開關電源技術發展概述

摘 要：任何電子設備都離不開可靠的電源，它們對電源的要求也越來越高。電子設備的小型化和低成本化，使電源以輕，薄、小和高效率為發展方向。本文論述了開關電源技術的發展過程，及其最新成果。

關鍵詞：開關電源；體積；功耗

開關電源是利用現代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOSFET構成。隨著電力電子技術的發展和創新，使得開關電源技術也在不斷地創新。

現代開關電源有兩種：一種是直流開關電源；另一種是交流開關電源。這里主要介紹的只是直流開關電源，其功能是將電能質量較差的原生態電源（粗電），如市電電源或蓄電池電源，轉換成滿足設備要求的質量較高的直流電壓（精電）。直流開關電源的核心是DC/DC轉換器。因此直流開關電源的分類是依賴DC/DC轉換器分類的。

傳統的晶體管串聯調整穩壓電源是連續控制的線性穩壓電源。這種傳統穩壓電源技術比較成熟，并且已有大量集成化的線性穩壓電源模塊，具有穩定性能好，輸出紋波電壓小，使用可靠等優點。但通常都需要體積大且笨重的工頻變壓器與體積和重量都很大的濾波器。由于調整管工作在線性放大狀態，為保證輸出電壓穩定，其集電極與發射極之間必須承受較大的電壓差，導致調整管功耗較大，電源效率低，一般只有45%左右。另外由于調整管上消耗較大的功率，所以需要采用大功率調整管并裝有體積很大的散熱器，很難滿足現代電子設備的發展要求。20世紀50年代，美國宇航局以小型化，重量輕為目標，為搭載火箭開發了開關電源。在近半個世紀的發展過程中，開關電源因具有體積小、重量輕、效率高、發熱量低、性能穩定等優點而逐漸取代了傳統技術制造的連續工作電源，并廣泛應用于電子整機與設備供電中。

在電力電子技術高速發展的時代，電力電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切，而電子設備都離不開可靠的電源，進入80年代計算機電源全面實現了開關電源化，率先完成計算機的電源換代，進入90年代開關電源相繼進入各種電子、電器設備領域，程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了開關電源，更促進了開關電源技術的迅速發展。

開關電源是利用現代電力電子技術，控制開關晶體管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOSFET構成。開關電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關電源。隨著電力電子技術的發展和創新，使得開關電源技術在不斷地創新，這一成本反轉點日益向低輸出電力端移動，這為開關電源提供了廣泛的發展空間。

開關型穩壓電源采用功率半導體器件作為開關，通過控制開關的占空比調整輸出電壓。其效率可高達70%-95%。而功耗小，散熱器也隨之減小，穩定性也高。開關穩壓電源直接對電網電壓進行整流、濾波、調整，然后由開關調整管進行穩壓，不需要電源變壓器。此外，開關工作頻率為幾十千赫，濾波電容器、電感器數值較小，應此開關電源具有體重輕、體積小等優點。另外，由于功耗小，機內溫升低，提高了整機的穩定性和可靠性。而且對電網的適應能力也有較大的提高，一般串聯穩壓電源允許電網波動范圍為220V 10%，而開關型穩壓電源字電網電壓為110～260V范圍內變化時，都可獲得穩定的輸出電壓。

開關電源的高頻化是電源技術發展的創新技術，高頻化帶來的效益是使開關電源裝置空前的小型化，并使開關電源進入更廣泛的領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了高新技術產品的小型化、輕變化，另外開關電源的發展與應用在節約資源及保護環境方面都具有深遠的意義。

21世紀，市場上開關電源中功率管多采用雙極型晶體管，開關頻率可達幾十千赫；采用MOSFET的開關電源轉換頻率可達幾百千赫。為提高開關頻率，必需采用高速開關器件。對于兆赫以上開關頻率的電源可利用諧振電路，這種工作方式稱為諧振開關方式。它可以極大地提高開關速度，理論上開關損耗為零，噪聲也很小，這是提高開關電源工作頻率的一種方式。21世紀開關電源的追求和發展趨勢可以概括為以下四個方面。

小型化、薄型化、輕量化、高頻化。開關電源的體積、重量主要是由儲能元件（磁性原件和電容）決定的，因此開關頻率的小型化，實質上就是盡可能減小其中儲能元件的體積。在一定范圍內，開關頻率的提高，不僅能有效的減小電容、電感及變壓器的尺寸，而且還能夠抑制干擾，改善系統的動態性能，因此，高頻化是開關電源的一個新的發展方向。

高可靠性。開關電源使用的元器件比連續工作電源少數十倍，因此提高了可靠性。從壽命角度出發，電解電容、光耦合器等器件的壽命決定著電源的壽命。所以，要從設計方面著眼，盡可能使用較少的器件，提高集成度，這樣不但解決了電路復雜、可靠性差的問題，也增加了保護等功能，簡化了電路，提高了平均無故障時間。

低噪聲。開關電源的缺點之一是噪聲大。單純的追求高頻化，噪聲也會隨之增大。采用部分諧振轉換回路技術，在原理上可以提高頻率又可以降低噪聲，所以，盡可能的降低噪聲影響是開關電源的又一發展方向。

采用計算機輔助設計和控制。采用CAA和CDD技術設計最新變換拓撲和最佳參數，使開關電源具有最簡結構和最佳工況。在電路中引入微機監測和控制，可構成多功能監控系統，可以實時檢測、記錄并自動報警等。此外，計算機輔助設備控制的應用，對于電源技術的智能化發展提供了新的方向。

開關電源的發展從來都是與半導體器件及磁性元件等的發展休戚相關的。高頻化的實現，需要相應的高速半導體器件和性能優良的高頻電磁元件。發展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件，開發高頻用的低損磁性材料，改進磁性元件的結構及設計方法，提高電容的介電常數及降低其等效串聯電阻，對于開關電源小型化始終產生著巨大的推動作用。

現代電子系統，即便是最簡單的由單片機和單一I/O接口電路所組成的電子系統來講， 其電源電壓，一般也要由+5V，±15V或±12V等多路組成，而對較復雜的電子系統來講，不同的電子系統，不僅對上述各種電壓組合有嚴格的要求，而且對這些電源電壓的諸多電特性也有較嚴格的要求，如電壓精度，電壓的負載能力（輸出電流），電壓的紋波和噪聲，起動延遲，上升時間，恢復時間，電壓過沖，斷電延遲時間，跨步負載響應，跨步線性響應，交叉調整率，交叉干擾等。對于電源應用者來講，一般都希望其所選擇的電源產品為“傻瓜型”的，即所選擇的電源電壓只要負載不超過電源最大值，無論系統的各路負載特性如何變化，而各路電源電壓依然精確無誤。

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作者簡介：李梅（1996-02），湖北省黃岡市人，電氣工程及其自動化專業。