開關電源的基本原理及發展趨勢分析

　　1、開關電源概述

　　電源是各種電子設備不可或缺的組成部分，其性能優劣直接關系到電子設備的技術指標及能否安全可靠地工作。目前常用的直流穩壓電源和開關電源兩大類。由于開關電源本身消耗的能量低，電源效率比普通線性穩壓電源提高一倍，被廣泛用于電子計算機、通訊、家電等各個行業。對于開關電源的廣泛應用，有必要對其原理進行了解、對其發展趨勢有所掌握，對現實工作將有極大幫助。開關電源（SwitchModePowerSupply，即SMPS）被譽為高效節能型電源，它代表著穩壓電源的發展方向，現已成穩壓電源的主流產品。

　　隨著全球對能源問題的重視，電子產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。傳統的線性穩壓電源雖然電路結構簡單、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，工作溫度高及調整范圍小等缺點。為了提高效率，人們研制出了開關式穩壓電源，它的效率可達85%以上，穩壓范圍寬，除此之外，還具有穩壓精度高、不使用電源變壓器等特點，是一種較理想的穩壓電源。正因為如此，開關式穩壓電源已廣泛應用于各種電子設備中，開關電源就是用通過電路控制開關管進行高速的導通與截止，將直流電轉化為高頻率的交流電提供給變壓器進行變壓，從而產生所需要的一組或多組電壓。

　　2、開關電源的基本原理和組成

　　2.1、基本原理

　　開關電源按控制原理來分類，大致有以下3種工作方式：

　　1）脈沖寬度調制式，簡稱脈寬調制（PulseWidthModulation，縮寫為PWM）式。其主要特點是固定開關頻率，通過改變脈沖寬度來調節占空比，實現穩壓目的。其核心是脈寬調制器。開關周期的固定為設計濾波電路提供了方便。但是，它的缺點是受功率開關最小導通時間的限制，對輸出電壓不能作寬范圍調節；此外，輸出端一般要接假負載（亦稱預負載），以防止空載時輸出電壓升高。目前，大多數的集成開關電源采用PWM方式。

　　圖1 ?兩種控制方式的調制波形

　　2）脈沖頻率調制方式，簡稱脈頻調制（PulseFrequencyModulation，縮寫為PFM）式。其特點是將脈沖寬度固定，通過改變開關頻率來調節占空比，實現穩壓的目的。其核心是脈頻調制器。在電路設計上要用固定脈寬發生器來代替脈寬調制器中的鋸齒波發生器，并利用電壓？頻率轉換器（例如壓控振蕩器VCO）改變頻率。它的穩壓原理是：當輸出電壓Uo升高時，控制器輸出信號的脈沖寬度不變而周期變長，使占空比減小，Uo降低。PFM式開關電源的輸出電壓調節范圍很寬，輸出端可不接假負載。PWM方式和PFM方式的調制波形分別如圖1（a）、（b）所示，tp表示脈沖寬度（即功率開關管的導通時間tON），T代表周期。從中可以比較容易的看出兩者的區別。但它們也有共同之處：

　?。?）均采用時間比率控制（TRC）的穩壓原理，無論是改變tp還是T，最終調節的都是脈沖占空比。盡管采用的方式不同，但控制目標一致，可謂殊途同歸。

　?。?）當負載由輕變重，或者輸入電壓從高變低時，分別通過增加脈寬、升高頻率的方法使輸出電壓保持穩定。

　　3）混合調制方式，是指脈沖寬度與開關頻率均不固定，彼此都能改變的方式，它屬于PWM和PFM的混合方式。它包含了脈寬調制器和脈頻調制器。由于和T均可單獨調節，因此占空比調節范圍最寬，適合制作供實驗室使用的輸出電壓可以寬范圍調節的開關電源。

　　以上3種工作方式統稱為“時間比率控制”（TimeRatioControl，簡稱TRC）方式。需要指出的是，脈寬調制器既可作為一片獨立的集成電路使用（例如UC3842型脈寬調制器），亦可被集成在DC/DC變換器中（例如LM2576型開關穩壓器集成電路），還能集成在AC/DC變換器中（例如TOP250型單片開關電源集成電路）。其中，開關穩壓器屬于DC/DC電源變換器，開關電源一般為AC/DC電源變換器。

　　2.2、開關電源的組成

　　開關電源的典型結構如圖2所示，其工作原理是：市電進入電源首先經整流和濾波轉為高壓直流電，然后通過開關電路和高頻開關變壓器轉為高頻率低壓脈沖，再經過整流和濾波電路，最終輸出低電壓的直流電源。同時在輸出部分有一個電路反饋給控制電路，通過控制PWM占空比以達到輸出電壓穩定。