開關電源發展概述

1發展概況

開關電源被譽為高效節能電源,它代表著穩壓電源的發展方向,現已成為穩壓電源的主流產品。對于不同的設備應用,開關電源分2類:(1)中、小功率的開關電源;(2)大功率的開關電源。中、小功率的開關電源,一般采用開關電源模塊的形式;而大功率開關電源,一般采用分立元件或控制模塊一起制成。對于大功率開關電源的核心單元,1977年國外首先研制成脈寬調制(PWM)控制器集成電路,典型產品如MC3250、SG3524、UC3842:20世紀90年代以來,國外又研制出開關頻率達1MHz的高速PWM、PFM(脈沖頻率調制)芯片,典型產品如UC3842、UC1864等;對于對中、21、功率開關電源的單片集成化,大致分2個階段:20世紀80年代初意一法半導體有限公司(SCS-Thomson)首先推出的L4960系列單片開關式穩壓器;20世紀90年代該公司又推出了L4970A系列。其特點是將脈寬調制器、功率輸出極、保護電路等集成在一個芯片上,使用時需配工頻變壓器與電網隔離,適用于制作低壓輸出(5.1-40V)、大中功率(400W以下)、大電流(1.5-10A)、高效率(可超過90%)的開關電源,但從本質上講,它仍屬于DC用C電源變換器。1994年,美國動力(POWER)公司在世界上首先研制成功三端隔離式脈寬調制型單片開關電源,被人們稱為“頂級開關電源”。其第1代產品是TOPSwitch系列,第2代產品是1997年的TOPSwitch-n系列。該公司于1995年又推出了高效、低功率、低價格的四端單片開關電源系列;1999年Motorola公司又推出MC33370系列五端單片開關電源,也稱為高壓功率開關調節器(HighvoltagePowerSwitchRegulator)。目前,單片開關電源已形成4大系列、近70種型號的產品。

國內開關電源自主研發及生產廠家有300多家,形成規模的有十多家。一些公司如中電華星自主開發的電源系列產品已獲得廣泛認同,在電源市場競爭中頗具優勢,并有少量開始出口;高等院校開發的開關電源有西北工業大學等,都有一定的技術優勢,其中西北工業大學開發的高性能通信開關電源是比較好的產品。

2.開關電源的關鍵技術

2.1開關電源工作原理

開關電源主要是指利用各類新型自關斷器件并通過變換技術制成的高頻開關式直流穩壓電源。它的形式有很多種,其中尤以脈沖寬度調制型(PWM)最為盛行,現在就著重介紹一下此種形式的開關電源。

采用PWM技術的開關電源原理結構如圖1所示,從電網將能量傳遞給負載工頻電網交流電壓經過輸入整流濾波電路,得到高紋波未調直流電壓,再經功率轉換電路,變換成符合要求的矩形波脈動電壓,最后經輸出整流濾波電路將其平滑成連續的低紋波直流電壓。

控制回路在提供高壓開關T管基極驅動脈沖的同時,需要完成輸出電壓穩壓的控制,而且還必須能對電源或負載提供保護。它通常由檢測比較放大電路、電壓一脈沖寬度轉換電路(V/W電路)、時鐘振蕩電路、基極驅動電路、過壓過流保護電路,以及自用電壓源等基本電路構成。

稱為時鐘振蕩器,這種電源利用檢測電路反映輸出電壓值,通過和給定參考電壓比較產生誤差信號,再經V/W電路調制脈沖寬度以調節輸出電壓。

2.2關鍵技術

1.高頻開關技術電源開關頻率越高，所需要的變壓器及濾波電容的容量就越小。這是減小開關電源的體積和重量的根本手段。但提高開關頻率會增加開關損耗及無源元件的損耗，還會產生電磁干擾問題，而且，開關頻率越高，對開關器件的要求就越高，這將會降低電源的可靠性，并增加電源的成本。

2.軟開關技術

為了解決提高開關頻率帶來的種種不利影響，目前通常采用軟開關技術，包括無源無損(吸收網絡)軟開關技術，有源軟開關技術，如ZVS/ZCS諧振、準諧振、恒頻軟開關技術(ZVS/ZCS-PWM)，以及零電壓、零電流轉換(ZVT/ZCT-PWM)技術等。由于軟開關技術可以有效的減少開關損耗及開關應力，達到提高效率、增加可靠性的目的，因此，軟開關技術是最近幾年電力電子領域研究的熱點之一。

