高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)探討

摘 要：隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、化工、機(jī)械、煉鋼、航天、通信、國防等各個領(lǐng)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(yīng)不斷細(xì)化與深入。高頻開關(guān)電源作為用電設(shè)施中重要的一部分也逐漸受到人們的重視，與線性穩(wěn)壓電源相比，具有占地面積小、穩(wěn)定性較高、效率較高、開關(guān)耐受能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。文章主要闡述了高頻電源開關(guān)的發(fā)展歷程及特點(diǎn)，介紹了高頻電源開關(guān)的基本原理及設(shè)計(jì)觀念，并對其未來的發(fā)展作出展望。

關(guān)鍵詞：高頻開關(guān)電源；設(shè)計(jì)；發(fā)展

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

高頻開關(guān)電源是現(xiàn)代電力發(fā)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(guān)電源也有了突破性的進(jìn)展。從最初的線性電源飛躍到當(dāng)前被廣泛應(yīng)用的高頻開關(guān)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(fā)展。工業(yè)化的快速發(fā)展促使電力需求量的提升，對高頻電源的質(zhì)量及功能提出了更高的要求。

1 高頻開關(guān)電源的發(fā)展歷程

20世紀(jì)50年代左右，人們開始對開關(guān)電源進(jìn)行研究和使用。由于受到技術(shù)水平的限制，最初的開關(guān)電源具有噪音較大、能夠承受的開關(guān)次數(shù)較少等缺點(diǎn)。隨著人民生活水平的逐漸提高，各個領(lǐng)域的用電量以及用電頻率逐漸增加，傳統(tǒng)的開關(guān)電源已經(jīng)不能滿足人們的需要，于是，高頻電源開關(guān)應(yīng)運(yùn)而生。

GiantTransistor，即電力晶體管，是最初被使用的高頻電源開關(guān)。這種新型的開關(guān)電源噪聲較小，頻率達(dá)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(yè)化的快速發(fā)展，各個工業(yè)產(chǎn)業(yè)，尤其是鋼廠、機(jī)械廠等大型制造類產(chǎn)業(yè)用電的功率逐漸增大，這些產(chǎn)業(yè)對高頻開關(guān)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(dǎo)通壓降兩大優(yōu)點(diǎn)，滿足了這些高電壓產(chǎn)業(yè)的需求。進(jìn)入到20世紀(jì)90年代，人們又逐漸研發(fā)出了軟開關(guān)技術(shù)，這種技術(shù)幾乎實(shí)現(xiàn)了開關(guān)零損耗，工作頻率以及效率也大大提高。21世紀(jì)，隨著電子科技的發(fā)展，開關(guān)電源走進(jìn)了數(shù)字化時代，人們利用數(shù)控芯片對電源回路進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了高頻開關(guān)電源的智能化。

2 高頻電源開關(guān)的基本原理

高頻開關(guān)電源能夠在瞬間將高頻的交流電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)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(jìn)入電網(wǎng)濾波器，電網(wǎng)濾波器替整個系統(tǒng)排除外界的各種干擾。

②排除干擾后的電流進(jìn)入到整流濾波器，整流濾波器將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓。

③被轉(zhuǎn)換后的直流電壓進(jìn)入到高頻開關(guān)變換器，再被轉(zhuǎn)換為高頻交流電壓。

④高頻交流電源經(jīng)過變壓器的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為直流電壓。在整個轉(zhuǎn)換的過程中，控制電路與保護(hù)電路共同工作，相互配合，保證整個轉(zhuǎn)換過程的安全、穩(wěn)定。

3 高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

3.1 輸入技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)

在對高頻開關(guān)電源進(jìn)行設(shè)計(jì)時，技術(shù)參數(shù)是需要考量的重要內(nèi)容。對于輸入技術(shù)參數(shù)來說，首先要考慮額定電壓。不同地區(qū)有不同的標(biāo)準(zhǔn)，所以在對高頻開關(guān)電源進(jìn)行設(shè)計(jì)時，要選擇符合當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)的額定電壓。如果要求設(shè)計(jì)的高頻開關(guān)電源能夠有比較廣的應(yīng)用范圍，則需要在設(shè)計(jì)時加入切換功能。其次要考慮的是交流電頻率，設(shè)計(jì)時必須滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，一般在50 Hz左右。最后要考慮開關(guān)電源的效率。開關(guān)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(guān)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(guān)電源設(shè)計(jì)一個較好的散熱環(huán)境，減輕電路的損耗。

