開關電源的分類及應用
摘要：根據開關電源的發展及分類，對DC/DC、AC/AC變化器的拓撲結構和特性做以闡述，結合國內外開關電源的兩大類變換器新技術的動向做以探討，并敘述了開關電源的選擇。
關鍵詞：開關電源 技術動向 應用選型
Classification and Application of SMPS
Abstract: According to the development and classification of SMPS
the topologic construction and
characteristic of DC/DC and AC/DC converters is explained, the
developmental
tendency and application of above-mentioned converters is also
discussed.
Keywords: SMPS, Technical tendency, Applied selection
1 引言
隨著電力電子技術的告訴發展，電力電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切，而電子設備都離不開可靠的電源，進入80年代計算機電源全面實現了開關電源化，率先完成計算機的電源換代，進入90年代開關電源相繼進入各種電子、電器設備領域，程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了開關電源，更促進了開關電源技術的迅速發展。開關電源是利用現代電力電子技術，控制開關晶體管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOSFET構成。開關電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關電源，這一成本反轉點。隨著電力電子技術的發展和創新，使得開關電源技術在不斷地創新，這一成本反轉點日益向低輸出電力端移動，這為開關電源提供了廣泛的發展空間。
開關電源高頻化是其發展的方向，高頻化使開關電源小型化，并使開關電源進入更廣泛的應用領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了高新技術產品的小型化、輕便化。另外開關電源的發展與應用在節約能源、節約資源及保護環境方面都具有重要的意義。
2 開關電源的分類
人們的開關電源技術領域是邊開發相關電力電子器件，邊開發開關變頻技術，兩者相互促進推動著開關電源每年以超過兩位數字的增長率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發展。開關電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類，DC/DC變換器現已實現模塊化，且設計技術及生產工藝在國內外均已成熟和標準化，并已得到用戶的認可，但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進程中，遇到較為復雜的技術和工藝制造問題。以下分別對兩類開關電源的結構和特性作以闡述。
2.1 DC/DC變換
DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調制方式Ts不變，改變ton（通用），二是頻率調制方式，ton不變，改變Ts（易產生干擾）。其具體的電路由以下幾類：
（1） Buck電路——降壓斬波器，其輸出平均電壓Uo小于輸入電壓Ui，極性相同。
（2） Boost電路——升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo大于輸入電壓Ui，極性相同。
（3） Buck-Boost電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電感傳輸。
（4） Cuk電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo 大于或小于輸入電壓UI,
極性相反，電容傳輸。
當今軟開關技術使得DC/DC發生了質的飛躍，美國VICOR公司設計制造的多種ECI軟開關DC/DC變換器，其最大輸出功率有300W、600W、800W等，相應的功率密度為（6、2、10、17）W/cm3，效率為（80-90）%。***NemicLambda公司最新推出的一種采用軟開關技術的高頻開關電源模塊RM系列，其開關頻率為（200~300）kHz，功率密度已達到27
W/cm3，采用同步整流器（MOS-FET代替肖特基二極管），是整個電路效率提高到90%。
2.2 AC/DC變換
AC/DC變換是將交流變換為直流，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負載的稱為“整流”，功率流由負載返回電源的稱為“有源逆變”。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電，因必須經整流、濾波，因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的，同時因遇到安全標準（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、FCC、CSA），交流輸入側必須加EMC濾波及使用符合安全標準的元件，這樣就限制AC/DC電源體積的小型化，另外，由于內部的高頻、高壓、大電流開關動作，使得解決EMC電磁兼容問題難度加大，也就對內部高密度安裝電路設計提出了很高的要求，由于同樣的原因，高電壓、大電流開關使得電源工作消耗增大，限制了AC/DC變換器模塊化的進程，因此必須采用電源系統優化設計方法才能使其工作效率達到一定的滿意程度。
