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1、1 概述1.1 开关电源的发展和状况1955年美国罗耶(G H Roger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957年美国查赛(Jen Sen.)发明了自激式推挽双变压器，1964年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想。到了1969年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了25kHz的开关电源。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。市场上DC-DC开关电源中，用MOSFET制成的300
2、-500kHz电源，早己实用化，但其频率有待进一步提高.要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生谐波干扰。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性.其中，为防止随开感应电动势所发生的电压浪涌，可采用R-C或L-C缓冲器。不过，对1MHz以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开
3、关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前，世界上许多国家都在致力于数兆赫兹的变换器的实用化研究。开关电源向集成化方向发展将是未来的主要趋势，功率密度将越来越大，对工艺的要求也会越来越高。在半导体器件和磁性材料没有新的突破之前，重大的技术进展可能很难实现，技术创新的重点将集中在如何提高效率和减小重量.因此，工艺水平将会在电源制造中占的地位越来越高。另外，数字控制集成电路的应用也是将来开关电源发展的一个方向，这依耐于DSP运行速度和抗干扰技术的不断提高，至于先进的控制方法，目前已经有模糊控制、嵌入式MCU等控制方式移植到开关电源，相信随着数字控制的普及，今后还会有一些
4、新的控制理论运用到开关电源中来。为了以更低的功耗获得更高的速度和更佳的性能，半导体器件正在向1V工作电压发展，这也对DC/DC变换器提出了更高的要求。由于便携产品将率先采用1V工作电压，因而对电源效率和功率密度的挑战显得更为严峻。除了需要增添更多的功能外，还需要延长电池的使用寿命，并缩小系统体积。随着便携系统内部功能的增多，对电源的要求也相应提高。电源效率的改善则意味着新一代便携系统需要承受指数级增长的电流，系统体积小，散热能力差，更容易产生过热。因此系统散热成为令人关注的问题。在输出等于1V的电压下维持较高的效率是非常困难的。如果输入和输出电压之间的差值增加，更难获得高性能。为此，必须找到适
5、合高性能、小体积、长时间运行便携系统的方案。1.1.1 国外开关电源的发展概况12自20世纪90年代以来，许多新的领域和新的要求对开关电源提出了更新更高的挑战。正是由于外界的这些要求推动了两个开关电源的分支技术一直成为当今电力电子的研究课题，即有源功率因数校正技术和低压大电流高功率DC/DC变换技术。另外由于技术性能和要求的提高，使得许多相关技术课题的研究，正在迅速增加。（1）电路集成和系统集成及封装工艺的发展动态 开关电源的发展方向是模块化、集成化和智能化。近几年来具有各种控制功能的专用芯片发展很迅速，如功率因数校正（PFC）电路用的控制芯片，软开关控制用的ZVS、ZCS芯片，移相全桥用的控
6、制芯片，ZVT、ZCT、PWM专用控制芯片，并联均流控制芯片以及电流反馈控制芯片等。由于其外部接线、焊点减少，可靠性显著提高。集成化、模块化使电源产品体积更小、可靠性更高，给应用带来极大的方便。（2）功率因数校正技术的发展动态 功率因数校正的概念起源于20世纪80年代，但被重视和推广则在80年代末期和90年代。欧洲和日本相继对开关电源装置的输入谐波要求制定了标准。目前有两个标准，即IEC555-2和IEC1000-3-2。这使得研究PFC技术已成为电源界的热点。通常有两大类PFC技术：一类是无源PFC技术，另一类是有源PFC技术。前者采用无源元件来改善输入功率因数，减小电流谐波，以满足标准要求
7、。其特点是简单，但体积庞大、笨重，有些场合无法满足要求；后者是用一个变换器串入整流滤波与DC/DC变换器之间，通过特殊的控制，第一强迫输入电流跟随输入电压，从而实现单位功率因数，第二反馈输出电压便随之稳定，从而使DC/DC变换器的输入实现预稳。这种方法的特点是控制复杂，但体积大大减小。另外，第二级的设计也易优化，进一步提高性能。有源功率因数校正技术的目的在于改善开关电源的输入功率因数，减小输入谐波以满足IEC1000-3-2标准。具体的实现方法很多，但主要的方法有两种。一种是在整流滤波和DC/DC功率级之间串入一个有源PFC作为前置级，用于提高功率因数和实现DC/DC级输入的预稳，这种方法称为
8、两级PFC技术。一般用于较大功率输出的应用场合，另一种办法是努力将PFC级与DC/DC功率级中的一些元件共用，并实现统一控制，通常共用的元件是MOSFET，目前，将这种方法称作单级PFC技术，这种技术由于控制简单，元器件较少，因此小功率应用场合非常适合，但它的功率因数，谐波等指标，与功率级效率、输入电压范围、负载范围等密切相关，因此设计和优化显得尤为重要。（3）低压大电流输出电压变换技术的发展动态低压大电流高功率DC/DC变换技术，已从前些年的3.3V降至现在的1.0V左右，电流目前已可达到几十安到几百安。同时，电源的输出指标，如波纹、精度、效率、欠冲、过冲等技术指标也得到进一步提高。所有这些
