開關電源的工作原理及技術趨勢

石海英

摘要：在我們日常生活以及工作中，對于電能的應用十分的普遍。隨著我國科技水平的不斷提高與發展，對開關電源技術趨勢起到了非常大的推動作用，開關電源技術也在社會各行各業中得到了廣泛應用。本文主要闡述了開關電源的由來、開關電源的工作原理、設計以及開關電源技術發展趨勢。

關鍵詞：開關電源;工作原理;設計;技術趨勢

引言：隨著信息化科技和數字化技術的飛速發展，為開關電源技術的發展奠定堅實的基礎。而開關電源技術的發展，使開關電源在各行各業獲得了廣泛應用。隨著數字化技術的有效開展，數字化已經成為開關電源技術發展的主要技術趨。加大開關電源技術的研究與發展，對于提升開關電源技術應用有著十分重要的作用。

1.開關電源的由來

開關電源技術最早開始20世紀50年代由美國宇航局研制出來的，它是開關電源技術發展的開端。隨著生產力和科學技術水平不斷發展，開關電源技術逐漸向工業領域應用。20世紀70年代，是開關電源技術快速發展時期，電力電子理論建立與完善給開關電源技術提供了良好的理論實踐基礎。在開關電源應用初期，開關電源產品存在開關頻率低、功率密度低、可靠性差等缺點。我國于1992年開始率先在通信領域推廣并使用開關電源技術。經過多年的實踐總結，開關電源技術在軍工科技、工農業生產以及人們的日常工作生活中起到了十分重大的意義與作用[1]。

2.開關電源的工作原理

2.1脈沖寬度調制式

脈沖寬度調制式是開關電源控制方式最普遍的控制方式。其主要特點就是固定開關頻率，通過改變脈沖寬度進行空間占比調節，實現穩定電壓的目的。當電源輸出的負載量過大時，增加相應的占比空間，脈沖變寬，使得輸入終端向輸出終端提供更多的能量，達到穩定的效果。當負載量變小時，相應的減小占比空間，脈沖變窄，使得傳輸能量減少，穩定電源。開關周期的固定為設計濾波電路提供了方便。它的缺點是受功率開關最小導通時間的限制，對輸出電壓不能做寬度調節。

2.2脈沖頻率調制式

脈沖頻率調制式特點是將脈沖寬度固定，通過改變開關頻率開調節空間占比，實現電壓穩定的目的。在電路設計上要用固定脈寬發生器代替脈寬調制器中鋸齒波發生器，并利用電壓頻率轉換器改變電壓頻率。穩壓原理是當輸出的電壓升高時，脈沖寬度不變，周期變長，空間占比減小。當電壓降低時，脈沖頻率式開關電源電壓輸出范圍變寬，此時輸出端不可以接假負載[2]。

如圖所示 兩種控制方式的調制波形

脈沖寬度調制式（a）和脈沖頻率調制式（b），tp表示脈沖寬度，T代表周期。從圖中可以看出二者之間既有區別又有共同之處。

共同處：第一，二者均采用時間比率控制的穩定電壓原理，無論是脈沖寬度還是周期，最終都是由冒充空間占比來調節的，雖然采用不同方式，但是最終控制目標是一致的。第二，當負載有輕變重，或者輸入電壓由高變低是，分別通過增加脈沖寬度，升高脈沖頻率的方法，穩定電壓。

2.3混合調制式

混合調制式就是靈活的運動調整脈沖寬度和開關頻率，屬于脈沖寬度調制式和脈沖頻率調制式的混合方式。混合方式兼顧了脈沖寬度調制式和脈沖頻率調制式兩種模式，所以可以靈活運用。脈沖寬度調制式和脈沖頻率調制式都可以單獨進行調節，所以占比空間越高，輸出范圍也就越寬。

以上三種方式是開關電源控制原理的基本原理。隨著科技技術的進步與飛速發展，開關電源技術的發展日趨成熟，開關電源芯片研究發展也越來越成熟，越來越多的開關電源芯片技術應用到開關電源控制中，實現開關電源的調節。開關電源技術越來越成熟，開關電源性能越來越好，開關電源的功能也就越來越強大。

