開關(guān)電源的分類及應(yīng)用
摘要：根據(jù)開關(guān)電源的發(fā)展及分類，對(duì)DC/DC、AC/AC變化器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和特性做以闡述，結(jié)合國(guó)內(nèi)外開關(guān)電源的兩大類變換器新技術(shù)的動(dòng)向做以探討，并敘述了開關(guān)電源的選擇。
關(guān)鍵詞：開關(guān)電源 技術(shù)動(dòng)向 應(yīng)用選型
Classification and Application of SMPS
Abstract: According to the development and classification of SMPS
the topologic construction and
characteristic of DC/DC and AC/DC converters is explained, the
developmental
tendency and application of above-mentioned converters is also
discussed.
Keywords: SMPS, Technical tendency, Applied selection
1 引言
隨著電力電子技術(shù)的告訴發(fā)展，電力電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，而電子設(shè)備都離不開可靠的電源，進(jìn)入80年代計(jì)算機(jī)電源全面實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源化，率先完成計(jì)算機(jī)的電源換代，進(jìn)入90年代開關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，程控交換機(jī)、通訊、電子檢測(cè)設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開關(guān)電源，更促進(jìn)了開關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展。開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長(zhǎng)，但二者增長(zhǎng)速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開關(guān)電源，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動(dòng)，這為開關(guān)電源提供了廣泛的發(fā)展空間。
開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關(guān)電源小型化，并使開關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。
2 開關(guān)電源的分類
人們的開關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域是邊開發(fā)相關(guān)電力電子器件，邊開發(fā)開關(guān)變頻技術(shù)，兩者相互促進(jìn)推動(dòng)著開關(guān)電源每年以超過兩位數(shù)字的增長(zhǎng)率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開關(guān)電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類，DC/DC變換器現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)模塊化，且設(shè)計(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國(guó)內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，并已得到用戶的認(rèn)可，但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進(jìn)程中，遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問題。以下分別對(duì)兩類開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)和特性作以闡述。
2.1 DC/DC變換
DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調(diào)制方式Ts不變，改變ton（通用），二是頻率調(diào)制方式，ton不變，改變Ts（易產(chǎn)生干擾）。其具體的電路由以下幾類：
（1） Buck電路——降壓斬波器，其輸出平均電壓Uo小于輸入電壓Ui，極性相同。
（2） Boost電路——升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo大于輸入電壓Ui，極性相同。
（3） Buck-Boost電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電感傳輸。
（4） Cuk電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo 大于或小于輸入電壓UI,
極性相反，電容傳輸。
當(dāng)今軟開關(guān)技術(shù)使得DC/DC發(fā)生了質(zhì)的飛躍，美國(guó)VICOR公司設(shè)計(jì)制造的多種ECI軟開關(guān)DC/DC變換器，其最大輸出功率有300W、600W、800W等，相應(yīng)的功率密度為（6、2、10、17）W/cm3，效率為（80-90）%。***NemicLambda公司最新推出的一種采用軟開關(guān)技術(shù)的高頻開關(guān)電源模塊RM系列，其開關(guān)頻率為（200~300）kHz，功率密度已達(dá)到27
