開關電源的工作原理及技術趨勢

趙利華

(四川長虹電子控股集團有限公司，四川綿陽，621000)

1 開關電源

要明確開關電源的工作原理和技術趨勢，必須要對開關電源有清楚的認知。就概念解釋而言，所謂的開關電源是開關模式電源的簡稱，英文縮寫為SMPS，也稱之為交換式電源、開關變換器，其是一種高頻化電能轉換裝置，是電源供應器的一種[1]。從功能角度對開關電源進行分析，其能夠將一個位準的電壓透過不同形式的架構轉換為用戶端所需求的電壓或電流。開關電源的主要作用就是實現二者實踐的電壓以及電流轉換。

對開關電源和線性電源做比較發現在開關電源的工作實踐中，其所利用的切換晶體管多半是在全開模式（飽和區）及全閉模式（截止區）之間切換，而這兩種模式的顯著特點是低耗能。雖然說在切換的過程中會產生比較高的能耗，但是因為時間比較短，所以能耗比較少，如此一來，開關電源便具備了低耗能的顯著特點。就線性電源的具體工作分析來看，通過變壓器初次級匝數比決定輸出電壓，工作頻率低，線圈和磁性材料損耗大，輸出電壓隨輸入電壓波動，不容易做到恒壓輸出。就此，出于節能的考慮，在眾多領域都會使用具有低能耗特點的開關電源。

2 開關電源的工作原理和基本構成

2.1 基本原理

對現階段社會實踐中應用的開關電源做整體分析發現，其雖然均為開關電源，但是控制原理卻有著明顯的差異，所以在實踐中會按照控制原理對開關電源進行分類。目前，基于開關電源的控制原理可以將其分為三大類，以下是具體類別的工作原理分析。

第一種是脈沖寬度調制式，此類控制方式簡稱為脈寬調制，英文的縮寫是PWM[2]。就此種控制方式的開關電源利用來看，其顯著的特點是開關的頻率具有固定性，通過脈沖寬度的改變便可以實現占空比的調節，從而達到穩壓的目的。就該種控制方式的開關電源利用來看，因為開關的周期具有固定性，所以設計濾波電路的設計相對比較簡單。需要注意的是，此種控制方式的開關受功率開關最小導通時間的限制，不能夠對輸出電壓進行作寬范圍的調節。另外，這種控制方式的開關電源在使用中，輸出端一般要接假負載，以此來規避空載時輸出電壓升高問題的出現。

第二種是脈沖頻率調制方式，簡稱為脈頻調制，英文所學為PFM。其突出的特點是脈沖寬度具有固定性，在實踐利用中能夠對開關的頻率進行改變從而達到調節占空比，實現穩壓的目的。在此種控制方式的開關電源中，其核心是脈頻調制器。基于此種開關電源控制方式對電路設計進行分析可知，在電路設計的時候需要用固定脈沖發生器來代替脈寬調制器中的鋸齒波發生器，同時還需要利用電壓頻率轉換器來實現頻率的改變。對PFM式和PWM式的穩壓原理進行分析，雖然二者存在著明顯的差異，但是其也有相同之處，具體表現為兩點：(1）均采用的是時間比率控制(TRC)的穩壓原理。雖然兩種方式在穩壓過程中改變的內容與方式有差異，但是其目的是一致的，因此是一種“殊途同歸”（2）當負載由輕變重，或者輸入電壓從高變低時，分別通過增加脈寬、升高頻率的方法使輸出電壓保持穩定。

第三種是混合調制方式。就這種控制原理的開關電源具體利用來看，其不管是脈沖寬度還是開關頻率均存在著不固定性，所以脈沖寬度和開關頻率均可以改變。這種開關電源在實踐中包含了脈寬調制器和脈頻調制器。

2.2 開關電源的組成

在掌握了開關電源的基本運行原理之后對其的組成做分析與討論，這對于認知開關電源結構有積極的意義。就實踐分析來看，開關電源的任何部分對其的穩定性以及價值發揮具有顯著的意義，所以對開關電源的具體組成部分做細致性分析，這對于開關電源的使用運維等工作可以提供幫助。從實踐分析來看，開關電源的組成主要劃分為輸入整流濾波模塊、高頻變壓器模塊、輸出高頻整流濾波模塊、脈沖寬度調制電路模塊等四個部分。

