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开关电源的原理和发展趋势

高频开关电源由以下几个部分组成：
一、主电路
    从交流电网输入、直流输出的全过程，包括：
    1、输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。
    2、整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。
    3、逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。
    4、输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。
二、控制电路
     一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。
三、检测电路
     除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表数据。
四、辅助电源
     提供所有单一电路的不同要求电源。
第二节   开关控制稳压原理

     开关K以一定的时间间隔重复地接通和断开，在开关K接通时，输入电源E通过开关K和滤波电路提供给负载RL，在整个开关接通期间，电源E向负载提供能量；当开关K断开时，输入电源E便中断了能量的提供。可见，输入电源向负载提供能量是断续的，为使负载能得到连续的能量提供，开关稳压电源必须要有一套储能装置，在开关接通时将一部份能量储存起来，在开关断开时，向负载释放。图中，由电感L、电容C和二极管D组成的电路，就具有这种功能。电感L用以储存能量，在开关断开时，储存在电感L中的能量通过二极管D释放给负载，使负载得到连续而稳定的能量，因二极管D使负载电流连续不断，所以称为续流二极管。在AB间的电压平均值EAB可用下式表示：
                  EAB=TON/T*E
式中TON为开关每次接通的时间，T为开关通断的工作周期（即开关接通时间TON和关断时间TOFF之和）。
     由式可知，改变开关接通时间和工作周期的比例，AB间电压的平均值也随之改变，因此，随着负载及输入电源电压的变化自动调整TON和T的比例便能使输出电压V0维持不变。改变接通时间TON和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比，这种方法称为“时间比率控制”（Time Ratio Control,缩写为TRC）。
     按TRC控制原理，有三种方式：
     一、脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,缩写为PWM）
开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。
     二、脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation,缩写为PFM）
导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。
     三、混合调制
导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的混合。
第三节   开关电源的发展和趋势
     9年美国罗耶（GH.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，9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，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。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２５千赫的开关电源。
　　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、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的１００kHz、用ＭＯＳ－ＦＥＴ制成的５００kHz电源，虽已实用化，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浪涌或噪声。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，为防止随开关启-闭所发生的电压浪涌，可采用R-C或L-C缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。不过，对MHz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Hz的变换器的实用化研究。

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、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。而高频化则是开关电源实现轻、小、薄的技术关键，随着开关电源应用的领域越来越广，特别是在计算机和通信设备上，高频开关电源的应用引起了行业人士的广泛关注。

　　随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入0年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。与传统线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。高频化是开关电源的发展方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。

　　开关电源发展趋势

　　随着电子产品轻、薄、小的发展趋势，要求电子元件体积更小，耗能更低。开关电源作为电子设备中不可或缺的组成部分也在不断的改进。高效率、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化，成了开关电源的发展方向。

　　高效率。为了使开关电源轻、小、薄，高频化（开关频率达兆赫级）是必然发展趋势。而高频化又必然使传统的PWM开关（属硬开关）功耗加大，效率降低，噪声也提高了，达不到高频、高效的预期效益，因此实现零电压导通、本电流关断的软开关技术将成为开关电源产品未来的主流。采用软开关技术可使效率达到～%。

　　高可靠。开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍，因此降低了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。追求寿命的延长要从设计方面着眼，而不是从使用方面着想。美国一公司通过降低给温、减少器件的电应力、降低运行电流等措施使其DC／DC开关电源系列产品的可靠性大大提高，产品的MTBF高达00万小时以上。

　　模块化。无论是AC／DC或是DC／DC或是变换器都是朝模块化方向发展。其特点是：可以用模块电源组成分布式电源系统；可以设计成N＋冗余电源系统，从而提高可行性；可以做成插入式，实现热更换，从而在运行中出现故障时能高速更换模块插件；多台模并联可实现大功率电源系统。此外，还可以在电源系统建成后，根据发展需要不断扩充容量。

　　低噪声。开关电源的又一缺点是噪声大，单纯追求高频化，噪声也随之增大，采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以高频化，又可以低噪声。但谐振转换技术也有其难点，如很难准确地控制开关频率、谐振时增大了器件负荷、场效应管的寄生电容易引起短路损耗、元件热应力转向开关管等问题难以解决。

　　抗电磁干扰（EMI）。当开关电源在高频下开关时，其噪声通过电源线产生对其它电子设备的干扰，世界各国已有抗EMI的规范或标准，如美国的FCC、德国的VDE等，研究开发抗EMI的开关电源日益显行生要。

　　高频化，开关电源发展的方向

　　开关电源成为现代电子设备中不可缺少的部分，要实现高效率、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化的发展，高频化是关键技术。要实现开关电源的高频化涉及到开关的损耗和电子兼容性以及材料性能等各方面的技术要求，目前在这些方面生产和应用控制并不是十分成熟。