3.功率因數校正技術

提高開關電源輸人端功率因數，可以降低電源的無功損耗，減少電源對電網的諧波污染。由于開關電源在各個領域內都得到廣泛應用，大量的開關電源同時使用時，將會對電網造成嚴重的影響。因此，采用功率因數校正技術是今后開關電源發展的趨勢，輸人端功率因數是衡量開關電源質量的一個重要參數。

4.智能化技術

目前國外的通信系統普遍采用集中監控分散供電方式(集散式戶)，國內也在發展這種供電方式。集散式供電方式具有可靠性高、電纜損耗小、承受故障能力強的優點，但相對集中式供電系統來說，日常維護不方便。因此，采用智能化技術來實現無人值守，可以充分發揮集散式供電系統的優點，取得明顯的經濟效益。高頻開關電源智能化技術包括通訊、故障診斷、控制等方面的技術，智能化是高頻開關電源的發展趨勢。

3.開關電源的未來趨勢

3.1高頻化

高頻化是目前開關電源技術發展的主要方向之一，也是高頻開關整流器發展的主要趨勢之一。但隨著開關頻率的提高，功率器件的開關損耗將成比例地增加。所以在開關頗率較高時，需采取非常有效的“軟化”措施，盡可能降低器件的開關損耗。目前比較流行的方法是采用有源軟開關技術，如諧振技術、準諧振(或多諧振)技術、ZCS-PWM(或ZVS-PWM)技術及ZCT-PWM(或ZVT-PWM)技術等。另一種較實用的方法是采用無源無耗軟開關技術，即采用無源器件(L，C，D等)構成獨特的(專利的)電路網絡，對功率開關實現無損耗級沖。

3.2模塊化

模塊式結構除了具有很強的適應性外，還有一些很重要的優點，如:系統初始投資少、擴容非常方便、安裝運輸方便、冗余方式工作額外投入很少、維護快捷方便等。目前絕大多數通信電源廠家均采用模塊化設計叫，并已形成系列化，其單體整流器模塊

電流多數為5A,10A, 30A, 50A,100A, 200A等。而在通信領域包括移動通信等大量使用的整流器模塊為30A, 50A,lOOA，可組成150A, 300A, 600A,1000A等各類功率等級的直流系統，主要應用于電子大型電話局、移動通信基站等。

3.3智能化

智能化是現代通信系統對其基礎供電電源高標準要求的必然結果，是新型單片機技術在開關電源領域應用的完美體現。目前多數通信電源廠家已成功地將單片機技術應用于高頻開關整流器模塊及監控模塊之中，并通過RS232，RS422等標準通信口及MODEM等與微型計算機連接起來，實現“三遙”功能，并最終通過公用電話網或通信專網將不同區域內，甚至是世界范圍的電源系統連接起來，實施大面積集中監控，滿足了現代通信系統的高標準、高可靠的要求，達到了智能化的目的。

3.4標準化

目前高頻開關整流器產品在設計時需滿足的標準，除自身規范要求外，主要有電磁兼容標準和安全標準兩種。國際上有關組織及國內相關部門都積極制定了各種電磁兼容標準，各電源廠家都已經或正在為自己的產品滿足這些標準的要求做準備，以實現產品的“綠色化”。國內外都制定了相應的安全標準，實施了各種安全認證，如歐洲有“CE”，標志認證，中國有“長城”標志認證等。標準化是產品質量改善及國際化發展趨勢的需要。

4.結語

隨著技術的進步，特別是功率器件的更新換代，功率變換技術的不斷改進，新型電磁材料的不斷使用，控制方法的不斷改進，以及相關學科的技術不斷發展，開關電源已經成為多學科技術相融合的產物。

目前，國內生產的通信高頻開關電源在功能上已經接近國外產品，但在性能上還存在差距，主要表現在可靠性、穩定性不夠高。缺乏系統化、模塊化、工程化的設計方法和必要的仿真手段，是導致系統不能很好工作的原因?？傊?開關電源的發展方向是:（1）頻率要高，這樣動態響應才快,也是配合高速微處理器必須的；（2）體積要減小，變壓器、電感、電容都要減小體積；（3）效率要高，產生的熱能減少，散熱容易,容易達到高功率密度，進而制造出超大功率的高頻開關電源；（4）電源系統的高度集成化。