什么是开关电源

一．什么是开关电源

　　开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、IGBT和MOSFET。
　　SCR在开关电源输入整流电路及软启动电路中有少量应用，GTR驱动困难，开关频率低，被IGBT和MOSFET取代。
　　开关电源的三个条件
　　1、开关：电力电子器件工作在开关而不是线性
　　2、高频：电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频
　　3、直流：开关电源输出的是直流而不是交流

二．开关电源的分类

　　人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，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。

　　2.1 DC/DC变换
 

　　DC/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Ts不变，改变ton(通用)，二是频率调制方式，ton不变，改变Ts（易产生干扰）。其具体的电路由以下几类：
　　（1）Buck电路——降压斩波器，其输出平均电压
　　U0小于输入电压Ui，极性。
　　（2）Boost电路——升压斩波器，其输出平均电压
　　U0大于输入电压Ui，极性。
　　（3）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Ui，极性相反，电感传输。
　　（4）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Ui，极性相反，电容传输。
　　还有Sepic、Zeta电路。
　　上述为非隔离型电路，隔离型电路有正激电路、反激电路、半桥电路、全桥电路、推挽电路。
　　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NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，其开关频率为（200～300)kHz，功率密度已达到27W/cm3，采用同步整流器（MOS?FET代替肖特基二极管），使整个电路效率提高到90％。

　　2.2AC/DC变换

　　AC/DC变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因经整流、滤波，体积较大的滤波电容器是必不可少的，因遇到安全标准（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、、FCC、CSA），交流输入侧加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC/DC电源体积的小型化，，内部的高频、高压、大电流开关动作，使得EMC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，同样的原因，高电压、大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，采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到的满意程度。
　　AC/DC变换按电路的接线方式可分为，半波电路、全波电路。按电源相数可分为，单相、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。

什么是开关电源

　三．开关电源的选用

　　开关电源在输入抗干扰性能上，其自身电路结构的特点（多级串联），的输入干扰如浪涌电压很难通过，在输出电压稳定度这一技术指标上与线性电源相比具有较大的优势，其输出电压稳定度可达(0.5～1）％。开关电源模块一种电力电子集成器件，在选用中应注意以下几点：

　　3.1输出电流的选择

　　因开关电源工作效率高，可达到80％，故在其输出电流的选择上，应准确测量或计算用电设备的最大吸收电流，以使被选用的开关电源具有高的性能价格比，通常输出计算公式为：
　　Is=KIf
　　式中：Is—开关电源的额定输出电流；
　　If—用电设备的最大吸收电流；
　　K—裕量系数，取1.5～1.8；

　　3.2接地

　　开关电源比线性电源会产生更多的干扰，对共模干扰敏感的用电设备，应采取接地和屏蔽措施，按ICE1000、EN61000、FCC等EMC限制，开关电源均采取EMC电磁兼容措施，开关电源应带有EMC电磁兼容滤波器。如利德华福技术的HA系列开关电源，将其FG端子接大地或接用户机壳，方能满足上述电磁兼容的要求。

　　3.3保护电路

开关电源在设计中具有过流、过热、短路等保护功能，故在设计时应首选保护功能齐备的开关电源模块，并且其保护电路的技术参数应与用电设备的工作特性相匹配，以避免损坏用电设备或开关电源。

 
四．开关电源的发展和趋势

　　1955年美国罗耶（GH.Roger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957年美国查赛（Jen Sen)发明了自激式推挽双变压器，１９６４年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了１９６９年大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了２５千赫的开关电源。
目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的１００kHz、用ＭＯＳ－ＦＥＴ制成的５００kHz电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就有高速开关元器件。然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。其中，为防止随开关启-闭所发生的电压浪涌，可采用R-C或L-C缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。不过，对1MHz的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源的研究很活跃，采用这种方式不大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前，世界上许多国家都在致力于数兆Hz的变换器的实用化研究。

　　随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。
开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境都具有重要的意义。

　　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。开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，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（Mn?Zn)材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（Bs)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，可以设计成N＋1冗余电源系统，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，在理论上实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的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。

　　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。

什么是开关电源

五.提高开关电源待机效率的方法

　　1切断启动电阻

　　对于反激式电源，启动后控制芯片由辅助绕组供电，启动电阻上压降为300V左右。设启动电阻取值为47kΩ，消耗功率将近2W。要改善待机效率，在启动后将该电阻通道切断。TOPSWITCH，ICE2DS02G内部设有专门的启动电路，可在启动后关闭该电阻。若控制器没有专门启动电路，也可在启动电阻串接电容，其启动后的损耗可下降至零。缺点是电源不能自重启，只有断开输入电压，使电容放电后才能再次启动电路。

