摘 要：任何電子設(shè)備都離不開(kāi)可靠的電源，它們對(duì)電源的要求也越來(lái)越高。電子設(shè)備的小型化和低成本化，使電源以輕，薄、小和高效率為發(fā)展方向。本文論述了開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展過(guò)程，及其最新成果。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源；體積；功耗

開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)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(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開(kāi)關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新。

現(xiàn)代開(kāi)關(guān)電源有兩種：一種是直流開(kāi)關(guān)電源；另一種是交流開(kāi)關(guān)電源。這里主要介紹的只是直流開(kāi)關(guān)電源，其功能是將電能質(zhì)量較差的原生態(tài)電源（粗電），如市電電源或蓄電池電源，轉(zhuǎn)換成滿(mǎn)足設(shè)備要求的質(zhì)量較高的直流電壓（精電）。直流開(kāi)關(guān)電源的核心是DC/DC轉(zhuǎn)換器。因此直流開(kāi)關(guān)電源的分類(lèi)是依賴(lài)DC/DC轉(zhuǎn)換器分類(lèi)的。

傳統(tǒng)的晶體管串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源是連續(xù)控制的線(xiàn)性穩(wěn)壓電源。這種傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源技術(shù)比較成熟，并且已有大量集成化的線(xiàn)性穩(wěn)壓電源模塊，具有穩(wěn)定性能好，輸出紋波電壓小，使用可靠等優(yōu)點(diǎn)。但通常都需要體積大且笨重的工頻變壓器與體積和重量都很大的濾波器。由于調(diào)整管工作在線(xiàn)性放大狀態(tài)，為保證輸出電壓穩(wěn)定，其集電極與發(fā)射極之間必須承受較大的電壓差，導(dǎo)致調(diào)整管功耗較大，電源效率低，一般只有45%左右。另外由于調(diào)整管上消耗較大的功率，所以需要采用大功率調(diào)整管并裝有體積很大的散熱器，很難滿(mǎn)足現(xiàn)代電子設(shè)備的發(fā)展要求。20世紀(jì)50年代，美國(guó)宇航局以小型化，重量輕為目標(biāo)，為搭載火箭開(kāi)發(fā)了開(kāi)關(guān)電源。在近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展過(guò)程中，開(kāi)關(guān)電源因具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而逐漸取代了傳統(tǒng)技術(shù)制造的連續(xù)工作電源，并廣泛應(yīng)用于電子整機(jī)與設(shè)備供電中。

在電力電子技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代，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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源，更促進(jìn)了開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展。

開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)晶體管開(kāi)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(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。開(kāi)關(guān)電源和線(xiàn)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(xiàn)性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開(kāi)關(guān)電源。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開(kāi)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(kāi)關(guān)電源提供了廣泛的發(fā)展空間。

開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的占空比調(diào)整輸出電壓。其效率可高達(dá)70%-95%。而功耗小，散熱器也隨之減小，穩(wěn)定性也高。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源直接對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行整流、濾波、調(diào)整，然后由開(kāi)關(guān)調(diào)整管進(jìn)行穩(wěn)壓，不需要電源變壓器。此外，開(kāi)關(guān)工作頻率為幾十千赫，濾波電容器、電感器數(shù)值較小，應(yīng)此開(kāi)關(guān)電源具有體重輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)。另外，由于功耗小，機(jī)內(nèi)溫升低，提高了整機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。而且對(duì)電網(wǎng)的適應(yīng)能力也有較大的提高，一般串聯(lián)穩(wěn)壓電源允許電網(wǎng)波動(dòng)范圍為220V 10%，而開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源字電網(wǎng)電壓為110～260V范圍內(nèi)變化時(shí)，都可獲得穩(wěn)定的輸出電壓。

開(kāi)關(guān)電源的高頻化是電源技術(shù)發(fā)展的創(chuàng)新技術(shù)，高頻化帶來(lái)的效益是使開(kāi)關(guān)電源裝置空前的小型化，并使開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的領(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、輕變化，另外開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有深遠(yuǎn)的意義。

