开关电源的工作原理及技术趋势

赵利华

(四川长虹电子控股集团有限公司，四川绵阳，621000)

1 开关电源

要明确开关电源的工作原理和技术趋势，必须要对开关电源有清楚的认知。就概念解释而言，所谓的开关电源是开关模式电源的简称，英文缩写为SMPS，也称之为交换式电源、开关变换器，其是一种高频化电能转换装置，是电源供应器的一种[1]。从功能角度对开关电源进行分析，其能够将一个位准的电压透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。开关电源的主要作用就是实现二者实践的电压以及电流转换。

对开关电源和线性电源做比较发现在开关电源的工作实践中，其所利用的切换晶体管多半是在全开模式（饱和区）及全闭模式（截止区）之间切换，而这两种模式的显著特点是低耗能。虽然说在切换的过程中会产生比较高的能耗，但是因为时间比较短，所以能耗比较少，如此一来，开关电源便具备了低耗能的显著特点。就线性电源的具体工作分析来看，通过变压器初次级匝数比决定输出电压，工作频率低，线圈和磁性材料损耗大，输出电压随输入电压波动，不容易做到恒压输出。就此，出于节能的考虑，在众多领域都会使用具有低能耗特点的开关电源。

2 开关电源的工作原理和基本构成

2.1 基本原理

对现阶段社会实践中应用的开关电源做整体分析发现，其虽然均为开关电源，但是控制原理却有着明显的差异，所以在实践中会按照控制原理对开关电源进行分类。目前，基于开关电源的控制原理可以将其分为三大类，以下是具体类别的工作原理分析。

第一种是脉冲宽度调制式，此类控制方式简称为脉宽调制，英文的缩写是PWM[2]。就此种控制方式的开关电源利用来看，其显著的特点是开关的频率具有固定性，通过脉冲宽度的改变便可以实现占空比的调节，从而达到稳压的目的。就该种控制方式的开关电源利用来看，因为开关的周期具有固定性，所以设计滤波电路的设计相对比较简单。需要注意的是，此种控制方式的开关受功率开关最小导通时间的限制，不能够对输出电压进行作宽范围的调节。另外，这种控制方式的开关电源在使用中，输出端一般要接假负载，以此来规避空载时输出电压升高问题的出现。

第二种是脉冲频率调制方式，简称为脉频调制，英文所学为PFM。其突出的特点是脉冲宽度具有固定性，在实践利用中能够对开关的频率进行改变从而达到调节占空比，实现稳压的目的。在此种控制方式的开关电源中，其核心是脉频调制器。基于此种开关电源控制方式对电路设计进行分析可知，在电路设计的时候需要用固定脉冲发生器来代替脉宽调制器中的锯齿波发生器，同时还需要利用电压频率转换器来实现频率的改变。对PFM式和PWM式的稳压原理进行分析，虽然二者存在着明显的差异，但是其也有相同之处，具体表现为两点：(1）均采用的是时间比率控制(TRC)的稳压原理。虽然两种方式在稳压过程中改变的内容与方式有差异，但是其目的是一致的，因此是一种“殊途同归”（2）当负载由轻变重，或者输入电压从高变低时，分别通过增加脉宽、升高频率的方法使输出电压保持稳定。

第三种是混合调制方式。就这种控制原理的开关电源具体利用来看，其不管是脉冲宽度还是开关频率均存在着不固定性，所以脉冲宽度和开关频率均可以改变。这种开关电源在实践中包含了脉宽调制器和脉频调制器。

2.2 开关电源的组成

在掌握了开关电源的基本运行原理之后对其的组成做分析与讨论，这对于认知开关电源结构有积极的意义。就实践分析来看，开关电源的任何部分对其的稳定性以及价值发挥具有显著的意义，所以对开关电源的具体组成部分做细致性分析，这对于开关电源的使用运维等工作可以提供帮助。从实践分析来看，开关电源的组成主要划分为输入整流滤波模块、高频变压器模块、输出高频整流滤波模块、脉冲宽度调制电路模块等四个部分。

