开关电源控制模式分析

李丽平

摘要：开关电源高频化、模块化、数字化的实现，标志着开关电源控制技术的成熟，本文分析了开关电源控制模式，在总结了开关电源发展历程的基础上分析了数字化控制及电流型控制模式的优点。

关键词：开关电源控制模式数字化控制模块化

中图分类号：TM910 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）08（b）-0127-01

开关电源作为一种能够稳定持续输出电压的电源，其主要是由控制开关晶体管控制开通和关断时间的，因此，在开关电源中最重要、最核心的部分就是控制电路，本文进行了开关电源控制模式分析。

1开关电源概述

开关电源是伴随着电力电子技术的进步而发展起来的，由于具有高效节能、轻巧便捷等特点，开关电源得到了越来越广泛的应用。开关电源的效率可达到85%以上，与普通的线性电源相比其效率提高了近一倍，且其可靠性也较高，采用了体积较小的散热器和滤波元件，具有良好的发展前途。可将开关电源分为AC/AC和DC/DC电源等类型，其中DC/DC电源变换器已实现了模块化的设计和发展，得到了广大用户的普遍认可。

2开关电源发展历程

开关电源的发展已经经历了40多年，早期开发的开关频率非常低，且价格较高，只能应用于卫星等少数要求电源质量较高的领域。但自20世纪60年代晶闸管相位控制模式出现后开关电源经历了较快的发展，70年代时制约开关电源发展的瓶颈主要是效率问题，同时由于调试工作困难而难以大规模的推广应用。70年代后期，随着大规模集成电路技术的出现，各种专用的开关电源芯片进入市场，将控制电路、驱动电路、保护电路和检测电路封装在一起的模式非常有利于开关电源的发展，由于焊点减小提高了开关电源的可靠性，同时也由于集成化的发展是开关电源的体积减小，为应用带来了极大的便利。

如今，集成化的电源已被广泛应用于计算机、航天、彩色电视等各个领域，且随着微电子技术、半导体技术的进一步发展，功能更强大，集成度更高的超大规模集成电路的出现，电子设备的体积和重量仍在不断减小，但与之相匹配的电源体积却大的多，在现代化的电子产品中，电源的体积要比微处理器大10倍以上，因此，如何缩小电源的体积就是一项非常具有意义的研究课题。相关的理论分析表明，电源体积与其供电频率的平方根是呈反比例的，当电源频率从50Hz提高至20kHz后其体积将缩小400倍，但频率的提高也会对整个电路的元器件带来新的要求，目前超高频电源对电子器件的影响正在进一步研究之中。

我国从20世纪60年代开始就研制出了稳压电源，20世纪70年代后期稳压电源已在我国的白电视机及中小型计算机中进行了应用，其中主要是5V，20～200A，20kHz的AC/DC开关电源，自80年代开始进入大规模使用阶段，此时我国已开发出了0.5～5MHz的谐振软开关电源。

至80年代中期，我国通信电源在AC/DC及DC/DC開关电源领域中所占的比例还是较低的，从80年代开始，我国的通信电源开始进行大规模的更新换代，从传统的铁磁稳压电源更换为现代的晶闸管稳压电源，在逐步应用于办公室自动化设备中。至90年代我国又研制出了一种新型的专用开关电源，专门保障特殊领域的电源之用，如卫星运行过程中的开关电源及远程导弹系统中的开关电源等。多年来，虽然我国在开关电源的应用方面已经取得了很大的进步，但相比发达国家已较成熟的开关电源技术，我国在集成度和使用方法上仍存在较大不足，还应加强开关电源的研究与应用。

3开关电源的数字控制技术

近年来，随着数字信号处理器及编程逻辑器等技术的快速发展，数字控制技术在诸多电力电子领域取得了广泛的应用，这些控制领域的计算和监控任务是非常复杂的，难以用模拟控制的方法完成较好的控制性能，因此产生了数字控制的要求。

随着DSP等电子器件的小型化及高速化发展，开关电源的控制也正朝着数字化的方向发展，数字化增强了开关电源控制部分的智能化水平，为实现动态远距离监测奠定了基础。在开关电源的市场中，标准电源的份额正在逐步扩大，但同时由于电源的使用是因系统不同而不同的，因此其对某种特制电源的需求是非常强烈的，数字化控制电源汇集了标准电源及特征电源的优点。

然而，当前开关电源的数字化控制还停留自半数字化阶段，对于控制器中技术难度最高的功率控制部分是现阶段还难以解决数字化控制，这也是当前学术界研究的重点内容之一。数字化控制技术是否能在开关电源中得到推广性的应用，主要取决于复杂控制的算法能否实现及能否满足较高的动态性能和指标等，这将是开关电源实现数字化控制所面临的核心问题。

通过数字化控制能够提高系统的灵活性，提高通信界面及抗干扰的能力，但在要求较高的开关电源中，控制精度、控制延迟及电流检测等因素是急需要解决的问题，在保护与监控电路、及系统的通信等方面都已实现了数字化，同时数字化也可以取代模拟电路来完成电源的启动动能，通过特定的界面实现系统的通讯与显示功能。随着越来越多的数字控制技术应用于电源的管理，开关电源的数字化技术必将得到广泛的应用，数字化控制技术是开关电源控制模式的发展方向，业界十分看好开关电源数字化发展前景。

4电流型控制模式

开关电源的另类主要控制模式就是电流型开关电源控制，其与数字化控制模式相比具有以下几个方面的优点。

（1）具有较高的电压调整率，其调整过程与线性稳压电源类似，输入电压稍微变化即可反映电感电流的变化，不经过任何误差的放大就可完成脉冲比较进而输出脉冲宽度，这实际上是起到了前馈的控制作用。

（2）具有较好的回路稳定性能和负载响应性能。由于在电感中其电流脉冲的幅值是与输出电流的平均值相关的，因此电流型控制模式能较好地发挥电感的作用。

（3）具有逐个检测脉冲幅值的功能，简化了过载保护和短路功能，提高了工作的可靠性。且由于电流型控制模式控制内环是采用电感电流峰值检测技术的，因此可以灵敏地发现变压器或者开关管中的电流值，避免了过载和短路对变压器及开关管的影响。

（4）降低高频功率开关变换电路的功率损耗，提高开关电源的效率。由于功率开关管在开通和关断时有一定的功率损耗，但对电流控制型来说，因内环电流参加控制，使其较电压控制型这种单环控制更快速、准确。

（5）具有良好的并联运行能力。由于电流控制型的内环如同一个良好的受控电流放大器，所以使采用电流控制型的变换器可方便地并联工作，而不其它均流措施。

5结语

开关电源的发展趋势是高频化和微型化，实现这一目标的主要手段是提高开关电源的控制频率，数字化控制技术作为解决该项问题的核心技术，具有广阔的应用前景，同时应结合电流控制模式的优点，实现开关电源的全数字化控制。

参考文献

[1] 邹怀安.宽输入电压高频开关电源的研究与实现[D].武汉：武汉理工大学， 2005：17-19.

[2] 谢秀镯，戚栋，关国辉.基于数字化控制的开关电源的研究[J].开关电源技术， 2007，3：24-25.