开关电源的工作原理及技术趋势探索

高士喜

摘  要：电能是普遍存在的一种能量形式，在我们工作和生活中的方方面面都涉及电能的应用。工业中的用电设备需要电能才能正常运转，例如电动机、电焊机。民用产品中的电视机、电风扇、手机以及空调同样需要电能。而电能的应用则需要电源的转换来满足不同的用电设备的要求。电源根据工作原理的不同可以分成两类：即线性电源和开关电源。最早出现的是线性电源，它具有原理简单的特点，但是它的效率比较低，体积比较大，所以开关电源应运而生。开关电源的工作方式可以使电源的功率密度增加，从而达到小型化的目的。开关电源现在已经成为在以电力电子为基础的电源产品中的核心地位。该文重点分析了开关电源的工作原理以及在未来技术的发展趋势。

关键词：开关电源;工作原理;占空比

中图分类号：TN86        文献标志码：A

0 前言

随着科技的进步，生产力的发展，人们对开关电源的需求量大大的增加，促使我们对开关电源技术越来越重视，研究也越来越深入，使开关电源技术得到了长足的发展。现在的开关电源的产能越来越大，性能越来越好，体积越来越小，价格也越来越便宜。

1 开关电源的由来

在20世纪50年代由于客观因素的制约，火箭需要体积小而且重量轻的电源。所以美国宇航局研制了开关电源。这只是开关电源发展历程的开端。后来随着生产力和科学技术的发展，开关电源逐渐由航空航天领域的应用向工业领域应用转化，并且又在工业领域大量应用以后，开关电源又向民用产品的应用发展。

开关电源技术快速的发展期始于20世纪70年代，电力电子理论的建立与完善为开关电源的发展提供了一个良好的理论基础。但是在应用初期，产品存在开关频率较低、功率密度较低、可靠性较差的缺点。因此，在此之后开关电源的发展主要是针对前面所说的缺点进行改变改善与发展。经过不断的探索，以及新的元器件和新的理论知识的补充完善，让开关电源技术变的更加成熟、更适用于各种领域。

我国从1994年开始率先在通信领域推广并使用开关电源。经过二十几年的实践证明，开关电源在军工科技、工农业生产、人们的日常生产生活中起到了重要的作用。

2 开关电源的工作原理及组成

2.1 开关电源的工作原理

根据开关电源核心控制原理存在的不同，可以把开关电源分为3种：脉宽调制、脉频调制、混合调制。

2.1.1 脉冲宽度调制式

脉冲宽度调制式简称为脉宽调制式，这种控制方式是开关电源最普遍的控制方式。

这种控制方法是开关频率固定，当输出的负载增加时，增加占空比，使脉冲变宽，使输入端向输出端提供更多的能量，从而达到电源稳定的效果。当负载变小时，减小占空比，使脉冲变窄，减少向输出端传递的能量，使电源稳定。但是这种脉冲宽度调制式控制电路也有一定的问题和缺陷，不能宽范围的调整输出的电压[2]。

2.1.2 脉冲频率调制方式

脉冲频率调制方式简称为脉频调制式。这种调制方式在运行的时候，脉冲宽度是固定的，开关频率的增加或者减少控制了占空比，能够保持开关电源的输出稳定。在设计电路的过程中，它不使用脉宽调制器中的锯齿波发生器，使用的是固定脉宽发生器，同时，使用频率转换器来调节频率的变化。从图1可以看出脉宽调制和脉频调制2种调制方法的调制波形的区别[5]。

2.1.3 混合调制方式

混合调制方式可以灵活地运用调整脉冲宽度和开关频率，这种方式属于脉宽调制和脉频调制的混合方式。混合调制方式兼并了脉宽调制器和脉频调制器2种调制方式，由于脉冲宽度和脉冲频率都可以单独调节，因此占空比调节范围高，输出范围宽。但是由于对脉冲宽度和脉冲频率都做调制，所以其控制相对于前2种调制方式更加复杂。

以上3种开关电源的控制原理是现在基本的控制原理，随着开关电源技术的发展和芯片技术的成熟，有越来越多的芯片应用到开关电源的控制中，并且运用MCU、FPGA和DSP芯片不但可以实现开关电源的调制。还可以完成算法、逻辑控制、保护等诸多功能。使开关电源性能越来越好，功能越来越强大。

2 开关电源的组成

开关电源的典型结构如图2所示。

2.1 主电路

交流电进入电源首先经过整流和滤波转变为高压直流电，再经过开关电路和高频开关变压器转为高频率低压脉冲，然后再经过整流和滤波电路，最后输出低电压的直流电源。

2.2 控制和反馈回路

给开关器件输入给定开关信号，使开关器件的打开和关闭，从而达到能量传输的目的。并且根据采样和反馈回路采集输出，形成负反馈的闭环回路，达到使开关电源稳定输出的目的。

2.3 保护电路

当开关电源工作异常时，可以限制电流或者关断电源等，以达到保护电源负载的目的。

保护类型主要包括欠压电压保护、过电压保护以及过电流保护和过热保护等[3]。

3 开关电源关键技术

随着科技的进步，开关电源技术正在向着技术高频化、硬件结构模块化、产品性能数字化的方向发展。随着开关电源技术的发展，越來越能提高经济效益，这就体现了技术含量的价值。

