王思聰

摘要： 隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，使開(kāi)關(guān)電源技術(shù)也得到了很大程度的更新與進(jìn)步。開(kāi)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(gè)領(lǐng)域。本文闡述了開(kāi)關(guān)電源的基本原理及組成，對(duì)開(kāi)關(guān)電源的不同技術(shù)發(fā)展階段的發(fā)展歷程進(jìn)行了論述，總結(jié)了不同技術(shù)的特點(diǎn)，并展望了開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)。

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(kāi)關(guān)電源；硬開(kāi)關(guān)；軟開(kāi)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(hào)：TM56 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）14-0269-03

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)全球化和我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，國(guó)防、航空、通信、信息、電力等行業(yè)對(duì)電力電子設(shè)備的需求越來(lái)越大，品質(zhì)要求也越來(lái)越高。其中電源作為用電設(shè)備的心臟，為設(shè)備提供動(dòng)力。開(kāi)關(guān)電源之前，線性電源和相控電源是當(dāng)時(shí)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(kāi)關(guān)電源的出現(xiàn)使電源系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，趨于小型化和低成本的同時(shí)，提出了更多的要求，如開(kāi)關(guān)電源的體積小、效率高、靈活性好等。開(kāi)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(dǎo)體技術(shù)和制造工藝的創(chuàng)新與發(fā)展，使半導(dǎo)體功率器件的可靠性和響應(yīng)速度不斷提高，器件的導(dǎo)通損耗越來(lái)越小，同時(shí)開(kāi)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(dòng)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(kāi)關(guān)電源逐漸走向智能控制的時(shí)代。本文對(duì)開(kāi)關(guān)電源的基本原理與電路構(gòu)成進(jìn)行了闡述，重點(diǎn)對(duì)開(kāi)關(guān)電源的不同發(fā)展階段的發(fā)展路徑和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行介紹和總結(jié)，并展望了開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)。

1 開(kāi)關(guān)電源的基本原路與電路構(gòu)成

1.1 開(kāi)關(guān)電源的基本原理

依照控制原理不同，可將開(kāi)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。

①脈沖頻率調(diào)制方式，簡(jiǎn)稱脈頻調(diào)制（Pulse Frequency Modulation，縮寫(xiě)為PFM）式。其特點(diǎn)是保持脈沖寬度不變，通過(guò)改變開(kāi)關(guān)頻率來(lái)控制占空比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓目的。脈頻調(diào)制器是其核心。在電路設(shè)計(jì)中，用固定脈寬發(fā)生器來(lái)代替脈寬調(diào)制器中的鋸齒波發(fā)生器，并通過(guò)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(dāng)輸出電壓Uo升高時(shí)，控制器輸出信號(hào)的脈沖寬度不變而周期變長(zhǎng)，使占空比減小，Uo降低。PFM式開(kāi)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(fù)載。

②脈沖寬度調(diào)制式，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，縮寫(xiě)PWM）式。其特點(diǎn)是保持開(kāi)關(guān)頻率不變，通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)控制占空比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓目的。脈寬調(diào)制器是其核心。固定開(kāi)關(guān)周期十分有利于濾波電路的設(shè)計(jì)。但其也存在明顯缺點(diǎn)，即受功率開(kāi)關(guān)最小導(dǎo)通時(shí)間的制約。當(dāng)前多數(shù)集成開(kāi)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(kāi)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(dú)調(diào)節(jié)，因此占空比調(diào)節(jié)范圍最寬，適合制作供實(shí)驗(yàn)室使用的輸出電壓可以寬范圍調(diào)節(jié)的開(kāi)關(guān)電源。

以上3種工作方式統(tǒng)稱為“時(shí)間比率控制”（Time Ratio Control，簡(jiǎn)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(dú)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(kāi)關(guān)電源通常為AC/DC電源變換器，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器屬于DC/DC電源變換器。