3.開關電源可靠性設計

3.1電磁兼容性

開關電源主要是抑制干擾源，干擾源在開關電路與輸出整流電路中。采用的技術包括濾波技術、布局與布線技術、屏蔽技術、接地技術等。

3.2元器件可靠性

元器件直接決定電源的可靠性，所以元器件的原則及其重要。元器件失效的原因主要有元器件生產質量問題、器件設計問題以及器件損耗問題。

3.3電源設備可靠性

溫度也是影響設備可靠性最重要的因素。電源設備內部的溫度過高，將會導致元器件的失效。當溫度超過一定值時，要強迫風冷散熱量比自然冷卻大十倍以上，才能確保溫度降下來。

3.4安全性

安全性也是決定電源性能得重要因素，不安全的產品不但不會完成規定的功能，還會造成嚴重的事故產生。

4.開關電源技術發展趨勢

4.1高頻化技術的發展

隨著科技的發展，各行各業對于開關電源技術發展也有著更高的要求。開關電源的高頻技術對比之前在逐漸提高。隨著高頻技術的日益提高，開關電源的體積和重量也在逐漸降低，有效的適應市場發展的需求。高頻技術的不斷更新與發展為開關電源技術的發展提供了新的機遇。同時在開關電源在應用高頻技術的同時，還是會加速開關電源元器件的損耗程度，降低元器件使用壽命，這些都是現實存在的問題[3]。

4.2數字化技術的發展

隨著數值化技術的飛速發展，開關電源在應用上也是離不開數字化技術支撐。對于傳統的開關電源而言，模擬信號對控制部分的工作起到了引導作用。但是隨著數字化技術應用，數字化控制已經被絕大部分設備所采用，通過數字化控制可以有效提高開關電源技術工作效率，更加準確的完成數字采集，使得計算機更加靈活的運用各種算法，提升電源開關技術的發展水平。

4.3低輸出電壓技術的發展

隨著社會經濟和科技水平的不斷提高，半導體制造技術不斷更新與發展，半導體在開關電源技術發展中有著十分重要的作用。在微處理器和便攜電子設備的使用上有著至關重要的作用。這就要求半導體裝置變換器能夠提供低輸出電壓以適應微處理器和便攜式電子設備的供電需求，保障微處理器和便攜式電子設備的工作質量和工作效率。

4.4模塊化技術的發展

開關電源通過模塊技術的發展，可以有效縮小開關電源的體積與重量，推進開關電源在各個領域應用要求。在開關電源應用中，功率需求增加，就可以通過模塊化技術得以實現，大大節省開發研究成本，減少研究開發周期，方便用戶售后維修和更換，更加適應科技技術發展的腳步。

4.5高可靠性和低噪聲技術的發展

開關電源是為奇特設備和產品提供電能并保證可以正常工作的設備，所以開關電源必須有良好的安全性和可靠性。由于很多開關電源都是需要長期進行工作的，開關電源的元器件更容易損壞，這樣就會降低開關電源的可靠性。各種開關電源的元器件壽命決定著開關電源的使用壽命。因此為了延長開關電源的使用壽命，就要降低元器件的使用率。

開關電源的噪聲也是污染源。開關電源技術的缺點中就有噪音這一項，開關電源在工作時一定會有噪聲的產生，使用的頻率越高，噪聲也就會越來越大。所以，要降低噪聲的污染，就要采用諧振轉換回路技術，諧振轉換回路技術既可以提高開關電源頻率又可以降低開關噪聲，噪聲降低技術是降低噪聲污染問題未來發展的方向。

結束語：隨著社會科技技術的不斷進步與發展，為開關電源技術的發展與應用奠定了堅實的基礎。隨著數字化時代的到來，數字化開關電源技術是開關電源技術重要發展方向。所以相關科研人員對于開關電源技術的研究與發展有著更高的要求。科研人員應該加大開關電源技術的研發利用，促進我國開關電源研究水平提升有著重要意義與作用。

參考文獻：

[1] 趙利華. 開關電源的工作原理及技術趨勢[J]. 電子測試， 2021（11）：2.

[2] 謝啟少. 開關電源的工作原理及技術趨勢[J]. 電子技術與軟件工程， 2019（12）：1.

[3] 林長瑀， 許富旺， 陳玉玲. 開關電源的發展與組成原理[J]. 計算機產品與流通， 2019（3）：1.