3.1 先进的控制算法和硬件的更新换代

虽然传统的PI控制反馈算法还是主流，随着科技的进步，各种智能控制算法在开关电源中也得到了应用。比如神经网络控制、预测控制等控制技术会使反馈的响应时间更快。而且开关电源所使用的元器件尤其是功率器件近些年也产生了跨越式的发展。现在的元器件都朝着体积小，功率大，功耗低，热稳定系数好的方向发展。价格也随着芯片技术和制造工艺的改善也越来越便宜，使应用这些芯片的性价比更高，元器件和芯片技术的发展也会促使高性能的开关电源更容易得到普遍应用与推广。

3.2 高频开关技术

开关电源中的主要储能元器件的储能是与频率参数为正比的，升高开关电源的开关频率，可以降低开关电源体积和重量。高频开关技术应用于开关电源中，存在一个很大的问题，主要是相关元器件的损耗方面。频率一旦升高，就会造成相关的元器件的损耗，同时也会出现相应的电磁干扰，如果不能有效的抑制这2个问题，就会给开关电源技术的发展产生巨大的困难[1]。

3.3 软开关技术

因为开关电源的损耗主要是在开关元器件的开通和关断时，软开关技术就解决了开关损耗的问题，软开关技术分为零电压电路和零电流电路技术2种。

开关电源中的软开关技术可以有效地解决高频开关技术中存在的问题，降低了元器件的损耗，提高了元器件的使用寿命。软开关技术能够大幅度提高经济效益，因此，在开关电源的发展和应用过程中，软开关技术受到广泛关注，成为了相关技术工作人员的重点研发对象。

4 开关电源技术的发展趋势

开关电源技术是未来稳压电源及电子信息技术发展的主流趋势，现在已经比较普及地应用在各个领域中，下面就对开关电源未来的发展趋势进行分析。

4.1 高频化技术的发展

在前面的一节已经介绍了高频化是开关电源的关键技术。通过提高开关电源的开关频率，开关电源的体积重量也降低了，有效地适应了市场的需求的发展。但是任何事情都是具有两面性的：由于频率的提高，一些电路分布的参数会更加明显的显现出来。不但会造成开关电源内部的一些元器件的损坏，还会带来许多的干扰。因此，在应用高频率开关技术时，提高频率要在带来的正面和负面影响之间的权衡。

4.2 数字化技术的发展

开关电源技术的发展也离不开数字化技术，近年来DSP、MCU和FPGA的已经大量应用在各个科学领域。通过数字化控制可以大幅度提高开关电源技术的工作效率，更好地完成数字采集、计算还有算法的实施，更加灵活地应用各种算法，并且还可以轻而易举地完成控制和保护功能，提高了开关电源技术的发展水平。

4.3 模块化技术的发展

开关电源的模块化是为适应领域应用的要求，通过模块化技术的应用可以大幅度地缩小开关电源的体积。如果功率需求增大，可以通过并联电源模块并且应用均流技术实现。即节省了开发成本，缩短了开发周期，方便于维修和更换，更适应技术进步的要求。

4.4 高可靠性

由于开关电源是为其他设备和产品提供电能，保证其正常工作的，因此需要安全和可靠。由于开关电源有可能需要长期工作，元器件更容易损坏，因此降低了可靠性。从寿命角度进行分析，各种器件使用寿命的长短决定了开关电源的寿命。因此，为了延长开关电源的使用寿命，就要减少元器件的使用，提高集中度，设计时给每个元器件都留够足够的裕量，计算好元器件的寿命，并重视开关电源的排风和散热设计。

4.5 低噪声

噪声也是重要的污染源之一。开关电源技术的缺点之一是电源工作时或大或小的存在着噪声，追求高频化，噪声也会随之加大。因此，要降低噪声的污染，采用部分谐振转换回路技术，既可以提高开关电源频率又可以降低噪声。所以，在未来，降低噪声污染也是开关电源发展的一个重要方向。

4.6 低输出电压技术

随着科学技术水平的不断提高和进步，半导体制造技术的不断发展，微处理器和便携式电子设备的额定工作电压越来越低，这就要求未来的DC/DC變换器能够提供低输出电压以适应微处理器和便携式电子设备的供电要求[3]。

5 结语

开关电源是电力电子技术的一个重要方向，它的输出是各种电子设备的输入，所以开关电源要有高可靠性、低噪声、高效率等要求。我们经过多年的积累与探索在开关电源功能和性能研究有了长足的进步。随着科学的发展和开关电源的普遍应用，在实践中开关电源会做的越来越好，体积小、重量轻、高效能、高可靠性[4]的开关电源也会得到更广泛的应用。

参考文献

[1]路建华.开关电源的工作原理及技术趋势[J].中国新通信，2019，21（22）：218.

[2]杨建伟.谈开关电源的原理和发展趋势[J].科技与企业，2012（22）：359.

[3]侯清江，张黎强，许栋刚.开关电源的基本原理及发展趋势探析[J].制造业自动化，2010，32（9）：160-162，169.

[4]王月爱，王勃.电源技术的应用研究与发展趋势[J].中国集成电路，2012（4）：69-72.

[5]孟建辉.开关电源的基本原理及发展趋势[J].通信电源技术（6）：62-63，67.

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