1、 1 毕业论文 文献综述 电气工程及自动化 开关电源研究 综述 摘要： 文章对 开关电源 做了较为全面的介绍。概括了 开关电源 的背景知识，定义，应用以及较为详细的分类情况。然后对 开关电源 的分类以及发展的走势进行了展望。 关键词： 开关电源 控制电路 电路设计 1.引言 随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。电子设备的小型化和低成本使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。在近半个多世纪的发 展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性
2、能稳定等优点而取代传统技术设计制造的连续工作的线性电源，并广泛应用于电子、电气设备中。 20 世纪 80 年代，计算机全面实现了开关电源化，率先完成了计算机的电源换代。 20 世纪 90 年代，开关电源在电子、电气设备以及家电领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入快速发展期。 1 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（ PWM）控制 IC 和 MOSFET 构成。 4开关电源的工作过程相当 容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线形电源不同的是， PWM 开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状
3、态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏 -安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小 ） 功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。 2-3 与线性电源相比， PWM 开关电源更为效的工作过程是通过 “斩波 ”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升 高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压组数。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。 8 开关电源可分为 AC/DC 和 DC/DC 两大类，也有 AC/AC DC/A
4、C 如逆变器 DC/DC 变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但 AC/DC 的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。 2.开关电源的分类 2 2.1 DC/DC类开关电源 DC/DC变换 器是开关电 源的核心部分，它是一种控制开关 S通 /断时间的比例，用电抗器与电容器蓄积能量的元件。对断续的波形进行平滑处理，从而更有效地调整功率流的电路。按输入输出的隔离方式有隔离方式与非隔离方式；按开关的控制方式有自励式与它励式，以及脉宽调制、脉频调制与幅度调制等多种方式
5、。 7DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。 斩波器 的工作方式有两种，一是脉宽调制方式 T不变，改变频率 F的调制方式 (通用 )，二是频率 F不变而改变脉宽 T的 调制方式 （ 易产生干扰）。其具体的电路由以下几类： Buck电 路 降压斩波器、其输出平均电压 U0小于输入电压 UD，极性相同。 Boost对电路 升压斩波器，其输出平均电压 U0大于输入电压 UD，极性相同。 Buck Boost电路 降压或升压斩波器，其输出平均电压 U0大于或小于输入电压 UD，极性相反，电感传输。 Cuk电路 降压或升压斩波器，其输出平均电压 U0大于或小于输入电压 U
6、D，极性相反，电容传输。 5 当今软开关技术使得 DC/DC发生了质的飞跃，美国 VICOR公司设计制造的多种 ECI软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有 300W、 600W、 800W等，相应的功率密度为 (6.2、 10、 17)W/cm3，效率为（ 80 90）。日本 Nemic Lambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频 RM系列 开关电源模块 ，其开关频率为 200 300kHz，功率密度已达到 27W/cm3，采用 同步整流器 （ MOSFET代替肖特基二极管 ），使整个电路效率提高到 90。 3 2.2 AC/DC类开关电源 AC/DC变换是将交流变换为直流，其功率
7、流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为 “整流 ”，功率 电 流由负载 传输 返回电源的称为 “有源逆变 ”。 AC/DC变换器输入为 50/60Hz的交流电，必须经整流、滤波，因此体积相对较大的 滤波电解电容器 是必不可少的 。 同时因遇到安全 问题 （如 UL、 CCEE等）及 EMC指令的限制（如 IEC、 FCC、 CSA），交流输入侧必须加 EMC滤波 器 及使用符合安全标准的元件，这样就限制 了 AC/DC电源体积的小型化 。 另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求 。 由于同样的原因，高电压、大
8、电流开关使得电源工作损耗增大，限制了 AC/DC变换器模块化的进程 。 因此必须 采用电源统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。 3.结论 3 开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密 度 下获得高的磁性 能， 而电容器的小型化也是一项关键技术。 SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄。开关电源的高频化就必然
9、对传 统的 PWM 开关技术进行创新，实现 ZVS、 ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统，并实现并联方式的容量扩展。针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大，而采用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需 在这一领域开展大量的工作，以使得该项技术得以实用化。 开关电源正在走向大
10、众化，微型化。开关电源将逐步取代变压器在生活中的所有应用，低功率微型开关电源的应用要首先体现在，数显表、智能电表、手机充电器等方面。现阶段国家在大力推广智能电网建设，对电能表的要求大幅提高，开关电源将逐步取代变压器在电能表上面的应用。 电力电子技术的不断创新，使开关电源产业有着广阔的发展前景。要加快我国开关电源产业的发展速度，就必须走技术创新之路，走出有中国特色的产学研联合发展之路，为我国国民经济 的高速发展做出贡献。 参 考文献 1 周志敏，周纪海，纪爱华 .开关电源实用技术：设计与应用（第二版） M.北京 :人民邮电出版社，2007， 8. 2 周志敏，周纪海等 . 现代开关电源控制电路及
11、应用 M. 北京： 人民邮电出版社 ， 2005， 5. 3 张占松，蔡宣三 .开关电源的原理与设计（修订版） M.北京：电子工业出版社， 2004， 9. 4 周志敏，周纪海，纪爱华 .开关电源功率因数校正电路设计与应用 M.北京 ： 人民邮电出版社 ，2004， 11. 5 刘贤兴 ， 李众，李捷辉等 .新型智能开关电源技术 M.北京 ： 机械工 业出版社 ， 2003， 8. 6 张占松 ， 蔡宣三 . 开关电源的原理与设计 M. 北京：电子工业出版社， 2001. 7 李爱文 . 现代通信基础开关电源的原理和设计 M.北京 ： 科学出版社， 2001， 5. 4 8 常敏慧 .开关电源
12、应用、设计与维修 M.上海：科技文献出版社 ， 2001， 3. 9 常敏慧，王英剑 .新型开关电源实用技术 M.北京：电子工业出版社， 1999， 4. 10 沙占友，王彦朋，马洪涛，李玮 .开关电源的设计与应用系列书 开关电源优化设计 M.北京：中国电力出版社， 1995， 9. 11 阮绵晖，张依群 .开关电源在直流系统中的应用 J.云南电力技术， 2002， (2) . 12 农兵，开关电源 ABCJ.实用影音技术， 2002， (9). 13 Thanh T.Tran， Power Supply Design ConsiderationsM. California: University of California Press， 2007， 5. 14 Ai-wen Qu,Dong-fang Cheng,Xu Feng,Simulation realization of skip cycle mode ingrated control circuit in the switching power supply with low standby lossM.shanghai:Journal of Shanghai University,2006,10.