21世紀(jì)，市場(chǎng)上開(kāi)關(guān)電源中功率管多采用雙極型晶體管，開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)幾十千赫；采用MOSFET的開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換頻率可達(dá)幾百千赫。為提高開(kāi)關(guān)頻率，必需采用高速開(kāi)關(guān)器件。對(duì)于兆赫以上開(kāi)關(guān)頻率的電源可利用諧振電路，這種工作方式稱(chēng)為諧振開(kāi)關(guān)方式。它可以極大地提高開(kāi)關(guān)速度，理論上開(kāi)關(guān)損耗為零，噪聲也很小，這是提高開(kāi)關(guān)電源工作頻率的一種方式。21世紀(jì)開(kāi)關(guān)電源的追求和發(fā)展趨勢(shì)可以概括為以下四個(gè)方面。

小型化、薄型化、輕量化、高頻化。開(kāi)關(guān)電源的體積、重量主要是由儲(chǔ)能元件（磁性原件和電容）決定的，因此開(kāi)關(guān)頻率的小型化，實(shí)質(zhì)上就是盡可能減小其中儲(chǔ)能元件的體積。在一定范圍內(nèi)，開(kāi)關(guān)頻率的提高，不僅能有效的減小電容、電感及變壓器的尺寸，而且還能夠抑制干擾，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，因此，高頻化是開(kāi)關(guān)電源的一個(gè)新的發(fā)展方向。

高可靠性。開(kāi)關(guān)電源使用的元器件比連續(xù)工作電源少數(shù)十倍，因此提高了可靠性。從壽命角度出發(fā)，電解電容、光耦合器等器件的壽命決定著電源的壽命。所以，要從設(shè)計(jì)方面著眼，盡可能使用較少的器件，提高集成度，這樣不但解決了電路復(fù)雜、可靠性差的問(wèn)題，也增加了保護(hù)等功能，簡(jiǎn)化了電路，提高了平均無(wú)故障時(shí)間。

低噪聲。開(kāi)關(guān)電源的缺點(diǎn)之一是噪聲大。單純的追求高頻化，噪聲也會(huì)隨之增大。采用部分諧振轉(zhuǎn)換回路技術(shù)，在原理上可以提高頻率又可以降低噪聲，所以，盡可能的降低噪聲影響是開(kāi)關(guān)電源的又一發(fā)展方向。

采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和控制。采用CAA和CDD技術(shù)設(shè)計(jì)最新變換拓?fù)浜妥罴褏?shù)，使開(kāi)關(guān)電源具有最簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)和最佳工況。在電路中引入微機(jī)監(jiān)測(cè)和控制，可構(gòu)成多功能監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)、記錄并自動(dòng)報(bào)警等。此外，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)備控制的應(yīng)用，對(duì)于電源技術(shù)的智能化發(fā)展提供了新的方向。

開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展從來(lái)都是與半導(dǎo)體器件及磁性元件等的發(fā)展休戚相關(guān)的。高頻化的實(shí)現(xiàn)，需要相應(yīng)的高速半導(dǎo)體器件和性能優(yōu)良的高頻電磁元件。發(fā)展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件，開(kāi)發(fā)高頻用的低損磁性材料，改進(jìn)磁性元件的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法，提高電容的介電常數(shù)及降低其等效串聯(lián)電阻，對(duì)于開(kāi)關(guān)電源小型化始終產(chǎn)生著巨大的推動(dòng)作用。

現(xiàn)代電子系統(tǒng)，即便是最簡(jiǎn)單的由單片機(jī)和單一I/O接口電路所組成的電子系統(tǒng)來(lái)講， 其電源電壓，一般也要由+5V，±15V或±12V等多路組成，而對(duì)較復(fù)雜的電子系統(tǒng)來(lái)講，不同的電子系統(tǒng)，不僅對(duì)上述各種電壓組合有嚴(yán)格的要求，而且對(duì)這些電源電壓的諸多電特性也有較嚴(yán)格的要求，如電壓精度，電壓的負(fù)載能力（輸出電流），電壓的紋波和噪聲，起動(dòng)延遲，上升時(shí)間，恢復(fù)時(shí)間，電壓過(guò)沖，斷電延遲時(shí)間，跨步負(fù)載響應(yīng)，跨步線(xiàn)性響應(yīng)，交叉調(diào)整率，交叉干擾等。對(duì)于電源應(yīng)用者來(lái)講，一般都希望其所選擇的電源產(chǎn)品為“傻瓜型”的，即所選擇的電源電壓只要負(fù)載不超過(guò)電源最大值，無(wú)論系統(tǒng)的各路負(fù)載特性如何變化，而各路電源電壓依然精確無(wú)誤。

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作者簡(jiǎn)介：李梅（1996-02），湖北省黃岡市人，電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)。