　　因此对于开关电源的高频化发展，业内存在不同的声音。有的认为开关电源高频化是发展的方向，也有的认为这一说法还需要商榷，更多的则认为开关电源高频化的程度应该根据电源种类而定。本刊记者就此采访了业内相关人士，收集了行业内不同的说法。

　　、肯定 ：开关电源高频化不会受阻

　　康舒电子（东莞）有限公司研发部罗斌认为，高频开关电源尽管目前还存在一些缺陷，但这不能阻碍开关电源高频化发展。

　　高频化是高频开关电源的发展方向并不会因为高频开关电源的“损耗大、材料性能要求高”等相关问题而受到阻碍。相反，这些相关的配套产业应该加快发展，适应开关电源高频化的要求。特别是模块电源的发展要求电路的集成化程度越来越高，电子产品轻、薄、小的发展趋势要求电子元件在体积上必须压缩、小型化。开关电源高频化就是顺应这一发展趋势技术要求，特别是在PC电源、笔记本电脑、通信产品、手机等电子产品开关电源是必不可少的。

　　、慎重 ：开关电源高频化应根据实际而定

　　山东山大华天科技股份有限公司技术部李建明在接受记者采访时说，开关电源高频化不是目的，只是过程。

　　开关电源高频化要求增大相应的电容量，由于高频率转换给元件带来的损耗大，所以要求相关配套的器件生产设计要跟上，例如漆料、隔离技术等。开关电源实现高频化实现了开关电路的零电压，提高了电子产品的使用性能，但高频化只是开关电源技术发展的要求和过程，而不是目的，相关的技术还存在一定的缺陷，不能盲目的追求高频化。

　　目前高频开关电源主要有这样一些缺陷：隔离困难，反应慢，损耗大，抗冲击性差等。另外在我国对于高频开关电源的科研工作大多限于高校，产、学、研脱节比较明显。

　　高频电源的开发应用从上个世纪0年代就已开始，目前我国的生产厂家很多，并且有一定的规模。主要集中在珠三角地区。但进行技术研发的单位主要在南航、清华大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学等部分高校，而国内厂家投入技术研究的基本没有。行业呼吁的“产、学、研一体化”在这一块脱了节。

　　另外高频开关电源的应用还受到成本的制约。

　　高频开关电源主目前主要应用在大功率电器电路中，大部分功率小的或者小型电子产品，还是用硬开关，一方面考虑技术因素，小功率电器没有必要使用高频开关电源，另外在成本上差距也很大。可以提供相等二次电源的开关产品，硬开关价格在—元/个，而应用高频开关电源的软开关价格要0元/个左右。

　　武汉普天通信设备集团有限公司技术中心主任郑晓敏则认为，不能为了高频化而高频化。

　　开关电源高频化是技术手段而不是目的，开关电源高频化的程度应该根据客户的需求来定。“高频化是开关电源的发展方向”和，这个说法还需要商榷，因为频率拔高后电子兼容性能否达到要求，还涉及到材料科学方面，在国内能做到的只有几百K，还没有超过00K的。

　　另外，开关电源高频化采用也应该根据电源种类是否需要来定的，比如在工业控制设备中，对电子元件的体积没有要求，电路设计也不一定要用到开关电源，就没有必要增加开关电源。

　　尽管对开关电源的高频化发展存在不同的观点，但开关电源高频化已是不争的事实和趋势，在目前国内技术尚未达到成熟的水平，发展的过程也会有各种困难。困难一方面是国内企业在技术研发不成熟，另外近年国外企业纷纷到我国沿海地区投资建厂，给我国企业带来了更大的压力。压力和困难是客观所在，但我们也应该看到在竞争中国内企业同样也有自身的优势。

　　罗斌 ：国内企业问题大于优势

　　国内企业最大的优势在于价格。但与国外企业相比主要有两方面的不足，一是设计品质，即产品的可靠性和稳定性与国际水平还有一定差距。这并不是国内设计人员的技术不行，而是思想考虑不周全，同样的设计思路，中国人外国人都可以做到，但最后出来的产品优良率却不一样，有到过国外参观的行业人士大多会感触国外工程师设计和制作的细致精良。

　　另一方面是业务接待能力，即客源关系的维护。在珠三角地区很多台资企业，欧美企业跟这些台资企业关系都比较密切，一方面是由于产品质量，另外一方面是由于台资企业对欧美企业的需求信息掌握比较全面及时，而且提供样品时间较迅速。

　　李建明：开关电源的生产自动化程度还很差

　　开关电源行业的竞争非常激烈。开关电源的应用量不断扩大，国内外生产厂家众多，利润空间稳定，近段时间的原材料价格上涨对开关电源行业造成的影响不大，特边是高频开关电源的金属用料很少。

　　生产自动化程度差。开关电源制造属于人工劳动密集型的产业，大部分生产流程都是人工操作，相对于信息产业中的其他行业生产自动化程度还比较低。

　　与国外企业相比输在工艺。国内开关电源企业在规模和产值方面与国外企业相比水平相当。也掌握了一些独立的技术工艺，但主要是在小型器件产品上。但在大型器件芯片技术上还依靠国外技术，在珠三角地区尽管有大批的台资和日资企业建立了生产线，但主要芯片技术还是外资控制。在未来的竞争中，独立工艺技术是国内企业掌握和扩展市场的关键。