W/cm3，采用同步整流器（MOS-FET代替肖特基二極管），是整個(gè)電路效率提高到90%。
2.2 AC/DC變換
AC/DC變換是將交流變換為直流，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負(fù)載的稱為“整流”，功率流由負(fù)載返回電源的稱為“有源逆變”。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電，因必須經(jīng)整流、濾波，因此體積相對(duì)較大的濾波電容器是必不可少的，同時(shí)因遇到安全標(biāo)準(zhǔn)（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、FCC、CSA），交流輸入側(cè)必須加EMC濾波及使用符合安全標(biāo)準(zhǔn)的元件，這樣就限制AC/DC電源體積的小型化，另外，由于內(nèi)部的高頻、高壓、大電流開關(guān)動(dòng)作，使得解決EMC電磁兼容問題難度加大，也就對(duì)內(nèi)部高密度安裝電路設(shè)計(jì)提出了很高的要求，由于同樣的原因，高電壓、大電流開關(guān)使得電源工作消耗增大，限制了AC/DC變換器模塊化的進(jìn)程，因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法才能使其工作效率達(dá)到一定的滿意程度。
AC/DC變換按電路的接線方式可分為，半波電路、全波電路。按電源相數(shù)可分為，單項(xiàng)、三相、多相。按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。
3 開關(guān)電源的選用
開關(guān)電源在輸入抗干擾性能上，由于其自身電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（多級(jí)串聯(lián)），一般的輸入干擾如浪涌電壓很難通過，在輸出電壓穩(wěn)定度這一技術(shù)指標(biāo)上與線性電源相比具有較大的優(yōu)勢(shì)，其輸出電壓穩(wěn)定度可達(dá)（0.5~1）%。開關(guān)電源模塊作為一種電力電子集成器件，在選用中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
3.1 輸出電流的選擇
因開關(guān)電源工作效率高，一般可達(dá)到80%以上，故在其輸出電流的選擇上，應(yīng)準(zhǔn)確測(cè)量或計(jì)算用電設(shè)備的最大吸收電流，以使被選用的開關(guān)電源具有高的性能價(jià)格比，通常輸出計(jì)算公式為：
Is=KIf
式中：Is—開關(guān)電源的額定輸出電流；
If—用電設(shè)備的最大吸收電流；
K—裕量系數(shù)，一般取1.5~1.8；
3.2 接地
開關(guān)電源比線性電源會(huì)產(chǎn)生更多的干擾，對(duì)共模干擾敏感的用電設(shè)備，應(yīng)采取接地和屏蔽措施，按ICE1000．EN61000．FCC等EMC限制，形狀開關(guān)電源均采取EMC電磁兼容措施，因此開關(guān)電源一般應(yīng)帶有EMC電磁兼容濾波器。如利德華福技術(shù)的HA系列開關(guān)電源，將其FG端子接大地或接用戶機(jī)殼，方能滿足上述電磁兼容的要求。
3.3 保護(hù)電路
開關(guān)電源在設(shè)計(jì)中必須具有過流、過熱、短路等保護(hù)功能，故在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首選保護(hù)功能齊備的開關(guān)電源模塊，并且其保護(hù)電路的技術(shù)參數(shù)應(yīng)與用電設(shè)備的工作特性相匹配，以避免損壞用電設(shè)備或開關(guān)電源。
4 開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向
開關(guān)電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。由于開關(guān)電源輕、小、薄的關(guān)鍵技術(shù)是高頻化，因此國(guó)外各大開關(guān)電源制造商都致力于同步開發(fā)新型高智能化的元器件，特別是改善二次整流器件的損耗，并在功率鐵氧體（Mn-Zn）材料上加大科技創(chuàng)新，以提高在高頻率和較大磁通密度（Bs）下獲得高的磁性能，而電容器的小型化也是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。SMT技術(shù)的應(yīng)用使得開關(guān)電源取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，在電路板兩面布置元器件，以確保開關(guān)電源的輕、小、薄。開關(guān)電源的高頻化就必然對(duì)傳統(tǒng)的PWM開關(guān)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)ZVS、ZCS的軟開關(guān)技術(shù)已成為開關(guān)電源的主流技術(shù)，并大幅提高了開關(guān)電源工作效率。對(duì)于高可靠性指標(biāo)，美國(guó)的開關(guān)電源生產(chǎn)商通過降低運(yùn)行電流，降低結(jié)溫等措施以減少器件的應(yīng)力，使得產(chǎn)品的的可靠性大大提高。
