開關電源的分類及應用

1引言

隨著電力電子技術的高速發(fā)展，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、電力檢測設備電源、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(fā)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(wěn)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，這一點稱為成本反轉點。隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關電源技術也在不斷地創(chuàng)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闊的發(fā)展空間。

開關電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關電源小型化，并使開關電源進入更廣泛的應用領域，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、輕便化。另外開關電源的發(fā)展與應用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。

2開關電源的分類

人們在開關電源技術領域是邊開發(fā)相關電力電子器件，邊開發(fā)開關變頻技術，兩者相互促進推動著開關電源每年以超過兩位數字的增長率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開關電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類，DC/DC變換器現已實現模塊化，且設計技術及生產工藝在國內外均已成熟和標準化，并已得到用戶的認可，但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進程中，遇到較為復雜的技術和工藝制造問題。以下分別對兩類開關電源的結構和特性作以闡述。

2.1DC/DC變換

DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調制方式Ts不變，改變ton(通用)，二是頻率調制方式，ton不變，改變Ts（易產生干擾）。其具體的電路由以下幾類：

（1）Buck電路——降壓斬波器，其輸出平均電壓

U0小于輸入電壓Ui，極性相同。

（2）Boost電路——升壓斬波器，其輸出平均電壓

U0大于輸入電壓Ui，極性相同。

（3）Buck－Boost電路——降壓或升壓斬波器，其

輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電感傳輸。

（4）Cuk電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電

壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電容傳輸。

當今軟開關技術使得DC/DC發(fā)生了質的飛躍，美國VICOR公司設計制造的多種ECI軟開關DC/DC變換器，其最大輸出功率有300W、600W、800W等，相應的功率密度為(6.2、10、17)W/cm3，效率為（80～90）％。日本NemicLambda公司最新推出的一種采用軟開關技術的高頻開關電源模塊RM系列，其開關頻率為（200～300)kHz，功率密度已達到27W/cm3，采用同步整流器（MOS?FET代替肖特基二極管），使整個電路效率提高到90％。

2.2AC/DC變換

AC/DC變換是將交流變換為直流，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負載的稱為“整流”，功率流由負載返回電源的稱為“有源逆變”。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電，因必須經整流、濾波，因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的，同時因遇到安全標準（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、、FCC、CSA），交流輸入側必須加EMC濾波及使用符合安全標準的元件，這樣就限制AC/DC電源體積的小型化，另外，由于內部的高頻、高壓、大電流開關動作，使得解決EMC電磁兼容問題難度加大，也就對內部高密度安裝電路設計提出了很高的要求，由于同樣的原因，高電壓、大電流開關使得電源工作損耗增大，限制了AC/DC變換器模塊化的進程，因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設計方法才能使其工作效率達到一定的滿意程度。

AC/DC變換按電路的接線方式可分為，半波電路、全波電路。按電源相數可分為，單相、三相、多相。按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。

3開關電源的選用

開關電源在輸入抗干擾性能上，由于其自身電路結構的特點（多級串聯），一般的輸入干擾如浪涌電壓很難通過，在輸出電壓穩(wěn)定度這一技術指標上與線性電源相比具有較大的優(yōu)勢，其輸出電壓穩(wěn)定度可達(0.5～1）％。開關電源模塊作為一種電力電子集成器件，在選用中應注意以下幾點：

3.1輸出電流的選擇

因開關電源工作效率高，一般可達到80％以上，故在其輸出電流的選擇上，應準確測量或計算用電設備的最大吸收電流，以使被選用的開關電源具有高的性能價格比，通常輸出計算公式為：

Is=KIf

式中：Is—開關電源的額定輸出電流；

If—用電設備的最大吸收電流；

K—裕量系數，一般取1.5～1.8；

3.2接地

開關電源比線性電源會產生更多的干擾，對共模干擾敏感的用電設備，應采取接地和屏蔽措施，按ICE1000、EN61000、FCC等EMC限制，開關電源均采取EMC電磁兼容措施，因此開關電源一般應帶有EMC電磁兼容濾波器。如利德華福技術的HA系列開關電源，將其FG端子接大地或接用戶機殼，方能滿足上述電磁兼容的要求。

3.3保護電路

開關電源在設計中必須具有過流、過熱、短路等保護功能，故在設計時應首選保護功能齊備的開關電源模塊，并且其保護電路的技術參數應與用電設備的工作特性相匹配，以避免損壞用電設備或開關電源。

4開關電源技術的發(fā)展動向

開關電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。由于開關電源輕、小、薄的關鍵技術是高頻化，因此國外各大開關電源制造商都致力于同步開發(fā)新型高智能化的元器件，特別是改善二次整流器件的損耗，并在功率鐵氧體（Mn?Zn)材料上加大科技創(chuàng)新，以提高在高頻率和較大磁通密度（Bs)下獲得高的磁性能，而電容器的小型化也是一項關鍵技術。SMT技術的應用使得開關電源取得了長足的進展，在電路板兩面布置元器件，以確保開關電源的輕、小、薄。開關電源的高頻化就必然對傳統(tǒng)的PWM開關技術進行創(chuàng)新，實現ZVS、ZCS的軟開關技術已成為開關電源的主流技術，并大幅提高了開關電源的工作效率。對于高可靠性指標，美國的開關電源生產商通過降低運行電流，降低結溫等措施以減少器件的應力，使得產品的可靠性大大提高。

模塊化是開關電源發(fā)展的總體趨勢，可以采用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng)，可以設計成N＋1冗余電源系統(tǒng)，并實現并聯方式的容量擴展。針對開關電源運行噪聲大這一缺點，若單獨追求高頻化其噪聲也必將隨著增大，而采用部分諧振轉換電路技術，在理論上即可實現高頻化又可降低噪聲，但部分諧振轉換技術的實際應用仍存在著技術問題，故仍需在這一領域開展大量的工作，以使得該項技術得以實用化。

電力電子技術的不斷創(chuàng)新，使開關電源產業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。要加快我國開關電源產業(yè)的發(fā)展速度，就必須走技術創(chuàng)新之路，走出有中國特色的產學研聯合發(fā)展之路，為我國國民經濟的高速發(fā)展做出貢獻。