 　 2 降低时钟频率

　　时钟频率可平滑下降或突降。平滑下降当反馈量超过某一阈值，通过特定模块，实现时钟频率的线性下降。

　　3 切换工作模式

　　3.1→PWM对于工作在高频工作模式的开关电源，在待机时切换至低频工作模式可减小待机损耗。例如，对于准谐振式开关电源（工作频率为几百kHz到几MHz），可在待机时切换至低频的脉宽调制控制模式PWM（几十kHz）。
　　IRIS40xx芯片通过QR与PWM切换来提高待机效率的。当电源处于轻载和待机时候，辅助绕组电压较小，Q1关断，谐振信号不能传输至FB端，FB电压小于芯片内部的一个门限电压，不能触发准谐振模式，电路则工作在更低频的脉宽调制控制模式。
　3.2→PFM
　　对于额定功率时工作在PWM模式的开关电源，也可以通过切换至PFM模式提高待机效率，即固定开通时间，调节关断时间，负载越低，关断时间越长，工作频率也越低。将待机信号加在其PW/引脚上，在额定负载条件下，该引脚为高电平，电路工作在PWM模式，当负载低于某个阈值时，该引脚被拉为低电平，电路工作在PFM模式。实现PWM和PFM的切换，也就提高了轻载和待机时的电源效率。
　　通过降低时钟频率和切换工作模式实现降低待机工作频率，提高待机效率，可保持控制器一直在运作，在整个负载范围中，输出都能被妥善的调节。即使负载从零激增至满负载的下，快速反应，反之亦然。输出电压降和过冲值都保持在允许范围内。
　　3.4 可控脉冲式（BurstMode）
　　可控脉冲模式，也可称为跳周期控制模式（SkipCycleMode）是指当处于轻载或待机条件时，由周期比PWM控制器时钟周期大的信号控制电路某一环节，使得PWM的输出脉冲周期性的有效或失效，这样实现恒定频率下通过减小开关次数，增大占空比来提高轻载和待机的效率。该信号可以加在反馈通道，PWM信号输出通道，PWM芯片的使能引脚（如LM2618，L6565）是芯片内部模块（如NCP1200，FSD200，L6565和TinySwitch系列芯片）。

六.关电源用途

　　开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热等领域。

七.开关电源的维护及保养
 

   1开关电源不宜采用预检预修维护方法

   
    在早期，国产相控电源元件易老化，可靠性不高，以预检预修方式进行维护有的积极意义。但九十年代的高频开关电源采用了新型元器件，其质量高、运行稳定可靠，并且具有完善的自我保护功能及较高的自动化程度。仍然采用传统的预检预修维护方式，不但不能发现隐患，还会反复拆卸造成人为故障。我们在工作中就曾发生过拆卸造成损坏的事例。

   
    2应定期进行数据分析

   
    我们将开关电源电脑记录下来的各种信息定期打印出来，可以很方便地了解到电源本身的历史资料，例如何时发生过交流中断、何时进行了电池充放电，以及电源目前的工作等等。通过对这些资料的分析，可发现的问题，如有必要可及时进行数据修改。

   
    3应加装防尘隔离装置

   
    我们知道，无防尘隔离装置的机房内，机房含尘量较大。开关电源采用强迫风冷方式冷却的居多，空气流动势必将尘土带入设备中，而开关电源不宜经常拆卸清理，过量的尘土累积，遇潮湿天气就会造成漏电短路，导致故障发生。我单位就曾有一模块投入运行不到半年就发生自动停机，经技术人员前来检查，拆开发现其内尘土厚度已将电子元件埋没，经确认引起故障是尘土短路造成的。近来随着环境恶化，灰尘污染已是主要的污染源之一。一块2000A的模块价值七、八万元，一个电源室加装隔离装置约需八千元。，无论从经济的角度还是从可靠性的角度来看，加装防尘隔离装置都是必要的，有条件的还应配装空调设备。

   
    4及时实施集中监控

   
    随着通信设备的扩容，电源设备越来越多，其分布点越来越分散，维护的人员越来越多，与减员增效形成矛盾。矛盾的一条重要途径实施集中监控。实施集中监控可根据现有条件逐步进行，不必强求一步到位。实行集中监控做到减人增效，又故障的时效性，还能减少备品备件数量，可谓一举数得，是值得大力推广的。