開關電源效率的優化設計

□劉慧娟 黃 權

開關電源的效率

傳統開關電源是一種連續控制的線性穩壓電源，此種穩壓方式應用較多，由于調整管總是工作于放大區，流過的電流是連續的，這些結構及電路特性上的特點顯示出其過載承受與短路承受能力差，效率低（35～60%），而且調整管還需較大的散熱器。

開關調整式穩壓器即開關電源是一種調整管工作于開關狀態下，功率損耗小，效率高（70～95%以上），體積小，重量輕，調整管損耗小，則散熱器也隨之減小。由于開關頻率較高，一般在20KHz 以上的超音頻范圍，故所須的濾波電容、電感可用小數值的元件，能忍耐較高的環境溫度。同時也存在控制電路復雜、輸出電壓紋波電壓高、瞬態響應較差的缺陷，因而在使用中有局限性。

開關電源對元件要求及其附帶影響。開關電源中必須采用高頻變壓器、電感等磁性元件以及平滑用的電容，比如低高頻內阻的電解，高頻陶瓷電容如積層電容，高頻薄膜電容如金屬膜電容、P-P 電容等。

調整用的開關管從雙極型的NPN、PNP 管（開關頻率可達100KHz），到MOSFET（頻率可達500KHz），以及IGBT、GTO、新型電力電子器件的出現，使得開關電源頻率不斷提高，功率不斷提高，耐壓耐流方面也不斷提高。

一般而言，開關電源的頻率越高，同等體積下其功率就越大，大致成正比；頻率的提高，開關調整管的速度也要求越高，而頻率高開關管的損耗亦隨之加劇。開關管高速開關工作時，電路中的分布電感、分布電容會由于二極管蓄積電荷影響，產生浪涌電壓與噪聲，不但影響周邊電子設備的工作，而且開關電源自身的可靠性亦顯著降低。

開關管工作的噪聲要采用RC、LC 等L-C-R 電路網絡來吸收，對于二極管蓄積電荷產生的浪涌電壓則要用非晶態磁芯或矩形磁芯的磁吸收電路。對于MHz 以上更高頻率的開關電源，目前多采用諧振電路，即稱為諧振開關方式。這種方式原理上可實現開關管損耗為零，噪聲最小，可消除浪涌電壓或電流浪涌。

由于開關電源工作頻率高，所以其變壓器上各輸出繞組上取出直流電壓時，要用快速二極管、超快速二極管以及消特基二極管等。磁性元件的有效利用，對于提高開關電源技術是極重要的。

開關電源控制電路集成化，由于開關電源的控制電路較為復雜，而且對控制開關管的信號要求要可靠、安全、響應好，為此，把各控制電路制作于同芯片上的控制單元IC，如3845、3524 等；還有的將控制單元與功率開關管，以及反饋控制電路亦集成于同一芯片上，有的還甚至與單片機可直接接口控制。

開關電源的設計

在開關電源中，逆變器（DC/AC 變換器）是開關電源的一個特殊應用，下面所講的開關電源主要是講直流變直流變換器，即DC/DC 變換器，因為DC/DC 變換器在高頻在線機中用得最廣泛。

在脈寬調制型（PWM）DC/DC 變換器中，除了DC/DC 變換器進行功率變換外，還須有啟動電路、過流、過壓保護電路、噪聲濾波、浪涌電流、電壓抑制電路等。

脈寬調制器即PWM 信號發生器，PWM 信號發生器的頻率不變，但其占空比隨負反饋量的大小而改變，從而保證輸出電壓的穩定。常用的PWM 控制IC 其輸出PWM 信號的占空比最大值有兩種，即接近于0.5 和接近于1。

開關電源從控制時間的角度講，是滯后型控制，即前一個脈沖的輸出要在下一個或幾個脈沖過后，才能起控制作用。開關電源的瞬態響應差，與串聯型穩壓電源相比較如下表：

開關電源優化原理

開關穩壓電源的分類：開關電源的電路結構有很多種，分類方法也不同。按驅動開關管的方式來分有自激式、他激式兩種；按DC/DC 變換器的工作方式分有隔離型（通/通方式、通/過方式、中心抽頭方式、推挽式、半橋方式、全橋方式、諧振方式）和非隔離型（降壓式、升壓式、極性反轉式、開關電容式、諧振式）；按控制方式分為脈寬控制方式（他激式和自激式）、磁放大器的混合控制方式（電壓控制式、電流控制式、并聯控制式）和脈寬控制與磁放大器的混合式；按控制信號的隔離方式分為光電耦合隔離、變壓器耦合隔離、電壓/頻率變換、頻率/電壓變換、磁放大器隔離；按過流保護方式分為輸出電流檢測方式和開關電流檢測方式。

開關電源正弦波產生——三角波單脈沖S PWM 調制法。這種S PWM 產生的方法主要是用來產生一個含有正弦波信息的脈寬調制波，如果這種S PWM 波Uo 被濾波后，便得到一個正弦波U，主要用于逆變器來產生交流正弦波。它產生S PWM的原理與單脈沖三角波法類似，核心也是一個比較器IC2。此比較器的一個輸入端接一個上、下、左、右均對稱的等腰三角形波，另外一個輸入端輸入一個正弦波U2。

在實際應用中，像單脈沖三角波調制法一樣，由于該等腰三角形頻率、峰值保持不變，其輸出的正弦波U 一般作為反饋信號，故須在調制器IC2 正弦波輸入端接一個誤差放大器IC1。

正弦波——三角波調制法請參見T1K逆變信號產生、輸出、反饋電路等。

正弦波——三角波調制式開關電源的輸出方式一般是用半橋式或全橋式變壓器隔離式來輸出其交流電壓，而且都需要特殊配置的濾波器。