【正文】 與使用過程中的一些體會，即如何選用 設計所需元件 ，實現(xiàn)開關電源功能過程中的幾點注意及使用開關電源中的注意事項，并通過實例進行說明。 關 鍵 字 開關電源 ， 自激振蕩，穩(wěn)壓 Summary The power supply is the foundation of the electric circuit switch power supply should be considered the cost, solution, size,value ,power and so on in the design. This article mainly introduces the experience of the design and use of the switch power supply, that is how to choose the ponent that design need, and attentions we should pay to the use and the realization of the functions of the switch power supply,and then it is explained through an example. Keyword switch power supply， autoexcitation,regulators XX 學院畢業(yè)論文 第 4 頁 共 43 頁 第 1 章 緒 論 隨著全球?qū)δ茉磫栴}的重視，電子產(chǎn)品的耗能問題將愈來愈突出，如何降低其待機功耗，提高供電效率成為一個急待解決的問題。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源雖然電路結(jié)構簡單、工作可靠，但它存在著效率低（只有 40%－ 50%）、體積大、銅鐵消耗量大，工作溫度高及調(diào)整范圍小等缺點。為了提高效率，人們研制出了開關式穩(wěn)壓電源，它的效率可達 85%以上，穩(wěn)壓范圍寬，除此之外，還具有穩(wěn)壓精度高、不使用電源變壓器等特點，是一種較理想的穩(wěn)壓電源。正因為如此，開關式穩(wěn)壓電源已廣泛應用 于各種電子設備中 。 開關電源的發(fā)展歷史 開關穩(wěn)壓電源（以下簡稱開關電源）取代晶體管線性穩(wěn)壓電源（以下簡稱線性電源）已有 30 多年歷史，最早出現(xiàn)的是串聯(lián)型開關電源，其主電路拓撲與線性電源相仿，但功率晶體管 工 作于開關狀態(tài)后 ， 脈寬調(diào)制（ PWM）控制技術有了發(fā)展，用以控制開關變換器，得到 PWM 開關電源，它的特點是用 20kHz 脈沖頻率或脈沖寬度調(diào)制 — PWM 開關電源效率可達 65～ 70％，而線性電源的效率只有 30～ 40％。在發(fā)生世界性能源危機的年代，引起了人們的廣泛關往。線性電源工作于工頻，因此用工作頻率為 20kHZ的 PWM 開關電源替代，可大幅度節(jié)約能源，在電源技術發(fā)展史上譽為 20kHZ 革命。 隨著 ULSI 芯片尺寸不斷減小，電源的尺寸與微處理器相比要大得多；航天，潛艇，軍用開關電源以及用電池的便攜式電子設備（如手提計算機，移動電話等）更需要小型化，XX 學院畢業(yè)論文 第 5 頁 共 43 頁 輕量化的電源。因此對開關電源提出了小型輕量要求，包括磁性元件和電容的體積重量要小。此外要求開關電源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。 我國開關電源歷程 從我國開關電源的發(fā)展過程可以了解國際開關電源發(fā)展的一個側(cè)面，雖然一般說來，我國技術發(fā)展水平與國際先進水平平均有 5～ 10年差距。 70年代起，我 國 在黑白電視機，中小型計算機中開始應用 5V， 20200A， 20kHZ AC－ DC 開關電源。 80 年代進入大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛應用階段，并開發(fā)研究 ～ 5MHz 準諧振型軟開關電源。 80年代中，我國通信（如程 控 交換機）電源在 AC－ DC及 DC－ DC 開關電源應用領域中所 占 比重還比較低。 