開關(guān)電源的基本原理與技術(shù)發(fā)展綜述

　　摘要： 隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，使開關(guān)電源技術(shù)也得到了很大程度的更新與進步。開關(guān)電源的高頻化、模塊化和數(shù)字化的發(fā)展，使其被廣泛的應(yīng)用于電子、通信、航天、醫(yī)療等各個領(lǐng)域。本文闡述了開關(guān)電源的基本原理及組成，對開關(guān)電源的不同技術(shù)發(fā)展階段的發(fā)展歷程進行了論述，總結(jié)了不同技術(shù)的特點，并展望了開關(guān)電源的發(fā)展趨勢。
　　Abstract： With the rapid development of modern power electronics technology， the switching power supply technology has also been largely updated and improved. The development of switching power supply with high frequency， modularization and digitalization. It has been widely used in electronics， communications， aerospace， medical and other fields. In this paper the basic principle and composition of switching power supply is described， the development course of different technology development stages of switching power supply is discussed. The characteristics of different technologies are summarized， and the development trend of switching power supply is prospected.
　　關(guān)鍵詞： 開關(guān)電源；硬開關(guān)；軟開關(guān)；同步整流；數(shù)字控制
　　Key words： switching mode power supply；hard switching；soft switching；synchronous rectification；digital control
　　中圖分類號：TM56 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）14-0269-03

0 引言

　　隨著世界經(jīng)濟全球化和我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，國防、航空、通信、信息、電力等行業(yè)對電力電子設(shè)備的需求越來越大，品質(zhì)要求也越來越高。其中電源作為用電設(shè)備的心臟，為設(shè)備提供動力。開關(guān)電源之前，線性電源和相控電源是當時應(yīng)用最廣泛的直流電源。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源的出現(xiàn)使電源系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，趨于小型化和低成本的同時，提出了更多的要求，如開關(guān)電源的體積小、效率高、靈活性好等。開關(guān)電源作為高效節(jié)能電源，代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向。隨著半導體技術(shù)和制造工藝的創(chuàng)新與發(fā)展，使半導體功率器件的可靠性和響應(yīng)速度不斷提高，器件的導通損耗越來越小，同時開關(guān)電源的系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性、電磁兼容性及效率得到了很大程度上提高，有助于改善系統(tǒng)的動態(tài)參數(shù)，提高工作頻率，逐漸向高頻化發(fā)展。由于數(shù)字控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，使開關(guān)電源逐漸走向智能控制的時代。本文對開關(guān)電源的基本原理與電路構(gòu)成進行了闡述，重點對開關(guān)電源的不同發(fā)展階段的發(fā)展路徑和技術(shù)特點進行介紹和總結(jié)，并展望了開關(guān)電源的發(fā)展趨勢。

1 開關(guān)電源的基本原路與電路構(gòu)成

　　1.1 開關(guān)電源的基本原理
　　依照控制原理不同，可將開關(guān)電源分為三類工作方式，即脈沖頻率調(diào)制式、脈沖寬度調(diào)制式、混合調(diào)制式。
　�、倜}沖頻率調(diào)制方式，簡稱脈頻調(diào)制（Pulse Frequency Modulation，縮寫為PFM）式。其特點是保持脈沖寬度不變，通過改變開關(guān)頻率來控制占空比，進而實現(xiàn)穩(wěn)壓目的。脈頻調(diào)制器是其核心。在電路設(shè)計中，用固定脈寬發(fā)生器來代替脈寬調(diào)制器中的鋸齒波發(fā)生器，并通過電壓/頻率轉(zhuǎn)換器（例如壓控振蕩器Vco）改變頻率。其穩(wěn)壓原理是：當輸出電壓Uo升高時，控制器輸出信號的脈沖寬度不變而周期變長，使占空比減小，Uo降低。PFM式開關(guān)電源的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍很寬，輸出端可不接假負載。
　�、诿}沖寬度調(diào)制式，簡稱脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，縮寫PWM）式。其特點是保持開關(guān)頻率不變，通過改變脈沖寬度來控制占空比，進而實現(xiàn)穩(wěn)壓目的。脈寬調(diào)制器是其核心。固定開關(guān)周期十分有利于濾波電路的設(shè)計。但其也存在明顯缺點，即受功率開關(guān)最小導通時間的制約。當前多數(shù)集成開關(guān)電源采用PWM方式。
　　③混合調(diào)制方式，是指脈沖寬度與開關(guān)頻率均不固定，彼此都能改變的方式，它屬于PWM和PFM的混合方式。它包含了脈寬調(diào)制器和脈頻調(diào)制器。由于tp和T均可單獨調(diào)節(jié)，因此占空比調(diào)節(jié)范圍最寬，適合制作供實驗室使用的輸出電壓可以寬范圍調(diào)節(jié)的開關(guān)電源。
　　以上3種工作方式統(tǒng)稱為“時間比率控制”（Time Ratio Control，簡稱TRC）方式。需要注意的是，脈寬調(diào)制器不僅能夠被應(yīng)用在獨立的集成電路中，還能夠被應(yīng)用在DC/DC變換器及AC/DC變換器中。其中，開關(guān)電源通常為AC/DC電源變換器，開關(guān)穩(wěn)壓器屬于DC/DC電源變換器。
　　1.2 開關(guān)電源的組成
　　圖1表示開關(guān)電源的典型結(jié)構(gòu)，其工作原理：市電進入電源首先經(jīng)整流和濾波轉(zhuǎn)為高壓直流電，然后通過開關(guān)電路和高頻開關(guān)變壓器轉(zhuǎn)為高頻率低壓脈沖，再經(jīng)過整流和濾波電路，最終輸出低電壓的直流電源。同時在輸出部分有一個電路反饋給控制電路，通過控制PWM占空比以達到輸出電壓穩(wěn)定。

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