趙利華

(四川長(zhǎng)虹電子控股集團(tuán)有限公司，四川綿陽(yáng)，621000)

1 開關(guān)電源

要明確開關(guān)電源的工作原理和技術(shù)趨勢(shì)，必須要對(duì)開關(guān)電源有清楚的認(rèn)知。就概念解釋而言，所謂的開關(guān)電源是開關(guān)模式電源的簡(jiǎn)稱，英文縮寫為SMPS，也稱之為交換式電源、開關(guān)變換器，其是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置，是電源供應(yīng)器的一種[1]。從功能角度對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行分析，其能夠?qū)⒁粋€(gè)位準(zhǔn)的電壓透過(guò)不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為用戶端所需求的電壓或電流。開關(guān)電源的主要作用就是實(shí)現(xiàn)二者實(shí)踐的電壓以及電流轉(zhuǎn)換。

對(duì)開關(guān)電源和線性電源做比較發(fā)現(xiàn)在開關(guān)電源的工作實(shí)踐中，其所利用的切換晶體管多半是在全開模式（飽和區(qū)）及全閉模式（截止區(qū)）之間切換，而這兩種模式的顯著特點(diǎn)是低耗能。雖然說(shuō)在切換的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生比較高的能耗，但是因?yàn)闀r(shí)間比較短，所以能耗比較少，如此一來(lái)，開關(guān)電源便具備了低耗能的顯著特點(diǎn)。就線性電源的具體工作分析來(lái)看，通過(guò)變壓器初次級(jí)匝數(shù)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(dòng)，不容易做到恒壓輸出。就此，出于節(jié)能的考慮，在眾多領(lǐng)域都會(huì)使用具有低能耗特點(diǎn)的開關(guān)電源。

2 開關(guān)電源的工作原理和基本構(gòu)成

2.1 基本原理

對(duì)現(xiàn)階段社會(huì)實(shí)踐中應(yīng)用的開關(guān)電源做整體分析發(fā)現(xiàn)，其雖然均為開關(guān)電源，但是控制原理卻有著明顯的差異，所以在實(shí)踐中會(huì)按照控制原理對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行分類。目前，基于開關(guān)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(diào)制式，此類控制方式簡(jiǎn)稱為脈寬調(diào)制，英文的縮寫是PWM[2]。就此種控制方式的開關(guān)電源利用來(lái)看，其顯著的特點(diǎn)是開關(guān)的頻率具有固定性，通過(guò)脈沖寬度的改變便可以實(shí)現(xiàn)占空比的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到穩(wěn)壓的目的。就該種控制方式的開關(guān)電源利用來(lái)看，因?yàn)殚_關(guān)的周期具有固定性，所以設(shè)計(jì)濾波電路的設(shè)計(jì)相對(duì)比較簡(jiǎn)單。需要注意的是，此種控制方式的開關(guān)受功率開關(guān)最小導(dǎo)通時(shí)間的限制，不能夠?qū)敵鲭妷哼M(jìn)行作寬范圍的調(diào)節(jié)。另外，這種控制方式的開關(guān)電源在使用中，輸出端一般要接假負(fù)載，以此來(lái)規(guī)避空載時(shí)輸出電壓升高問(wèn)題的出現(xiàn)。

第二種是脈沖頻率調(diào)制方式，簡(jiǎn)稱為脈頻調(diào)制，英文所學(xué)為PFM。其突出的特點(diǎn)是脈沖寬度具有固定性，在實(shí)踐利用中能夠?qū)﹂_關(guān)的頻率進(jìn)行改變從而達(dá)到調(diào)節(jié)占空比，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的目的。在此種控制方式的開關(guān)電源中，其核心是脈頻調(diào)制器。基于此種開關(guān)電源控制方式對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行分析可知，在電路設(shè)計(jì)的時(shí)候需要用固定脈沖發(fā)生器來(lái)代替脈寬調(diào)制器中的鋸齒波發(fā)生器，同時(shí)還需要利用電壓頻率轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率的改變。對(duì)PFM式和PWM式的穩(wěn)壓原理進(jìn)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(xiàn)為兩點(diǎn)：(1）均采用的是時(shí)間比率控制(TRC)的穩(wěn)壓原理。雖然兩種方式在穩(wěn)壓過(guò)程中改變的內(nèi)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(dāng)負(fù)載由輕變重，或者輸入電壓從高變低時(shí)，分別通過(guò)增加脈寬、升高頻率的方法使輸出電壓保持穩(wěn)定。

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

2.2 開關(guān)電源的組成

在掌握了開關(guān)電源的基本運(yùn)行原理之后對(duì)其的組成做分析與討論，這對(duì)于認(rèn)知開關(guān)電源結(jié)構(gòu)有積極的意義。就實(shí)踐分析來(lái)看，開關(guān)電源的任何部分對(duì)其的穩(wěn)定性以及價(jià)值發(fā)揮具有顯著的意義，所以對(duì)開關(guān)電源的具體組成部分做細(xì)致性分析，這對(duì)于開關(guān)電源的使用運(yùn)維等工作可以提供幫助。從實(shí)踐分析來(lái)看，開關(guān)電源的組成主要?jiǎng)澐譃檩斎胝鳛V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(diào)制電路模塊等四個(gè)部分。