1.2 開(kāi)關(guān)電源的組成

圖1表示開(kāi)關(guān)電源的典型結(jié)構(gòu)，其工作原理：市電進(jìn)入電源首先經(jīng)整流和濾波轉(zhuǎn)為高壓直流電，然后通過(guò)開(kāi)關(guān)電路和高頻開(kāi)關(guān)變壓器轉(zhuǎn)為高頻率低壓脈沖，再經(jīng)過(guò)整流和濾波電路，最終輸出低電壓的直流電源。同時(shí)在輸出部分有一個(gè)電路反饋給控制電路，通過(guò)控制PWM占空比以達(dá)到輸出電壓穩(wěn)定。

開(kāi)關(guān)電源主要由四部分組成，具體如下：

①主電路：主要包括功率開(kāi)關(guān)管、輸入整流濾波器、輸入電磁干擾濾波器、高頻變壓器和輸出整流濾波器，是指交流電網(wǎng)輸入，到直流輸出的主要電路。

②控制電路：包括脈寬調(diào)制器、反饋電路、輸出端取樣電路。

③檢測(cè)及保護(hù)電路：檢測(cè)電路有過(guò)熱檢測(cè)、欠電壓檢測(cè)、過(guò)電壓檢測(cè)、過(guò)電流檢測(cè)等；保護(hù)電路可分為過(guò)熱保護(hù)、箝位保護(hù)、欠電壓保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、自動(dòng)重啟動(dòng)、軟啟動(dòng)等。

④其他電路：如偏置電路、鋸齒波發(fā)生器、光耦合器等。

2 開(kāi)關(guān)電源技術(shù)發(fā)展

2.1 硬開(kāi)關(guān)技術(shù)

硬開(kāi)關(guān)一般是指開(kāi)關(guān)元件的硬開(kāi)通和硬關(guān)斷。通常開(kāi)關(guān)元件工作時(shí)，由于di/dt和du/dt不可能無(wú)窮大，且開(kāi)關(guān)元件的工作狀態(tài)不會(huì)在截止?fàn)顟B(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)之間直接的跳變，而是在開(kāi)關(guān)期間有一段電壓和電流的交疊過(guò)渡區(qū)存在。

二十世紀(jì)六十年代，PWM硬開(kāi)關(guān)技術(shù)開(kāi)始被人們廣泛的應(yīng)用，其工作的頻率在400～500kHz之間，硬開(kāi)關(guān)技術(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括正激式、反激式、推挽式、降壓式、升壓式和升降壓式等方式。

采用PWM硬開(kāi)關(guān)技術(shù)控制的代表芯片主要有TI公司的電壓型PWM控制器TL494，電流型PWM控制器UC3842和UCCX809等。硬開(kāi)關(guān)技術(shù)的特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其開(kāi)關(guān)損耗大、感性關(guān)斷電壓尖峰大、容性開(kāi)通電流尖峰大、電磁干擾嚴(yán)重。

2.2 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)

二十世紀(jì)八十年代，與硬開(kāi)關(guān)技術(shù)相對(duì)應(yīng)地提出了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以有效地提高DC/DC開(kāi)關(guān)電源的功率密度，改善高頻性能和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可分為零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）和零點(diǎn)六開(kāi)關(guān)（ZCS），利用諧振原理控制開(kāi)關(guān)管在零電壓或零電流條件下進(jìn)行切換，有助于降低功率器件的開(kāi)關(guān)損耗，提高開(kāi)關(guān)電源的工作效率。

