開關(guān)電源的工作原理及技術(shù)趨勢探索

高士喜

摘? 要：電能是普遍存在的一種能量形式，在我們工作和生活中的方方面面都涉及電能的應(yīng)用。工業(yè)中的用電設(shè)備需要電能才能正常運轉(zhuǎn)，例如電動機(jī)、電焊機(jī)。民用產(chǎn)品中的電視機(jī)、電風(fēng)扇、手機(jī)以及空調(diào)同樣需要電能。而電能的應(yīng)用則需要電源的轉(zhuǎn)換來滿足不同的用電設(shè)備的要求。電源根據(jù)工作原理的不同可以分成兩類：即線性電源和開關(guān)電源。最早出現(xiàn)的是線性電源，它具有原理簡單的特點，但是它的效率比較低，體積比較大，所以開關(guān)電源應(yīng)運而生。開關(guān)電源的工作方式可以使電源的功率密度增加，從而達(dá)到小型化的目的。開關(guān)電源現(xiàn)在已經(jīng)成為在以電力電子為基礎(chǔ)的電源產(chǎn)品中的核心地位。該文重點分析了開關(guān)電源的工作原理以及在未來技術(shù)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源;工作原理;占空比

中圖分類號：TN86? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

隨著科技的進(jìn)步，生產(chǎn)力的發(fā)展，人們對開關(guān)電源的需求量大大的增加，促使我們對開關(guān)電源技術(shù)越來越重視，研究也越來越深入，使開關(guān)電源技術(shù)得到了長足的發(fā)展。現(xiàn)在的開關(guān)電源的產(chǎn)能越來越大，性能越來越好，體積越來越小，價格也越來越便宜。

1 開關(guān)電源的由來

在20世紀(jì)50年代由于客觀因素的制約，火箭需要體積小而且重量輕的電源。所以美國宇航局研制了開關(guān)電源。這只是開關(guān)電源發(fā)展歷程的開端。后來隨著生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源逐漸由航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用向工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用轉(zhuǎn)化，并且又在工業(yè)領(lǐng)域大量應(yīng)用以后，開關(guān)電源又向民用產(chǎn)品的應(yīng)用發(fā)展。

開關(guān)電源技術(shù)快速的發(fā)展期始于20世紀(jì)70年代，電力電子理論的建立與完善為開關(guān)電源的發(fā)展提供了一個良好的理論基礎(chǔ)。但是在應(yīng)用初期，產(chǎn)品存在開關(guān)頻率較低、功率密度較低、可靠性較差的缺點。因此，在此之后開關(guān)電源的發(fā)展主要是針對前面所說的缺點進(jìn)行改變改善與發(fā)展。經(jīng)過不斷的探索，以及新的元器件和新的理論知識的補充完善，讓開關(guān)電源技術(shù)變的更加成熟、更適用于各種領(lǐng)域。

我國從1994年開始率先在通信領(lǐng)域推廣并使用開關(guān)電源。經(jīng)過二十幾年的實踐證明，開關(guān)電源在軍工科技、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們的日常生產(chǎn)生活中起到了重要的作用。

2 開關(guān)電源的工作原理及組成

2.1 開關(guān)電源的工作原理

根據(jù)開關(guān)電源核心控制原理存在的不同，可以把開關(guān)電源分為3種：脈寬調(diào)制、脈頻調(diào)制、混合調(diào)制。

2.1.1 脈沖寬度調(diào)制式

脈沖寬度調(diào)制式簡稱為脈寬調(diào)制式，這種控制方式是開關(guān)電源最普遍的控制方式。

這種控制方法是開關(guān)頻率固定，當(dāng)輸出的負(fù)載增加時，增加占空比，使脈沖變寬，使輸入端向輸出端提供更多的能量，從而達(dá)到電源穩(wěn)定的效果。當(dāng)負(fù)載變小時，減小占空比，使脈沖變窄，減少向輸出端傳遞的能量，使電源穩(wěn)定。但是這種脈沖寬度調(diào)制式控制電路也有一定的問題和缺陷，不能寬范圍的調(diào)整輸出的電壓[2]。

2.1.2 脈沖頻率調(diào)制方式

脈沖頻率調(diào)制方式簡稱為脈頻調(diào)制式。這種調(diào)制方式在運行的時候，脈沖寬度是固定的，開關(guān)頻率的增加或者減少控制了占空比，能夠保持開關(guān)電源的輸出穩(wěn)定。在設(shè)計電路的過程中，它不使用脈寬調(diào)制器中的鋸齒波發(fā)生器，使用的是固定脈寬發(fā)生器，同時，使用頻率轉(zhuǎn)換器來調(diào)節(jié)頻率的變化。從圖1可以看出脈寬調(diào)制和脈頻調(diào)制2種調(diào)制方法的調(diào)制波形的區(qū)別[5]。