輸入整流濾波模塊具體指的是從交流電網(wǎng)輸入，到直流輸出的主要電路[3]。主電路在開關(guān)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(wǎng)存在的雜波進(jìn)行過(guò)濾，并同時(shí)對(duì)本機(jī)所產(chǎn)生的有礙雜波進(jìn)行攔截，使其無(wú)法反饋到公共電網(wǎng)中。就整流與濾波的具體利用來(lái)看，其主要的作用是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)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(guān)電源最主要的組成部分,高頻變壓器各個(gè)繞組線圈的匝數(shù)比例決定了輸出電壓的多少。它是工作頻率超過(guò)工頻的電源變壓器，主要用于高頻開關(guān)電源中作高頻開關(guān)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(shí)防止高頻噪聲對(duì)負(fù)載的干擾。相當(dāng)于電源的交流等效電路中旁路電容器與負(fù)載分享紋波電流。

脈沖寬度調(diào)制電路模塊是開關(guān)電源的核心，控制開關(guān)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(diào)制、峰值電流模式控制脈沖寬度調(diào)制、平均電流模式控制脈沖寬度調(diào)制、滯環(huán)電流模式控制脈沖寬度調(diào)制和相加模式控制脈沖寬度調(diào)制共五種方式，通過(guò)不同控制方式得到想要的輸出電壓或電流。

3 開關(guān)電源發(fā)展趨勢(shì)

第一是小型化、薄型化、輕量化、高頻化發(fā)展趨勢(shì)。就開關(guān)電源的具體設(shè)計(jì)實(shí)踐來(lái)看，其體積以及重量的決定性因素是儲(chǔ)能元件。從這個(gè)角度來(lái)看，開關(guān)電源的小型化是加上是對(duì)儲(chǔ)能元件體積的控制與減小。在一定的范圍內(nèi)，開關(guān)頻率的有效提升會(huì)明顯的減少電容、電感以及變壓器的尺寸，開關(guān)頻率的提升對(duì)動(dòng)態(tài)性能的改善有積極的作用，但會(huì)增加干擾，對(duì)EMC濾波電路參數(shù)的選取增加了難度。目前的開關(guān)電源發(fā)展實(shí)踐中，高頻化成為了一個(gè)主要的方向。

第二是高可靠性和低噪聲。就開關(guān)電源和線性電源的具體使用分析來(lái)看，前者所用的元器件是后者的數(shù)十倍，這種情況會(huì)導(dǎo)致開關(guān)電源使用的可靠性明顯下降?；趬勖嵌茸鼍唧w的分析，電源芯片、MOS管、電解電容、光耦合器等器件的壽命對(duì)電源的壽命有顯著的影響?；诖?，在開關(guān)電源設(shè)計(jì)實(shí)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(shù)等將分布式電源系統(tǒng)的具體需要進(jìn)行滿足，這樣，系統(tǒng)可靠性會(huì)顯著的提升。就噪聲而言，開關(guān)電源在使用的過(guò)程中普遍存在噪聲大的缺點(diǎn)。如果在開關(guān)電源設(shè)計(jì)實(shí)踐中單純的追求高頻化，其噪聲會(huì)顯著增大?；谠肼暅p小的目的，在設(shè)計(jì)實(shí)踐中可以利用部分諧振轉(zhuǎn)換回路技術(shù)，該技術(shù)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(guān)電源的又一發(fā)展方向。

第三是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)并加強(qiáng)控制。在開關(guān)電源的設(shè)計(jì)實(shí)踐中可以采用CAA和CDD技術(shù)進(jìn)行最新的開關(guān)電源變換拓?fù)湓O(shè)計(jì)和最新的參數(shù)確定，這樣，開關(guān)電源的機(jī)構(gòu)優(yōu)化和工況優(yōu)化效果會(huì)明顯加強(qiáng)。在開關(guān)電源的電路中積極的引入危機(jī)檢測(cè)和控制，這樣可以構(gòu)成多功能監(jiān)控系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)電源的實(shí)時(shí)檢測(cè)，還能夠?qū)﹂_關(guān)電源的運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行預(yù)警，這對(duì)于提升開關(guān)電源利用安全而言意義顯著。

第四是低輸出電壓技術(shù)。就目前的分析研究實(shí)踐來(lái)看，半導(dǎo)體技術(shù)在不斷的發(fā)展，微處理器和便攜式電子設(shè)備的工作越來(lái)越低，這種發(fā)展趨勢(shì)要求未來(lái)的DC-DC變換器能夠提供低輸出電壓以適應(yīng)微處理器和便攜式電子設(shè)備的供電要求?；诖?，強(qiáng)調(diào)開關(guān)電源應(yīng)用實(shí)踐中的低輸出電壓技術(shù)研究和利用現(xiàn)實(shí)意義顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

開關(guān)電源在目前的實(shí)踐中有著重要的利用，分析研究開關(guān)電源的相關(guān)內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)開關(guān)電源設(shè)計(jì)以及應(yīng)用的進(jìn)步，這對(duì)于開關(guān)電源工作的應(yīng)用實(shí)效提升有積極的意義，文章在開關(guān)電源概念明確的基礎(chǔ)上分析研究其工作原理以及結(jié)構(gòu)組成，并對(duì)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)等做討論，目的是要指導(dǎo)實(shí)踐工作。