80 年代末我國通信電源大規(guī)模更新?lián)Q代，傳統(tǒng)的鐵磁穩(wěn)壓 整流電源和晶閘管 被相控穩(wěn)壓電源為大功率（ 48V， 6kw） AC－ DC 開關電源（通信系統(tǒng)中常稱為開關型整流器 SMR）所 取 代；并開始在辦公自動化設備中得到 應用。工業(yè)應用方面，在鍋爐火焰控制，繼電保護，激光，彩色 TV，離子管燈絲發(fā)射電流調(diào)節(jié)，離子注射機，鹵鎢燈控制等系統(tǒng)中均有應用。 90年代我國又研制開發(fā)了一批新型專用 開 關電源 ， 典型例子如下： 。東方紅三號通信衛(wèi)星、風云一號、二號氣象衛(wèi)星均應用了開關電源。特點是：多路輸出，不可維修性，要求長期不改變性能，設置冗余模塊，可靠性高，EMC 滿足空間環(huán)境條件，高效，輕小。 DC－ DC開關電源，要求發(fā)射過程中高度可靠。 3. 1000kW 牽引變流器 4500V／ 1200A GTO 門控 250W 開關電源。 4. 40kW 固體脈沖激光器的軟開關電源。用 4 臺 10kw 全橋多諧振 ZVS 變換器并聯(lián)。 5.XX 學院畢業(yè)論文 第 6 頁 共 43 頁 焊機用雙 IGBT 管正激車電壓轉(zhuǎn)換 — 脈 寬 調(diào)制（ ZVT－ PWM）軟開關電源。輸出 20kW， 500A，開關頻率 40kHZ，效率 92％。特點是負載大范圍變化頻繁，工作環(huán)境惡劣。要求電源沖擊電流小，動態(tài)特性好，負載 不 影響軟開關性質(zhì)。 源。供繼電保護和自動裝置及蓄電池充電用。代替晶閘管調(diào)壓系統(tǒng)，輸出 10A， 180～ 286V。主開關管用 IGBT 或功率 MOSFET。 7.單相和三相高功 率因數(shù)整流器（有源功率 因 數(shù)校正器）。可以看出 20～ 30 年中，我國開關電源的應用領域和技術性能有很大進展，這與 國 家基礎工業(yè)和國力增強有密切關系，也和國際先進開關電源技術影響有關。充分顯示了中國電源技術人員的聰明才智和艱苦奮斗的創(chuàng)業(yè)精神。 90 年代，中小型（ 500W 以下） AC－ DC和 DCDC開關電源的特點是：高頻化（開關頻率達 300－ 400kHZ）以達到高功率密度，體小量輕；力求高效和高可靠；低成本；低輸出電壓（ ≤3V ） ； AC 輸入端高功率 因 數(shù)等。在今后 5 年內(nèi)仍然將沿這些方向發(fā)展。 主要技術標志 從技術上看，幾 十年來推動開關電源性能和技術水平不斷提高的 主 要標志是： 器件的開發(fā)使實現(xiàn)開關電源高頻化有了可能。 如功率 MOSFET 和IGBT 已完全可代替功率晶體管和晶閘管，從而使中小型開關電源下作頻率可達到 400kHZ（ AC－ DC）和 1MHZ（ DCDC）的水平。超快恢復功率二極管， MOSFE 同 步整流技術的開發(fā)也為高效低電壓輸出（例如 3V）開關電源的研制有了可能。現(xiàn)正在探索研制耐高溫的高性能碳化磚功率 的 導體器件。 關變換器的實現(xiàn)有了可能。 PWM 開關電源按硬開關模式工作（ 開／關過程中電壓 下 降／上升和電流上升／下降波形有交疊），因而開關損耗大。開關電源高頻化可以縮小體積重量，但開關損耗XX 學院畢業(yè)論文 第 7 頁 共 43 頁 卻更大了（功耗與頻率成正比）。為此必須研究開關電比／電流波形 的 交更的技術，即所謂零電壓（ ZVS）／本電流（ ZCS）開關技術，或稱軟開關技術（相對于 PWM 硬開關技術而言），小功率軟開關電源效率可提高到 80～ 85％。 70 年代 諧振 開關電源奠定了軟開關技術的基礎。以后新的軟開關技術不斷涌現(xiàn)，如準諧振（ 80年代中）全橋移相 ZVS－ PWM，恒頻 ZVS－ PWM／ ZCS－ PWM（ 80年代末） ZVS － PWM 有 源鉗位； ZVT－ PWM／ ZCTPWM（ 90年代初）全橋移相 ZV－ ZCS－ PWM（ 90 年代中）等。我國已將最新軟開關技術應用于 6KW通信電源中，效率達 93%。 。如電流型控制及多環(huán)控制，電荷控制，一周期控制，功率因數(shù)控制， DSP 控制；及相應專用集成控制芯片的研制成功等，使開關電源動態(tài)性能有很大提高，電路也大幅度簡化。 