输入整流滤波模块具体指的是从交流电网输入，到直流输出的主要电路[3]。主电路在开关电源的具体利用中包括了输入滤波器、整流与滤波。其中输入滤波器的主要作用是将电网存在的杂波进行过滤，并同时对本机所产生的有碍杂波进行拦截，使其无法反馈到公共电网中。就整流与滤波的具体利用来看，其主要的作用是实现电网交流电源的直接整流，使其成为具有平滑特征的直流电。

高频变压器模块是开关电源最主要的组成部分,高频变压器各个绕组线圈的匝数比例决定了输出电压的多少。它是工作频率超过工频的电源变压器，主要用于高频开关电源中作高频开关电源变压器。传送功率比较大的，工作频率比较低;传送功率比较小的，工作频率比较高。

输出高频整流滤波模块将变换器的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压，同时防止高频噪声对负载的干扰。相当于电源的交流等效电路中旁路电容器与负载分享纹波电流。

脉冲宽度调制电路模块是开关电源的核心，控制开关器件的通断，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲代替所需波形。有电压模式控制脉冲宽度调制、峰值电流模式控制脉冲宽度调制、平均电流模式控制脉冲宽度调制、滞环电流模式控制脉冲宽度调制和相加模式控制脉冲宽度调制共五种方式，通过不同控制方式得到想要的输出电压或电流。

3 开关电源发展趋势

第一是小型化、薄型化、轻量化、高频化发展趋势。就开关电源的具体设计实践来看，其体积以及重量的决定性因素是储能元件。从这个角度来看，开关电源的小型化是加上是对储能元件体积的控制与减小。在一定的范围内，开关频率的有效提升会明显的减少电容、电感以及变压器的尺寸，开关频率的提升对动态性能的改善有积极的作用，但会增加干扰，对EMC滤波电路参数的选取增加了难度。目前的开关电源发展实践中，高频化成为了一个主要的方向。

第二是高可靠性和低噪声。就开关电源和线性电源的具体使用分析来看，前者所用的元器件是后者的数十倍，这种情况会导致开关电源使用的可靠性明显下降。基于寿命角度做具体的分析，电源芯片、MOS管、电解电容、光耦合器等器件的寿命对电源的寿命有显著的影响。基于此，在开关电源设计实践中，尽可能的减少器件的使用，提高器件的集成度，再用模块化技术等将分布式电源系统的具体需要进行满足，这样，系统可靠性会显著的提升。就噪声而言，开关电源在使用的过程中普遍存在噪声大的缺点。如果在开关电源设计实践中单纯的追求高频化，其噪声会显著增大。基于噪声减小的目的，在设计实践中可以利用部分谐振转换回路技术，该技术利用在原理上既可以提高频率又可以降低噪声，所以，尽可能降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。

第三是利用计算机进行辅助设计并加强控制。在开关电源的设计实践中可以采用CAA和CDD技术进行最新的开关电源变换拓扑设计和最新的参数确定，这样，开关电源的机构优化和工况优化效果会明显加强。在开关电源的电路中积极的引入危机检测和控制，这样可以构成多功能监控系统，利用该系统不仅能够实现开关电源的实时检测，还能够对开关电源的运行状态等进行预警，这对于提升开关电源利用安全而言意义显著。

第四是低输出电压技术。就目前的分析研究实践来看，半导体技术在不断的发展，微处理器和便携式电子设备的工作越来越低，这种发展趋势要求未来的DC-DC变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。基于此，强调开关电源应用实践中的低输出电压技术研究和利用现实意义显著。

4 结语

开关电源在目前的实践中有着重要的利用，分析研究开关电源的相关内容，强调开关电源设计以及应用的进步，这对于开关电源工作的应用实效提升有积极的意义，文章在开关电源概念明确的基础上分析研究其工作原理以及结构组成，并对技术发展趋势等做讨论，目的是要指导实践工作。