　　在采访中业内人士一直认为价格因素对开关电源的，特别是高频开关电源生产企业的发展起着至关重要的作用。

　　雷兴华（艾默生网络能源有限公司预研部）：价格是开关电源行业一个很重要的因素。

　　价格是国内企业竞争的关键。有行业人士认为，在中国开关电源行业，价格将最终决定企业的生存状态。目前国内企业在产品品质和技术上还不能和国外企业想媲美，但由于中国廉价的劳动力和原材料，中国的产品价格上占有十分大的优势。

　　同时，价格与品质又是一对矛盾体。开关电源行业的市场前景十分广阔，同时竞争也非常激烈，价格战几乎成了企业生存的法宝。价格不断降低的背后必然有产品质量下降的副效应。一个很简单的例子，0年前，买一台进口的彩电，可以用上、年，甚至上0 年都不会有太大的问题，但是现在的彩电，尽管是功能多了，外观漂亮了，但是用到一年两年，各种大小毛病就出来了。企业以价格战为发展策略必须考虑到成本问题，在相同的技术下，降低成本，在材料的选择和技术加工上就会有所节约。在大量消费电子产品投诉案例中，很大一部分产品质量不合格就是由于厂家偷工减料造成的。因此企业在价格生存战中，最终决定企业生死存亡的还是产品质量。

　　国内一些整机企业，例如七喜电脑股份有限公司、上海贝特电子有限公司等，产品应用开关电源都比较多，部分自己生产同时也在市场采购。他们选择的标准主要是从产品的性能需要上考虑选择什么样的开关电源，采购人员表示，在质量测试符合标准后，基本上会选择国内的产品，因为同等质量的产品国外的价格要高出很多。

　　国内企业在如何保持价格优势的同时，提高产品的竞争力？雷兴华认为应该加强与国外合作，提升服务理念。 9

　　国内企业与外资企业相比，普遍存在服务意识不强，不注重客源关系维系的现象。甚至有些小企业过于追求经济效益，而忽略了企业的相关服务，例如产品质量保证和售后服务、企业应该承担的社会责任等。这样的结果最终必然是企业客户投诉越来越多，最后被市场淘汰。这其中的有多方面的原因，有历史发展的积留，有环境的影响。由于长期计划经济的影响，行业缺乏竞争，形成了国内企业中市场意识和服务意识普遍比较淡泊的“中国特色”。另外从业人员职员素质也是一方面。解决这个问题一个有效的办法就是加强国外一些资讯或者培训机构的合作，公司应该定期组织员工进行业务和服务方面的培训，提高服务水平。

　　竞争激烈，前景广阔

　　电盛兰达(Densei-Lambda)日前在北京宣布推出第五代开关电源产品，以满足业界对环保(符合欧盟RoHS指令)、小型化、高效化开关电源产品的需求。会上，Densei-Lambda推出了个系列电源新产品、新机型。包括两款第五代新产品——AC/DC标准开关电源HWS系列和CC-E系列DC/DC转换器；业界首次以U尺寸实现,00W功率的小型大容量CVCC可变电源Genesys系列；以及强调性价比的AC/DC封装型电源SWS系列。

　　开关电源产业除了不断有新产品推出外，产业也正在发生整合，并购频繁发生，Densei-Lambda也涉及其中。00年，C&D Technologies先后收购了Celab、Datel和Celestica电源系统三家公司。00年，TDK宣布以.亿美元收购英国Invensys plc旗下的Lambda电源公司，包括Lambda USA、Lambda Europe、Densei-Lambda KK以及其他几个实体。随后，Densei-Lambda又宣布将Lambda USA和Lambda Europe整合至旗下，Densei-Lambda成为TDK的子公司。不久前，TDK和Densei-Lambda宣布，00年月日以后，电源产品启用统一品牌TDK-Lambda，涵盖AC/DC开关电源、DC/DC转换器、DC/AC逆变器和电源模块等产品，双方将共同进行推广和销售。

　　开关电源行业竞争激烈可见一斑，同时我们也应看到市场的前景同样令人乐观。

　　这几年，随着通信行业的发展，以开关电源技术为核心的通信用开关电源，仅国内就有0多亿人民币的市场需求，吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋，因此，同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动，并将很快发展起来。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现，为了极大发挥各种功率器件的特性，使器件性能对开关电源性能的影响减至最小，新型的电源电路拓扑和新型的控制技术，可使功率开关工作在零电压或零电流状态，从而可大大的提高工作频率，提高开关电源工作效率，设计出性能优良的开关电源。

　　总之，电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代，还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、高效率、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化等的实现，将标志着这些技术的成熟，实现高效率用电和高品质用电相结合。