模塊化是開關(guān)電源發(fā)展的總體趨勢(shì)，可以采用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng)，可以設(shè)計(jì)成N＋1冗余電源系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)并聯(lián)方式的容量擴(kuò)展。針對(duì)開關(guān)電源運(yùn)行噪聲大這一缺點(diǎn)，若單獨(dú)追求高頻化其噪聲也必將隨著增大，而采用部分諧振轉(zhuǎn)換電路技術(shù)，在理論上即可實(shí)現(xiàn)高頻化又可降低噪聲，但部分諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用仍存在著技術(shù)問題，故仍需在這一領(lǐng)域開展大量的工作，以使得該項(xiàng)技術(shù)得以實(shí)用化。
電力電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新，使開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。要加快我國(guó)開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度，就必須走技術(shù)創(chuàng)新之路，走出有中國(guó)特色的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合發(fā)展之路，為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展做出貢獻(xiàn)。 為了彌補(bǔ)線性電源的很多不足，目前主流顯卡往往都匹配了開關(guān)電源模塊。開關(guān)電源模塊具有效率高（可達(dá)90％以上），發(fā)熱量小（或基本上不發(fā)熱）的特點(diǎn)，但造價(jià)也相對(duì)于線性電源高了許多。
開關(guān)電源理論上可分為升壓工作方式（Step-up）和降壓工作方式（Step-down）兩大類，前者主要用于一些手持式設(shè)備，如隨身聽、MP3等，我們知道兩節(jié)普通電池的端電壓最高只有3.0V，若是兩節(jié)鎳氫（NiH）或鎳鎘(Ni-Cd)充電電池則端電壓最高只有2.4V，而手持設(shè)備的系統(tǒng)工作電壓通常是3.3V，于是就需要使用升壓工作方式的開關(guān)電源模塊。
近年來隨著可充電鋰離子電池價(jià)格的迅速下降，其以優(yōu)異的能量密度比逐步取代了普通電池及鎳氫等充電電池，鋰離子電池的工作電壓范圍是3.6V～4.2V，于是又需要使用降壓工作方式的開關(guān)電源模塊。
出于電腦主機(jī)實(shí)際供電情況考慮，顯卡的開關(guān)電源模塊通常均是降壓的工作方式。開關(guān)電源的核心是一個(gè)直流轉(zhuǎn)直流的芯片（英文名是DC/DC），也有的公司命名為PWM（Plus Width Modulator脈沖寬度調(diào)制器），再外接兩只場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET），及一只肖特基二極管、一只電感、數(shù)只Low ESR電容等組成的濾波回路構(gòu)成。
開關(guān)電源的基本工作原理是：PWM芯片產(chǎn)生一個(gè)寬度可調(diào)的脈沖波形，使得Q1、Q2兩只MOS管輪流導(dǎo)通。當(dāng)負(fù)載兩端的電壓Vout需要降低時(shí)，MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管Q2導(dǎo)通，MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管Q1截止，外部電源供電斷開，電感釋放出能量，這時(shí)的電感就變成了電源繼續(xù)對(duì)負(fù)載供電。
隨著電感上存儲(chǔ)能量的消耗，負(fù)載兩端的電壓開始逐漸降低；當(dāng)負(fù)載兩端的電壓Vout需要升高時(shí)，MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管Q1導(dǎo)通，MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管Q2截止，外部電源通過MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管Q1對(duì)電感進(jìn)行充電并達(dá)到所需的電壓值。
以此類推，在不斷地充電和放電的過程中就行成了一種穩(wěn)定的電壓，使負(fù)載兩端的電壓Vout穩(wěn)定在預(yù)先設(shè)定的值，這個(gè)理想的電壓值是由2只外接電阻的阻值之比來確定的，并可由一個(gè)理論的公式來進(jìn)行計(jì)算。
此外，由于MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通時(shí)的內(nèi)阻和截止時(shí)的漏電流都較小，所以自身耗電量很小，避免了線性電源串接在電路中的電阻部分消耗大量能量的問題。
由于此類電源模塊總是有2只MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管工作在開關(guān)狀態(tài)下輪流導(dǎo)通，開關(guān)電源的名字也由此而來。
無論是集成穩(wěn)壓器，PWM，還是MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管，它們的實(shí)物外觀上看去都差不多，看起來都是集成電路，那么如何區(qū)分線性電源模塊與開關(guān)電源模塊呢？這里告訴大家一個(gè)簡(jiǎn)單的方法，即看板子上是否有那只大大的功率電感（有的板子還不止一只），若有，則毫無疑問，肯定是開關(guān)電源，若無則是線性電源。
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