9、使得这一分支技术的研究在当今乃至今后一段时间内，都将成为电力电子界的热点。它的研究内容非常广泛，包括电路拓扑结构动态问题（尤其是负载的大信号动态问题）、同步整流技术、控制技术以及其他相关技术的研究，诸如布线、集成磁技术、包装技术、高频功率器件技术等。1.1.2 国内开关电源的发展概况（1）电源技术的发展21世纪我国通信、信息、家电和国防等领域的电源普遍采用高频开关电源，相控电源将逐渐被淘汰。国内开关电源技术的发展，基本上起源于20世纪70年代末和80年代初。当时引进的开关电源技术在高等院校和一些科研院所停留在试验开发和教学阶段。20世纪80年代中期开关电源产品开始推广和应用。20世纪80年代开
10、关电源的特点是采用20kHz，脉宽调制（PWM）技术，效率可达65%-70%。经过20多年的不断发展，开关电源技术有了重大进步和突破。新型功率器件的开发促进了开关电源的高频化，功率MOSFET和IGBT可使中小型开关电源工作频率达到400kHz，（AC/DC）或1MHz（DC/DC）；软开关技术使高频开关电源的实现有了可能，它不仅可以减少电源的体积和重量，而且提高了电源的效率，国产6kW通信开关电源，采用软开关技术，效率可达93%；控制技术的发展以及专用控制芯片的生产，不仅使电源电路大幅度简化，而且使开关电源的动态性能和可靠性大大提高；有源功率因数校正技术（APFC）的开发，提高了AC/DC开
11、关电源的功率因数，既治理了电网的谐波污染，又提高了开关电源的整体效率。在开关电源的所有应用领域内，通信电源是增长速度最快的一部分。新型磁材料和新型变压器的开发，新型电容器和EMI滤波器技术的进步，以及专用集成控制芯片的研制成功，使开关电源实现了小型化，并提高了EMC性能。微处理器监控技术的应用，提高了电源的可靠性，也适应了市场对其智能化的要求。新型半导体器件的发展是开关电源技术进步的龙头。目前正在研究高性能的碳化硅半导体器件，一旦开发成功，对电源技术的影响将是革命性的。此外，平面变压器、压电变压器及新型电容器等元器件的发展，也将对电源技术的发展起到重要作用。另外，集成化是开关电源的一个重要发展
12、方向。通过控制电路的集成、驱动电路的集成以及保护电路的集成，最后达到整机的集成化生产。集成化和模块化减少了外部连线和焊接，提高了设备的可靠性，缩小了电源体积，减轻了重要。总之，高效率、小型化、集成化、智能化以及高可靠性是大势所趋，也是今后的主要发展方向。（2）电源生产的发展 在开关电源领域，民族产业一直占有举足轻重的地位。在开关电源应用的起步阶段，很多生产厂家采取的都是小作坊式的生产模式。经过20余年的不懈努力，逐步向大规模生产转化，产品也从单一品种走向系列化。现在，我国已形成一批上亿元、甚至10亿元以上产值的电源企业，有些产品已进入国际市场。（3）电源市场的发展 我国信息产业、国防工业、家电
13、行业，特别是电信业的迅猛发展，是电源市场发展的强大动力。据国家统计局最新资料显示，当前我国电子信息产业的产区、产出、销售总规模以及对国家经济增长的贡献，均居全国各工业行业之首，成为我国工业第一支柱产业。由于开关电源巨大的市场需求，孕育了大批电源的生产企业。成规模的企业有十几家，分为三种类型：第一类是自主研制开发，已生产出具有先进水平的系列电源产品，不仅可以满足各种电子设备的需要，而且在航空、铁路、电力、国防及家电等领域中得到了广泛应用；第二类是中外合资企业，采用国外较为先进的技术，在国内用户中有较高的信誉度；第三类是进口部件在国内组装，然后直接销售到国外市场，这些产品质量好，但成本也高，对国内
14、市场适用能力较差。1.2 串联稳压电源与开关稳压电源的节能比较251.2.1 串联稳压电源图1.1为串联稳压电源的原理图，简要说明如下。市电经过工频变压器T1降压，通过VD1VD4和C1整流滤波为直流电压，提供稳压器的供电电源，经R1、R2、A1输出取样比较。A1输出的误差电压加至调整管VT1的基极，改变VT1的管压降。输出电压升高时，VT1的管压降增大，使输出电压VO重新恢复到原来的整定值。图1.1 串联稳压电源的基本电路图 这种电源缺点在于：T1工作于市电频率，体积大而且笨重，对小功率变压器，效率一般为60%70%；全波整流输出电压为V2的90%；输出调整管VT1一般工作在放大状态，所消耗
15、的能量占输出电压的1/3。当输出电流为1A，电压为12V，则输出功率12W，调整管VT1消耗的功率约6W。1.2.2 开关电源的节能原理如图1.2示为单端正激式开关电源电路，市电经过VD1VD4全桥整流、C1滤波形成高频逆变器的直流供电电源。VT1在高频PWM驱动脉冲的作用下，处于高频开关状态。高频变压器一、二次测两端产生与VT1开关频率相同的高频脉冲，正脉冲（VT1导通时间内），一次侧的能量因VT5导通而传输至二次侧，负脉冲（VT1截止），C1储能经续流二极管VD6和负载形成回路为负载提供电能。图1.2 开关电源的原理图开关稳压电源特点：T1工作于高频状态，导通损耗小，效率比串联稳压电源高；
16、使用的元器件体积小，重量轻，便于移动和使用；调整管工作在开关状态，功耗很小，效率可高达90%。1.2.3 两种电源的比较开关稳压电源比起串联稳压电源，具有两个明显的优点：（1）效率高。采用占空比控制的开关电路，在理想情况下，只进行能量的变换而没有损耗。实际上，电源的总效率可以达到85%98%，远远高于串联稳压器（30%50%）。（2）体积小、重量轻。开关电源采用较高的开关频率，一般高于20kHz。此时，电路中的电感、电容等滤波元件和变压器的体积都大大减小，同时铜耗和铁损也相应减少。1.3 小功率开关电源分类小功率开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类。1.3.1 DC/DC类开关电源 DC/DC类开关电源是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波器。斩波器的工作方式有两种：一是脉宽调制方式T不变，改变频率调制方式t（通用）；二是频率调制方式t不变而改变T（易产生干扰）