軟開(kāi)關(guān)按照控制方式可以分為PFM型、PWM型和移相全橋型。

①通常諧振變換器和準(zhǔn)諧振變換器（QFC）采用脈沖頻率調(diào)制法（PFM）。

諧振變換器的總體結(jié)構(gòu)示意圖，主要由開(kāi)關(guān)電路、諧振電路、整流電路、濾波電路四部分組成。

開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)將直流信號(hào)變換為方波形式功率信號(hào)，方波信號(hào)經(jīng)諧振電路變換為正弦信號(hào)，在經(jīng)過(guò)整流、濾波得到直流輸出信號(hào)。假設(shè)整流電路為全波整流器，則整流器的輸出為全波整流波形。從頻譜分析觀點(diǎn)看，整流電路的作用相當(dāng)于頻譜搬移。諧振變換器的特點(diǎn)包括：雖然通過(guò)增加飽和磁元件或吸收電容來(lái)實(shí)現(xiàn)功率開(kāi)關(guān)器件的零電壓關(guān)斷和零電流導(dǎo)通，同時(shí)增加了電路的實(shí)現(xiàn)難度和失誤率；由于電路中的回路電流類似于正弦信號(hào)，容易出現(xiàn)低EMI的產(chǎn)品。

準(zhǔn)諧振變換器的開(kāi)關(guān)電路中，諧振元件只在開(kāi)關(guān)周期中的一部分時(shí)間參與諧振，其電壓與電流的波形為準(zhǔn)正弦波。QRC運(yùn)用了比較典型的VICOR公司有源箝位零電壓/電流軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。準(zhǔn)諧振變換器的技術(shù)特點(diǎn)：開(kāi)關(guān)管的結(jié)電容被吸收，實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)關(guān)，而整流二極管的結(jié)電容未被吸收，它將于諧振電感產(chǎn)生振蕩，影響變壓器正常工作；開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力與負(fù)載范圍有關(guān)，負(fù)載范圍越寬，開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力越大；變換器的導(dǎo)通時(shí)間固定，關(guān)斷損耗較小，電流應(yīng)力大，開(kāi)通損耗大，不能空載工作；變換器實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)后，開(kāi)關(guān)頻率可以提高到幾兆甚至幾十兆赫茲，但由于QRC為變頻工作模式，所以很難對(duì)濾波器進(jìn)行優(yōu)化，且電壓和電流的應(yīng)力很大。

②PWM型軟開(kāi)關(guān)。

由于在工作期間PFM技術(shù)頻率范圍較寬，導(dǎo)致在設(shè)置和布置諧振變換器的控制電路和濾波電路時(shí)較為復(fù)雜，再加上開(kāi)關(guān)損耗原因，導(dǎo)致PWM高頻技術(shù)無(wú)法得到廣泛發(fā)展。PWM軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是建立在PWM技術(shù)和PFM軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上形成的，結(jié)合兩者優(yōu)勢(shì)開(kāi)展工作。采用了PWM部分諧振零電壓開(kāi)關(guān)模式的有美國(guó)的POWERONE和ASTEC、日本的LAMBDA等公司。

PWM軟開(kāi)關(guān)技術(shù)有兩種電路包括零電壓（ZVS）和零電流（ZCS）PWM電路，這兩種電路與傳統(tǒng)的PWM電路相比在開(kāi)關(guān)管的工作效率方面有了很大提高，并且有效地降低了開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)管應(yīng)力和噪聲，減小了開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗。在ZVS電路中，開(kāi)關(guān)管承受的最大正向電壓要比電源電壓更大；而在ZCS電路中，利用其對(duì)偶性可以得到，開(kāi)關(guān)管承受的最大電流比負(fù)載電流還要大。正是由于上述特點(diǎn)，兩種PWM軟開(kāi)關(guān)電路在應(yīng)用方面存在差別，ZVS電路多用于開(kāi)關(guān)器件頻率高、頻率低的場(chǎng)合；而ZCS更多的應(yīng)用在開(kāi)關(guān)頻率低，功率較大的電路。

③移相全橋軟開(kāi)關(guān)。

在移相全橋變換器的控制中，通常由超前臂和滯后臂實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的控制，主要的工作方式有三種方式。