因 校正技術（ APFC）的開發(fā)，提高了 AC－ DC 開關電源功率因數(shù)。 由于輸入端有整流 —— 電容 元件， AC－ DC 開關電源及一大類整流電源供電的電子設備（如逆變器， UPS）等的電網(wǎng)測功率 因 數(shù)僅為 ，80 年代用 APFC 技術后可提高到 ～ ，既治理了電網(wǎng)的諧波 “ 污染 ” ，又提高了開關電源的整體效率。單相 APFC 是 DC －DC 開關變換器拓撲和功率因數(shù)控制技術的具體應用，而三相 APFC則是三相 PWM 整流開關拓撲和控制技術的結(jié)合。 磁材料和新型變壓器的開發(fā)。 如集成磁路，平面型 磁芯 ，超薄型（ Low profile）變壓器；以及新型變壓器如壓電式，無磁 芯 印制電路（ PCB）變壓器等，使開關電源的尺寸重量都可減少許多。 6.新型電容器和 EMI 濾波器技 術的進步，使開關電源小型化并提高了 EMC 性能。 用，提高了電源系統(tǒng)的可靠性。 90年代末又提出了新型開關電源XX 學院畢業(yè)論文 第 8 頁 共 43 頁 的研制開發(fā)，這也是新世紀開關電源的發(fā)展遠景。如：用一級 AC－ DC 開關變換器實現(xiàn)穩(wěn)壓或穩(wěn)流，并具有功率因數(shù)校正功能，稱為單管單級或 4S 高功率因數(shù) AC－ DC 開關變換器；輸出 1V， 50A的低電壓大電流 DC－ DC 變換器，又稱電壓調(diào)節(jié)模塊 VRM，以適應下一代超快速微處理器供電的需求；多通道（ Multi－ Channel 或Multi－ Phase） DC－ DC 開關變換器； 網(wǎng)絡服務器（ Server）的開關電源可攜帶式電子設備的高頻開關電源等。 開關電源技術發(fā)展動向 1. 小型、薄型、輕量化 由于電源輕、小、薄的關鍵使高頻化，因此，國外目前都在致力于同步開發(fā)新型元器件，特別使改善二次整流管的損耗、變壓器及電容小型化，并同時采用表面安裝（ SMT）技術在電路板兩面布置元器件以確保開關電源的輕、小、薄。 2. 高效率 開關電源高頻化使傳統(tǒng)的 PWM 開關（硬開關）功耗加大，效率降低，噪聲也增大了，達不到高頻、高效的預期效益，因此，實現(xiàn)零電壓導通、零電流關斷的軟開關技術將成為開關電源未來的主流。 采用軟開關技術可以使效率達到 85％～ 88％。 3. 高可靠性 可用模塊電源使用的元器件比線性工作電源多數(shù)十倍，因此，降低了可靠性。追求壽命的延長要從設計方面著手，而不是從使用方面著想。 4. 模塊化 XX 學院畢業(yè)論文 第 9 頁 共 43 頁 可用模塊電源組成分布式電源系統(tǒng)；可以設計成 N+1 余電源系統(tǒng)，從而提高可靠性；可以做成插入式，實現(xiàn)熱交換，從而在運行中出現(xiàn)故障時能快速更換模塊插件；多臺模塊并聯(lián)可實現(xiàn)大功率電源系統(tǒng)。此外，還可以在電源系統(tǒng)建成后，根據(jù)發(fā)展需要不斷擴大容量。 5. 低噪聲 開關電源又一缺點時噪聲大，單純追求電源高頻化，噪聲也隨之增大。采用部分諧振變換 技術，在原理上說明可以高頻化，又可以低噪聲。但諧振變換技術也有其難點，如果難準確地控制開關頻率、諧振時增大了 元器件負荷、場效應管的寄生電容易引起短路損耗元器件熱應力轉(zhuǎn)向開關管等問題難以解決。 6. 抗電磁干擾（ EMI） 當開關電源在高頻下工作時，其噪聲通過電源線產(chǎn)生對其他電子設備干擾，世界各國已有抗 EMI 的規(guī)范或標準。 7. 電源系統(tǒng)的管理和控制 應用微處理器或微機集中控制和管理，可以及時反映開關電源環(huán)境的各種變化。中央處理單元實現(xiàn)智能控制，可自動診斷故障，減少維護工作量，確保正常運行。 8. 計算機輔助設計（ CAD） 利用計算機對開關電源進行 CAD 設計和模擬試驗，十分有效，是最為快速經(jīng)濟的設計方法。 9. 產(chǎn)品更新加快 目前開關電源產(chǎn)品要求輸入電壓通用（使用世界各國電網(wǎng)電XX 學院畢業(yè)論文 第 10 頁 共 43 頁 壓規(guī)模），輸出電壓范圍擴大（入計算機和工作站需要增加 這一擋電壓，程控需要增加直流 1