描述
1.开关电源概述
电源是各种电子设备不可或缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。直流稳压电源和开关电源目前常用。由于开关电源本身能耗低，电源效率是普通线性稳压电源的两倍，广泛应用于电子计算机、通信、家电等行业。对于开关电源的广泛应用，有必要了解其原理，掌握其发展趋势，这将极大地有助于实际工作。开关电源(SwitchModePowerSupply，即SMPS)它被称为高效节能电源，代表着稳压电源的发展方向，已成为稳压电源的主流产品。
随着全球对能源问题的关注，电子产品的能耗问题将越来越突出。如何降低其待机功耗，提高供电效率已成为一个亟待解决的问题。虽然传统的线性稳压电源结构简单，工作可靠，但存在效率低（只有40%-50%）、体积大、铜铁消耗大、工作温度高、调整范围小等缺点。为了提高效率，人们开发了一种开关式稳压电源，效率可达85%以上，稳压范围广。此外，它还具有稳压精度高、不使用电源变压器的特点，是一种理想的稳压电源。正因为如此，开关稳压电源在各种电子设备中得到了广泛的应用。开关电源是通过电路控制开关管进行高速导通和截止，将直流电转化为高频交流电，提供给变压器进行变压，从而产生所需的一组或多组电压。
2.开关电源的基本原理和组成
2.1、基本原理
根据控制原理对开关电源进行分类，大致有三种工作方式：
1)脉冲宽度调制，简称脉冲宽度调制(PulseWidthModulation，缩写为PWM)式。其主要特点是固定开关频率，通过改变脉冲宽度来调到稳压的目的。其核心是脉宽调制器。固定开关周期为滤波电路的设计提供了便利。然而，其缺点是由于功率开关的最小导通时间，输出电压不能进行广泛调整；此外，输出端通常连接假负载（也称为预负载），以防止空载时输出电压升高。目前，大多数集成开关电源使用PWM方式。
图1 两种控制方法调制波形
2)脉冲频率调制方式，简称脉频调制(PulseFrequencyModulation，缩写为PFM)式。其特点是通过改变开关频率来固定脉冲宽度，调整占空比，达到稳压的目的。其核心是脉频调制器。固定脉宽发生器应用于电路设计，而不是脉宽调制器中的锯齿波发生器？例如，压控振荡器VCO)改变频率。其稳压原理是：输出电压时Uo上升时，控制器输出信号的脉冲宽度保持不变，周期变长，使占空比降低，Uo降低。PFM类型开关电源的输出电压调节范围很广，输出端不能连接假负载。PWM方式和PFM如图1所示(a)、(b)所示，tp表示脉冲宽度(即功率开关管的导通时间)tON)，T代表周期。很容易看出两者的区别。但它们也有共同点：
(1)时间比控制(TRC)稳压原理压原理的改变，tp还是T，脉冲占空比是最终调整的。虽然采用的方式不同，但控制目标一致，可谓同途同归。
(2)当负载由轻变重或输入电压由高变低时，输出电压分别通过增加脉宽和频率来稳定。
3)混合调制方法是指脉冲宽度和开关频率不固定，可以相互改变的方法，属于PWM和PFM混合模式。它包括脉宽调制器和脉频调制器。由于与T可以单独调节，因此空间比调节范围最广，适用于实验室输出电压可以广泛调节的开关电源。
上述三种工作方法统称为时间比控制(TimeRatioControl，简称TRC)方式。需要指出的是，脉宽调制器可以用作独立的集成电路(例如UC3842型脉宽调制器也可集成DC/DC变换器(例如LM2576型开关稳压器集成电路也可集成AC/DC变换器(例如TOP250型单片开关电源集成电路)。其中，开关稳压器属于DC/DC电源变换器，开关电源一般AC/DC电源变换器。
2.2.开关电源的组成
开关电源的典型结构如图2所示。其工作原理是：市政电源首先通过整流和滤波器转换为高压直流电源，然后通过开关电路和高频开关变压器转换为高频低压脉冲，然后通过整流和滤波电路最终输出低压直流电源。同时，通过控制，将输出部分的电路反馈给控制电路PWM实现输出电压稳定的空比。
图2 典型的开关电源结构
开关电源由以下四部分组成：
1)主电路:从交流电网输入到直流输出的主电路。主要包括输入滤波器、整流滤波器、逆变器、输出整流滤波器。
(1)输入滤波器:其功能是过滤电网中的杂波，阻碍机器产生的杂波反馈给公共电网。
(2)整流和滤波:将电网交流电源直接整流为更平稳的直流电源，供下一级变换。
(3)逆变:将整流后的直流电转化为高频交流电，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)输出整流和滤波:根据负载需要提供稳定可靠的直流电源。
2)控制电路：一方面从输出端取样，与设定标准进行比较，然后控制逆变器，改变其频率或脉冲宽度，实现输出稳定性。另一方面，根据测试电路提供的数据，通过保护电路识别，提供各种保护措施。包括输出端取样电路、反馈电路和脉冲宽度调节器。
3)检测保护电路:检测电路有过电流检测、过电压检测、欠电压检测、过热检测等。保护电路可分为过电流保护、过电压保护、欠电压保护、夹位保护、过热保护、自动重启、软启动、缓启动等。
4)其他电路：如锯齿波发生器、偏置电路、光耦合器等。
3.开关电源的发展趋势
开关电源的效率远高于线性电源。这节省了能源，因此受到人们的青睐。但也有电路复杂、维护困难、污染严重的缺点。电源噪声大，不适用于一些低噪声电路。开关电源的技术追求和发展趋势可概括为以下五个方面：
1)小型化、薄型化、轻量化、高频化。
2)高可靠性。
3)低噪声。
4)采用计算机辅助设计和控制。
5)低输出电压技术。
开关电源的发展一直与半导体器件和磁性元件的发展密切相关。高频的实现需要相应的高速半导体器件和性能优异的高频电磁元件。发展电力MOSFET、IGBT开发高频低损磁性材料，改进磁元件的结构和设计方法，提高滤波电容的介电常数，降低其等效串联电阻，对开关电源的小型化起到了很大的推动作用。
4、结论
目前，开关电源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电子设备，是当今电子信息产业快速发展不可或缺的电源模式；对开关电源提出小型轻量级要求，开关电源效率高、性能好、可靠性高。
电力电子技术的不断创新，使开关电力产业具有广阔的发展前景。为了加快我国开关电力产业的发展，必须走技术创新之路，走出具有中国特色的产业、大学、研究联合发展之路，为我国国民经济的快速发展做出贡献。
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