1）ZVS工作方式下，變壓器原邊電流處于恒流模式，超前臂與滯后臂均可實(shí)現(xiàn)ZVS。

2）ZVS-ZCS工作方式下，不僅可以實(shí)現(xiàn)超前臂的ZVS，還可以在全電壓全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)滯后臂的ZCS。該種工作方式?jīng)]有初級(jí)環(huán)流，可有效提高工作的效率。

3）ZCS工作方式下，開(kāi)關(guān)管都可實(shí)現(xiàn)ZCS工作，有效地避免了電流拖尾，而輸出的整流管工作在ZVS，不需要考慮反向恢復(fù)問(wèn)題。由于滯后臂相比于超前臂不易實(shí)現(xiàn)ZCS，并且變壓器漏感和諧振電容會(huì)對(duì)變換器的工作造成影響，所以在初級(jí)輸出時(shí)存在占空比丟失的問(wèn)題。

移相全橋技術(shù)的特點(diǎn)主要是電路的拓?fù)浜?jiǎn)單，控制方法靈活性強(qiáng)，開(kāi)關(guān)功率的變化只需要通過(guò)改變移相角就可實(shí)現(xiàn)，不但能提高功率轉(zhuǎn)換的效率、降低電壓/電流變化率，還能夠減小電磁干擾。但是存在一些問(wèn)題包括：需增加一個(gè)有損諧振電感；占空比的丟失會(huì)使變換器的損耗更加嚴(yán)重；移相全橋的非對(duì)稱性無(wú)法實(shí)現(xiàn)同步整流；輕載時(shí)軟開(kāi)關(guān)的死去時(shí)間不易控制。

移相全橋的控制芯片主要有TI公司的UC3875，UCC3895，凌特公司的LTC1922，LTC3722。通?？刂菩酒梢詼?zhǔn)確地調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)時(shí)間，從而使移相全橋電路工作在最佳ZVS狀態(tài)。其中LTC3722的使用大大減小了諧振電感的電感量和體積，變換器的ZVS工作狀態(tài)的邊界條件加寬，減小了占空比的丟失量等。

2.3 同步整流技術(shù)

同步整流技術(shù)是將電路中的二極管整流變換成MOS管進(jìn)行整流。

通過(guò)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的PWM變換器的應(yīng)用使開(kāi)關(guān)管頻率得到很大程度的增加，同時(shí)開(kāi)關(guān)變換器的功率密度也不斷變高。但在低壓大電流輸出時(shí)，整流二極管導(dǎo)通的壓降較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗變大，效率隨之減小。當(dāng)采用整流二極管（FRD/SRD）時(shí)，導(dǎo)通壓降高達(dá)1.0～1.2V，即使換成導(dǎo)通壓降僅為0.6V的肖特基勢(shì)壘二極管（SBD），電源的效率會(huì)大大減小。目前，MOSFET的導(dǎo)通電阻已降到mΩ以下，導(dǎo)通壓降可降低到0.006V左右，利用MOSFET管代替二極管整流的同步整流技術(shù)可將DC/DC變換器效率提高10%左右。

現(xiàn)在市場(chǎng)中的高中檔開(kāi)關(guān)電源幾乎都采用了同步整流技術(shù)，其中5V以下低電壓小功率同步整流多采用自驅(qū)控制，12～20V電壓輸出的開(kāi)關(guān)電源通常采用IC控制驅(qū)動(dòng)同步整流。目前越來(lái)越多的進(jìn)行帶ZVS/ZCS軟開(kāi)關(guān)控制的同步整流技術(shù)。最新研究出的雙輸出PWM控制IC，幾乎都具備同步整流軟開(kāi)關(guān)控制的功能，例如凌特公司的LTC3722，INTEESIL公司的ISL6752等。上述公司生產(chǎn)的這些芯片不但擁有初級(jí)功率MOSFET的軟開(kāi)關(guān)，還可實(shí)現(xiàn)次級(jí)同步整流管的ZVS換流。這種軟開(kāi)關(guān)-同步整流開(kāi)關(guān)電源DC/DC變換器的效率通常能達(dá)到94%以上。

