變壓器是對電壓和電流進行轉換的器件，它的性能直接影響了整個高頻開關電源的工作效率，是設計中的重點。在對變壓器進行設計時，要考慮很多因素：

①在對變壓器的線路進行繞制時，一定要選擇先進的繞制工藝，它能夠對變壓器的損耗產生比較大的影響。

②在對變壓器中的芯片進行選擇時，一定要注意該芯片是否適合該變壓器，盡量防止出現磁飽和現象。

③在對變壓器進行設計時，要降低變壓器對電路中其它元件的干擾，同時，也要保證它能夠防止外界環境對其自身的干擾。

④在保證其性良好性能的基礎上，降低成本。

4 對高頻開關電源未來發展的暢想

4.1 向低碳、環保方向發展

低碳、環保是21世紀的主題，任何行業的發展都要向著這一主題進行，高頻開關電源的發展也不例外。未來對高頻開關電源的設計要融入新的理念，在注重經濟效益的同時，更要注重生態效益。新一代的高頻開關電源，除了向小型化方向發展、節省材料之外，還要使其在運行的過程中產生更少的熱量，減少耗電量、提高工作效率，同時降低其對周圍環境的影響。總之，未來的高頻開關電源將具備更多的優點，兼備經濟價值和環保價值。

4.2 全面開展數字開關電源的研究

電子科技的飛速發展使人類進入了電子時代，數字開關電源逐漸發展。人們使用芯片對整個電路系統進行控制，完全實現智能化。這種技術雖然沒有完全成熟，但是其特有的優點已經讓我們看到了它的發展潛力：電路設計簡單化，調試相對容易；整個系統由網絡控制，可以遠程觀察，操作簡單；智能化的開關電源能夠避免電磁干擾等。

5 結 語

現代高頻開關電源的設計具有很多明顯的特點：逐漸趨于小型化，為我們節省了更多的材料和空間；高頻電源開關的快速發展逐漸淘汰了線性電源；在高頻開關電源的設計中，逐漸強化對電磁干擾的屏蔽，全面提高其工作效率。高頻開關電源未來仍然具有很大的發展空間，結合電子科技，利用計算機技術實現對整個電源的控制。電子科技的快速發展將為這一方向提供技術支持，使未來的高頻電源真正實現數字化、智能化。

參考文獻：

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