3.2 輸出技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)

對輸出技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)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(shù)等進(jìn)行明確的規(guī)定。其次要考慮紋波噪聲：盡量降低紋波系數(shù)，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(wěn)壓精度，穩(wěn)壓精度可以理解為調(diào)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(fù)載、輸入電壓、紋波噪聲等這些因素變化在發(fā)生變化時，都會導(dǎo)致輸出電壓的變化，因此，要提高穩(wěn)壓精度，就必須盡量減少這些因素的變化。

3.3 變換器的設(shè)計(jì)

變換器有很多設(shè)計(jì)方式，每種方式都有各自的優(yōu)勢。最初的設(shè)計(jì)中，人們都采用各種線性變換器，隨著高頻開關(guān)電源的不斷發(fā)展，變換器的設(shè)計(jì)也不斷豐富，在原來線性變換器的基礎(chǔ)上，延伸出了多種直流開關(guān)電源變換器，這種變換器的優(yōu)點(diǎn)是具有隔離功能。目前，應(yīng)用比較廣泛的是全橋變換電路。全橋變換電路雖然比較復(fù)雜，整個電路中的開關(guān)也比較多，但是它具有很高的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)計(jì)

變壓器是對電壓和電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換的器件，它的性能直接影響了整個高頻開關(guān)電源的工作效率，是設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。在對變壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)時，要考慮很多因素：

①在對變壓器的線路進(jìn)行繞制時，一定要選擇先進(jìn)的繞制工藝，它能夠?qū)ψ儔浩鞯膿p耗產(chǎn)生比較大的影響。

②在對變壓器中的芯片進(jìn)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(xiàn)磁飽和現(xiàn)象。

③在對變壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)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(huán)境對其自身的干擾。

④在保證其性良好性能的基礎(chǔ)上，降低成本。

4 對高頻開關(guān)電源未來發(fā)展的暢想

4.1 向低碳、環(huán)保方向發(fā)展

低碳、環(huán)保是21世紀(jì)的主題，任何行業(yè)的發(fā)展都要向著這一主題進(jìn)行，高頻開關(guān)電源的發(fā)展也不例外。未來對高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)要融入新的理念，在注重經(jīng)濟(jì)效益的同時，更要注重生態(tài)效益。新一代的高頻開關(guān)電源，除了向小型化方向發(fā)展、節(jié)省材料之外，還要使其在運(yùn)行的過程中產(chǎn)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(huán)境的影響。總之，未來的高頻開關(guān)電源將具備更多的優(yōu)點(diǎn)，兼?zhèn)浣?jīng)濟(jì)價值和環(huán)保價值。

4.2 全面開展數(shù)字開關(guān)電源的研究

電子科技的飛速發(fā)展使人類進(jìn)入了電子時代，數(shù)字開關(guān)電源逐漸發(fā)展。人們使用芯片對整個電路系統(tǒng)進(jìn)行控制，完全實(shí)現(xiàn)智能化。這種技術(shù)雖然沒有完全成熟，但是其特有的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)讓我們看到了它的發(fā)展?jié)摿Γ弘娐吩O(shè)計(jì)簡單化，調(diào)試相對容易；整個系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)控制，可以遠(yuǎn)程觀察，操作簡單；智能化的開關(guān)電源能夠避免電磁干擾等。

5 結(jié) 語

現(xiàn)代高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)具有很多明顯的特點(diǎn)：逐漸趨于小型化，為我們節(jié)省了更多的材料和空間；高頻電源開關(guān)的快速發(fā)展逐漸淘汰了線性電源；在高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中，逐漸強(qiáng)化對電磁干擾的屏蔽，全面提高其工作效率。高頻開關(guān)電源未來仍然具有很大的發(fā)展空間，結(jié)合電子科技，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對整個電源的控制。電子科技的快速發(fā)展將為這一方向提供技術(shù)支持，使未來的高頻電源真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊曉靜.高頻開關(guān)電源的研究與設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

[2] 彭曉珊.大容量高頻開關(guān)電源的研制[D].長沙：中南大學(xué)，2004.

[3] 李志永.基于DSP的數(shù)字化高頻開關(guān)電源的研究[D].天津：天津理工大學(xué)，2013.

[4] 楊光.高頻開關(guān)電源的EMI建模與仿真研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2008.