2.4 數(shù)字控制技術(shù)

數(shù)字電源與模擬電源相比，它是通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，利用微控制器計(jì)算誤差，通過(guò)數(shù)字電源控制器DSP，MCU，F(xiàn)PGA等算法計(jì)算得到所需的占空比，由此來(lái)進(jìn)行功率開(kāi)關(guān)管的控制。數(shù)字電源主要由數(shù)字電源驅(qū)動(dòng)器、數(shù)字電源PWM控制器、數(shù)字信號(hào)處理器等器件構(gòu)成。

數(shù)字開(kāi)關(guān)電源主要有以下兩種控制方法：

①單片機(jī)控制。

單片機(jī)對(duì)數(shù)字開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行控制時(shí)，系統(tǒng)先進(jìn)行輸出信號(hào)的采樣，將采樣信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字信號(hào)，然后對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行精確的運(yùn)算和調(diào)節(jié)，而后將運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)PWM控制芯片，從而間接的實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源的數(shù)字化控制。單片機(jī)的數(shù)字開(kāi)關(guān)電源控制只需要利用幾個(gè)簡(jiǎn)單的單片機(jī)就可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，一方面設(shè)計(jì)成本低、控制方法清晰，且技術(shù)已相當(dāng)成熟；另一方面拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)字轉(zhuǎn)換的延時(shí)較長(zhǎng)，從而引起系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)壓精度較低。雖然通過(guò)在單片機(jī)上進(jìn)行PWM輸出的集成可以改善數(shù)字延遲的時(shí)間，但是在單片機(jī)的時(shí)鐘頻率范圍內(nèi)無(wú)法產(chǎn)生于開(kāi)關(guān)電源工作頻率相適應(yīng)的PWM輸出控制信號(hào)。

②數(shù)字芯片控制。

采用高性能的數(shù)字控制芯片（如DSP）來(lái)進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的采樣，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換輸出PWM控制信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)放大DSP輸出的PWM信號(hào)，然后將其作用于開(kāi)關(guān)管。為提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，改善輸出電壓的調(diào)整精度，應(yīng)采用高運(yùn)算速度、高頻率的控制芯片，便于迅速地完成系統(tǒng)的控制算法，精確控制開(kāi)關(guān)電源的數(shù)字邏輯。然而，高性能的數(shù)字芯片由于技術(shù)難度大、控制邏輯復(fù)雜、成本較高、性價(jià)比低，無(wú)法在開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

數(shù)字電源的優(yōu)勢(shì)是模塊集成化程度高、數(shù)字智能芯片可操作性強(qiáng)、通信功能易于實(shí)現(xiàn)等，憑借這些優(yōu)勢(shì)數(shù)字電源越來(lái)越受到當(dāng)前市場(chǎng)的青睞，但不可否認(rèn)，當(dāng)前數(shù)字電源依然存在許多亟待解決的技術(shù)問(wèn)題，比如控制周期長(zhǎng)、相位延遲時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)字電源采樣及量化精度低等。

3 結(jié)論

目前開(kāi)關(guān)電源被廣泛的應(yīng)用于電力電子元件構(gòu)成的終端和通信設(shè)備中，這也給開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展提出了更高的要求，開(kāi)關(guān)電源逐漸向高效率、高性能和高可靠性方面發(fā)展。當(dāng)前各國(guó)為了進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)電源的效率、縮小其體積、降低其成本，在軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、同步整流技術(shù)、數(shù)字控制等基礎(chǔ)上，不斷地進(jìn)行新技術(shù)的創(chuàng)新與研究，若能將上述技術(shù)進(jìn)行融合，不但可以提高開(kāi)關(guān)電源的性能，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)電源遠(yuǎn)程的控制和故障診斷。

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