新型开关电源的应用与原理

1 引言

　　随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人的工作、生活的关系日益密切，电力电子设备都离不开可靠的电源。进入20世纪8O年代，计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代；进入20世纪9O年代，开关电源相继进入各种电子、电器设备领域或程控交换机、通讯、电力检测设备，控制设备电源都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电子技术控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电一般由脉冲宽度调制（pwm）控制IC和MOSFET构成。

　　开关电源和线性电源相比，二者都随着输出率关上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，成本反转点日益向低翰出电力端移动，这为开关电源提供了广阔发展空间。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小犁化，拜使开关电源进入更广泛的应用领域。特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用，在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

2 开关电源的分类

　　人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术。两者相互促进推动着。开关电源可分为AC／DC和DC／DC两大类。DC／DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内、外均已成熟和标准化并得到用户的认可；但AC／DC的模块化，因其自身的特性，使得在模块化的进程中遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。

2．1 DC／DC变换

　　DC／DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流暂波。暂波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton（通用）；二是频率调制方式，ton不变。改变Ts（易产生干扰），具体的电路有以下几类：

　　（1）BUCK电路一降压暂波器，其输出平均电压Vo小于输入电压Vt，极性相同。

　　（2）BUCK电路一压暂波器，其输出平均电压v0大于或小于输入电压，极性相同。

　　（3）BUCK电路一压或升压暂波器，其输出平均电压Vo大于或小于输入电压v0，极性相反，电感传输。

　　（4）BUCK电路一降压或升压变压器，其输出平均电压v0大于或小于输入电压U极性相反，电容传输。

　　当今软开关技术使得DC／DC发生了质的飞跃，美国V～COR公司设计制造多种EC～软开关DO／DO变换器，其最大输出功率有300W、6OOW、800W等，相应的功率密度为6、2、10、17瓦每立方厘米，效率为200300kHz，功率密度已达到27瓦每立方厘米，采用同整流器（M0SFET代替肖特基二极管），使整个电路功率提高90%。

2．2 AC／DC变换

　　AC／DC变换是将交流变换为直流，其功率流向是可以双向的，功率流由电源流向，负载的称为“整流”。功率由负载返回电源的称为“有源逆变”。AC／DC变换器输入为50／60Hz的交流电，因必须经整流滤波，因此体积相对较大的滤波电容是必不可少的，同时因遇到安全标准（如UI、CCE等）及EMC指令的限制（如IEC、FCC、CSA），交流输入侧必须加EMC率波电及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC／DC电源体积的小型化。另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求。由于同样的原因，高电压、大电流开关使很多电源损耗增大，限制了很高的要求。由于同样的原因，高电压、大电流开关使很多电源工作损耗增大，限制了AC／DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化方法，才能使其工作效率达到一定满意程度。

　　AC／DC变换按电路的接线方式可分为半波电路和全波电路，按电源相数可分为单相、三相和多相，按电路T作象限分为一象限、二象限、三象限、四象限。

3 开关电源的选用

　　开关电源在输入抗干扰性能上，由于其自身电路的特点（多极串联），一般的输入干扰如浪涌电压很难通过，在输出电压稳定度这一技术指标上与线性电源相比具有较大的优势，其输出电压稳定度可达0．5～1%。

3．1输出电流的选择

　　因开关电源工作效率高，一般可达到80%以上，故在其输出电流的选择上，应准确测量或计算用电设备的最大吸收电流，以使被选用的开关电源具有高的性能价格比。

通常输出计算公式为：

3．2接地

　　开关电源比、线性电源会产生更多的干扰，对共膜干绕敏感的用电设备，应采取接地和屏蔽措施。按ICEIO00、FCC等EMC限制，开关电源均采用EMC电磁兼容措施，因此开关电源一般带有EMC电磁兼容滤器。如利华技术的HA系列开关电源将其FG端子接大地或接用户机壳，方能满足上述电磁兼容的要求。

3．3保护电路

　　开关电源在设计中需具有过流过热短路等保护功能，故在设计时应首先保护功能齐备的电源模块，并且其保护电路的技术参数应与用电设备的工作特性相匹配，以避免损坏用电设备或开关电源。

4 开关电源技术的发展动向

　　开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、簿的关键技术是高频化，因此，国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型智能化的元器件，特别是该变二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体（Mn．Zn）材料上加大科技创新，以提高在高频和较大磁通密度（Bs）下获得高磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。

　　SMT技术应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布星，元器件以确保开关的轻、小、簿。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新。实现ZVS、ZCS的开关技术已成为开关电源的主流技术。并大幅度提高了开关电源的工作效率。对于可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流和温度等措施以减少器件的应力，使得开关可靠性大大提高。

　　模块化是开关电源发展的总体趋式，可以采用模块化电源组分布式电元源系统，可以设计成N+I亢余电源系统，并实现联系方式的容量扩展。而采用部分谐板转换电路技术，在理论上既可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换电路技术，在理论上既可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术应用问题，故仍需在理论上既可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量工作，以使得该项技术得以应用。

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