2.1.3 混合調(diào)制方式

混合調(diào)制方式可以靈活地運用調(diào)整脈沖寬度和開關(guān)頻率，這種方式屬于脈寬調(diào)制和脈頻調(diào)制的混合方式。混合調(diào)制方式兼并了脈寬調(diào)制器和脈頻調(diào)制器2種調(diào)制方式，由于脈沖寬度和脈沖頻率都可以單獨調(diào)節(jié)，因此占空比調(diào)節(jié)范圍高，輸出范圍寬。但是由于對脈沖寬度和脈沖頻率都做調(diào)制，所以其控制相對于前2種調(diào)制方式更加復(fù)雜。

以上3種開關(guān)電源的控制原理是現(xiàn)在基本的控制原理，隨著開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展和芯片技術(shù)的成熟，有越來越多的芯片應(yīng)用到開關(guān)電源的控制中，并且運用MCU、FPGA和DSP芯片不但可以實現(xiàn)開關(guān)電源的調(diào)制。還可以完成算法、邏輯控制、保護(hù)等諸多功能。使開關(guān)電源性能越來越好，功能越來越強(qiáng)大。

2 開關(guān)電源的組成

開關(guān)電源的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 主電路

交流電進(jìn)入電源首先經(jīng)過整流和濾波轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏褐绷麟姡俳?jīng)過開關(guān)電路和高頻開關(guān)變壓器轉(zhuǎn)為高頻率低壓脈沖，然后再經(jīng)過整流和濾波電路，最后輸出低電壓的直流電源。

2.2 控制和反饋回路

給開關(guān)器件輸入給定開關(guān)信號，使開關(guān)器件的打開和關(guān)閉，從而達(dá)到能量傳輸?shù)哪康摹２⑶腋鶕?jù)采樣和反饋回路采集輸出，形成負(fù)反饋的閉環(huán)回路，達(dá)到使開關(guān)電源穩(wěn)定輸出的目的。

2.3 保護(hù)電路

當(dāng)開關(guān)電源工作異常時，可以限制電流或者關(guān)斷電源等，以達(dá)到保護(hù)電源負(fù)載的目的。

保護(hù)類型主要包括欠壓電壓保護(hù)、過電壓保護(hù)以及過電流保護(hù)和過熱保護(hù)等[3]。

3 開關(guān)電源關(guān)鍵技術(shù)

隨著科技的進(jìn)步，開關(guān)電源技術(shù)正在向著技術(shù)高頻化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、產(chǎn)品性能數(shù)字化的方向發(fā)展。隨著開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展，越來越能提高經(jīng)濟(jì)效益，這就體現(xiàn)了技術(shù)含量的價值。

3.1 先進(jìn)的控制算法和硬件的更新?lián)Q代

雖然傳統(tǒng)的PI控制反饋算法還是主流，隨著科技的進(jìn)步，各種智能控制算法在開關(guān)電源中也得到了應(yīng)用。比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、預(yù)測控制等控制技術(shù)會使反饋的響應(yīng)時間更快。而且開關(guān)電源所使用的元器件尤其是功率器件近些年也產(chǎn)生了跨越式的發(fā)展。現(xiàn)在的元器件都朝著體積小，功率大，功耗低，熱穩(wěn)定系數(shù)好的方向發(fā)展。價格也隨著芯片技術(shù)和制造工藝的改善也越來越便宜，使應(yīng)用這些芯片的性價比更高，元器件和芯片技術(shù)的發(fā)展也會促使高性能的開關(guān)電源更容易得到普遍應(yīng)用與推廣。

3.2 高頻開關(guān)技術(shù)

開關(guān)電源中的主要儲能元器件的儲能是與頻率參數(shù)為正比的，升高開關(guān)電源的開關(guān)頻率，可以降低開關(guān)電源體積和重量。高頻開關(guān)技術(shù)應(yīng)用于開關(guān)電源中，存在一個很大的問題，主要是相關(guān)元器件的損耗方面。頻率一旦升高，就會造成相關(guān)的元器件的損耗，同時也會出現(xiàn)相應(yīng)的電磁干擾，如果不能有效的抑制這2個問題，就會給開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生巨大的困難[1]。

3.3 軟開關(guān)技術(shù)

因為開關(guān)電源的損耗主要是在開關(guān)元器件的開通和關(guān)斷時，軟開關(guān)技術(shù)就解決了開關(guān)損耗的問題，軟開關(guān)技術(shù)分為零電壓電路和零電流電路技術(shù)2種。

開關(guān)電源中的軟開關(guān)技術(shù)可以有效地解決高頻開關(guān)技術(shù)中存在的問題，降低了元器件的損耗，提高了元器件的使用壽命。軟開關(guān)技術(shù)能夠大幅度提高經(jīng)濟(jì)效益，因此，在開關(guān)電源的發(fā)展和應(yīng)用過程中，軟開關(guān)技術(shù)受到廣泛關(guān)注，成為了相關(guān)技術(shù)工作人員的重點研發(fā)對象。