輸入整流濾波模塊具體指的是從交流電網輸入，到直流輸出的主要電路[3]。主電路在開關電源的具體利用中包括了輸入濾波器、整流與濾波。其中輸入濾波器的主要作用是將電網存在的雜波進行過濾，并同時對本機所產生的有礙雜波進行攔截，使其無法反饋到公共電網中。就整流與濾波的具體利用來看，其主要的作用是實現電網交流電源的直接整流，使其成為具有平滑特征的直流電。

高頻變壓器模塊是開關電源最主要的組成部分,高頻變壓器各個繞組線圈的匝數比例決定了輸出電壓的多少。它是工作頻率超過工頻的電源變壓器，主要用于高頻開關電源中作高頻開關電源變壓器。傳送功率比較大的，工作頻率比較低;傳送功率比較小的，工作頻率比較高。

輸出高頻整流濾波模塊將變換器的高頻交流電壓整流濾波得到需要的直流電壓，同時防止高頻噪聲對負載的干擾。相當于電源的交流等效電路中旁路電容器與負載分享紋波電流。

脈沖寬度調制電路模塊是開關電源的核心，控制開關器件的通斷，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖代替所需波形。有電壓模式控制脈沖寬度調制、峰值電流模式控制脈沖寬度調制、平均電流模式控制脈沖寬度調制、滯環電流模式控制脈沖寬度調制和相加模式控制脈沖寬度調制共五種方式，通過不同控制方式得到想要的輸出電壓或電流。

3 開關電源發展趨勢

第一是小型化、薄型化、輕量化、高頻化發展趨勢。就開關電源的具體設計實踐來看，其體積以及重量的決定性因素是儲能元件。從這個角度來看，開關電源的小型化是加上是對儲能元件體積的控制與減小。在一定的范圍內，開關頻率的有效提升會明顯的減少電容、電感以及變壓器的尺寸，開關頻率的提升對動態性能的改善有積極的作用，但會增加干擾，對EMC濾波電路參數的選取增加了難度。目前的開關電源發展實踐中，高頻化成為了一個主要的方向。

第二是高可靠性和低噪聲。就開關電源和線性電源的具體使用分析來看，前者所用的元器件是后者的數十倍，這種情況會導致開關電源使用的可靠性明顯下降。基于壽命角度做具體的分析，電源芯片、MOS管、電解電容、光耦合器等器件的壽命對電源的壽命有顯著的影響。基于此，在開關電源設計實踐中，盡可能的減少器件的使用，提高器件的集成度，再用模塊化技術等將分布式電源系統的具體需要進行滿足，這樣，系統可靠性會顯著的提升。就噪聲而言，開關電源在使用的過程中普遍存在噪聲大的缺點。如果在開關電源設計實踐中單純的追求高頻化，其噪聲會顯著增大。基于噪聲減小的目的，在設計實踐中可以利用部分諧振轉換回路技術，該技術利用在原理上既可以提高頻率又可以降低噪聲，所以，盡可能降低噪聲影響是開關電源的又一發展方向。

第三是利用計算機進行輔助設計并加強控制。在開關電源的設計實踐中可以采用CAA和CDD技術進行最新的開關電源變換拓撲設計和最新的參數確定，這樣，開關電源的機構優化和工況優化效果會明顯加強。在開關電源的電路中積極的引入危機檢測和控制，這樣可以構成多功能監控系統，利用該系統不僅能夠實現開關電源的實時檢測，還能夠對開關電源的運行狀態等進行預警，這對于提升開關電源利用安全而言意義顯著。

第四是低輸出電壓技術。就目前的分析研究實踐來看，半導體技術在不斷的發展，微處理器和便攜式電子設備的工作越來越低，這種發展趨勢要求未來的DC-DC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要求。基于此，強調開關電源應用實踐中的低輸出電壓技術研究和利用現實意義顯著。

4 結語

開關電源在目前的實踐中有著重要的利用，分析研究開關電源的相關內容，強調開關電源設計以及應用的進步，這對于開關電源工作的應用實效提升有積極的意義，文章在開關電源概念明確的基礎上分析研究其工作原理以及結構組成，并對技術發展趨勢等做討論，目的是要指導實踐工作。