4 開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展趨勢

開關(guān)電源技術(shù)是未來穩(wěn)壓電源及電子信息技術(shù)發(fā)展的主流趨勢，現(xiàn)在已經(jīng)比較普及地應(yīng)用在各個領(lǐng)域中，下面就對開關(guān)電源未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行分析。

4.1 高頻化技術(shù)的發(fā)展

在前面的一節(jié)已經(jīng)介紹了高頻化是開關(guān)電源的關(guān)鍵技術(shù)。通過提高開關(guān)電源的開關(guān)頻率，開關(guān)電源的體積重量也降低了，有效地適應(yīng)了市場的需求的發(fā)展。但是任何事情都是具有兩面性的：由于頻率的提高，一些電路分布的參數(shù)會更加明顯的顯現(xiàn)出來。不但會造成開關(guān)電源內(nèi)部的一些元器件的損壞，還會帶來許多的干擾。因此，在應(yīng)用高頻率開關(guān)技術(shù)時，提高頻率要在帶來的正面和負(fù)面影響之間的權(quán)衡。

4.2 數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展

開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展也離不開數(shù)字化技術(shù)，近年來DSP、MCU和FPGA的已經(jīng)大量應(yīng)用在各個科學(xué)領(lǐng)域。通過數(shù)字化控制可以大幅度提高開關(guān)電源技術(shù)的工作效率，更好地完成數(shù)字采集、計算還有算法的實施，更加靈活地應(yīng)用各種算法，并且還可以輕而易舉地完成控制和保護(hù)功能，提高了開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展水平。

4.3 模塊化技術(shù)的發(fā)展

開關(guān)電源的模塊化是為適應(yīng)領(lǐng)域應(yīng)用的要求，通過模塊化技術(shù)的應(yīng)用可以大幅度地縮小開關(guān)電源的體積。如果功率需求增大，可以通過并聯(lián)電源模塊并且應(yīng)用均流技術(shù)實現(xiàn)。即節(jié)省了開發(fā)成本，縮短了開發(fā)周期，方便于維修和更換，更適應(yīng)技術(shù)進(jìn)步的要求。

4.4 高可靠性

由于開關(guān)電源是為其他設(shè)備和產(chǎn)品提供電能，保證其正常工作的，因此需要安全和可靠。由于開關(guān)電源有可能需要長期工作，元器件更容易損壞，因此降低了可靠性。從壽命角度進(jìn)行分析，各種器件使用壽命的長短決定了開關(guān)電源的壽命。因此，為了延長開關(guān)電源的使用壽命，就要減少元器件的使用，提高集中度，設(shè)計時給每個元器件都留夠足夠的裕量，計算好元器件的壽命，并重視開關(guān)電源的排風(fēng)和散熱設(shè)計。

4.5 低噪聲

噪聲也是重要的污染源之一。開關(guān)電源技術(shù)的缺點之一是電源工作時或大或小的存在著噪聲，追求高頻化，噪聲也會隨之加大。因此，要降低噪聲的污染，采用部分諧振轉(zhuǎn)換回路技術(shù)，既可以提高開關(guān)電源頻率又可以降低噪聲。所以，在未來，降低噪聲污染也是開關(guān)電源發(fā)展的一個重要方向。

4.6 低輸出電壓技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高和進(jìn)步，半導(dǎo)體制造技術(shù)的不斷發(fā)展，微處理器和便攜式電子設(shè)備的額定工作電壓越來越低，這就要求未來的DC/DC變換器能夠提供低輸出電壓以適應(yīng)微處理器和便攜式電子設(shè)備的供電要求[3]。

5 結(jié)語

開關(guān)電源是電力電子技術(shù)的一個重要方向，它的輸出是各種電子設(shè)備的輸入，所以開關(guān)電源要有高可靠性、低噪聲、高效率等要求。我們經(jīng)過多年的積累與探索在開關(guān)電源功能和性能研究有了長足的進(jìn)步。隨著科學(xué)的發(fā)展和開關(guān)電源的普遍應(yīng)用，在實踐中開關(guān)電源會做的越來越好，體積小、重量輕、高效能、高可靠性[4]的開關(guān)電源也會得到更廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]路建華.開關(guān)電源的工作原理及技術(shù)趨勢[J].中國新通信，2019，21（22）：218.

[2]楊建偉.談開關(guān)電源的原理和發(fā)展趨勢[J].科技與企業(yè)，2012（22）：359.

[3]侯清江，張黎強(qiáng)，許棟剛.開關(guān)電源的基本原理及發(fā)展趨勢探析[J].制造業(yè)自動化，2010，32（9）：160-162，169.

[4]王月愛，王勃.電源技術(shù)的應(yīng)用研究與發(fā)展趨勢[J].中國集成電路，2012（4）：69-72.

[5]孟建輝.開關(guān)電源的基本原理及發(fā)展趨勢[J].通信電源技術(shù)（6）：62-63，67.

作者地址：天津市河北區(qū)開江道開江南里32門505號。