AC/DC變換按電路的接線方式可分為，半波電路、全波電路。按電源相數可分為，單項、三相、多相。按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。
3 開關電源的選用
開關電源在輸入抗干擾性能上，由于其自身電路結構的特點（多級串聯），一般的輸入干擾如浪涌電壓很難通過，在輸出電壓穩定度這一技術指標上與線性電源相比具有較大的優勢，其輸出電壓穩定度可達（0.5~1）%。開關電源模塊作為一種電力電子集成器件，在選用中應注意以下幾點：
3.1 輸出電流的選擇
因開關電源工作效率高，一般可達到80%以上，故在其輸出電流的選擇上，應準確測量或計算用電設備的最大吸收電流，以使被選用的開關電源具有高的性能價格比，通常輸出計算公式為：
Is=KIf
式中：Is—開關電源的額定輸出電流；
If—用電設備的最大吸收電流；
K—裕量系數，一般取1.5~1.8；
3.2 接地
開關電源比線性電源會產生更多的干擾，對共模干擾敏感的用電設備，應采取接地和屏蔽措施，按ICE1000．EN61000．FCC等EMC限制，形狀開關電源均采取EMC電磁兼容措施，因此開關電源一般應帶有EMC電磁兼容濾波器。如利德華福技術的HA系列開關電源，將其FG端子接大地或接用戶機殼，方能滿足上述電磁兼容的要求。
3.3 保護電路
開關電源在設計中必須具有過流、過熱、短路等保護功能，故在設計時應首選保護功能齊備的開關電源模塊，并且其保護電路的技術參數應與用電設備的工作特性相匹配，以避免損壞用電設備或開關電源。
4 開關電源技術的發展動向
開關電源的發展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。由于開關電源輕、小、薄的關鍵技術是高頻化，因此國外各大開關電源制造商都致力于同步開發新型高智能化的元器件，特別是改善二次整流器件的損耗，并在功率鐵氧體（Mn-Zn）材料上加大科技創新，以提高在高頻率和較大磁通密度（Bs）下獲得高的磁性能，而電容器的小型化也是一項關鍵技術。SMT技術的應用使得開關電源取得了長足的進展，在電路板兩面布置元器件，以確保開關電源的輕、小、薄。開關電源的高頻化就必然對傳統的PWM開關技術進行創新，實現ZVS、ZCS的軟開關技術已成為開關電源的主流技術，并大幅提高了開關電源工作效率。對于高可靠性指標，美國的開關電源生產商通過降低運行電流，降低結溫等措施以減少器件的應力，使得產品的的可靠性大大提高。
模塊化是開關電源發展的總體趨勢，可以采用模塊化電源組成分布式電源系統，可以設計成N＋1冗余電源系統，并實現并聯方式的容量擴展。針對開關電源運行噪聲大這一缺點，若單獨追求高頻化其噪聲也必將隨著增大，而采用部分諧振轉換電路技術，在理論上即可實現高頻化又可降低噪聲，但部分諧振轉換技術的實際應用仍存在著技術問題，故仍需在這一領域開展大量的工作，以使得該項技術得以實用化。
電力電子技術的不斷創新，使開關電源產業有著廣闊的發展前景。要加快我國開關電源產業的發展速度，就必須走技術創新之路，走出有中國特色的產學研聯合發展之路，為我國國民經濟的高速發展做出貢獻。 為了彌補線性電源的很多不足，目前主流顯卡往往都匹配了開關電源模塊。開關電源模塊具有效率高（可達90％以上），發熱量小（或基本上不發熱）的特點，但造價也相對于線性電源高了許多。
開關電源理論上可分為升壓工作方式（Step-up）和降壓工作方式（Step-down）兩大類，前者主要用于一些手持式設備，如隨身聽、MP3等，我們知道兩節普通電池的端電壓最高只有3.0V，若是兩節鎳氫（NiH）或鎳鎘(Ni-Cd)充電電池則端電壓最高只有2.4V，而手持設備的系統工作電壓通常是3.3V，于是就需要使用升壓工作方式的開關電源模塊。
近年來隨著可充電鋰離子電池價格的迅速下降，其以優異的能量密度比逐步取代了普通電池及鎳氫等充電電池，鋰離子電池的工作電壓范圍是3.6V～4.2V，于是又需要使用降壓工作方式的開關電源模塊。
出于電腦主機實際供電情況考慮，顯卡的開關電源模塊通常均是降壓的工作方式。開關電源的核心是一個直流轉直流的芯片（英文名是DC/DC），也有的公司命名為PWM（Plus Width Modulator脈沖寬度調制器），再外接兩只場效應管（MOSFET），及一只肖特基二極管、一只電感、數只Low ESR電容等組成的濾波回路構成。
開關電源的基本工作原理是：PWM芯片產生一個寬度可調的脈沖波形，使得Q1、Q2兩只MOS管輪流導通。當負載兩端的電壓Vout需要降低時，MOSFET場效應管Q2導通，MOSFET場效應管Q1截止，外部電源供電斷開，電感釋放出能量，這時的電感就變成了電源繼續對負載供電。
隨著電感上存儲能量的消耗，負載兩端的電壓開始逐漸降低；當負載兩端的電壓Vout需要升高時，MOSFET場效應管Q1導通，MOSFET場效應管Q2截止，外部電源通過MOSFET場效應管Q1對電感進行充電并達到所需的電壓值。
以此類推，在不斷地充電和放電的過程中就行成了一種穩定的電壓，使負載兩端的電壓Vout穩定在預先設定的值，這個理想的電壓值是由2只外接電阻的阻值之比來確定的，并可由一個理論的公式來進行計算。
此外，由于MOSFET場效應管工作在開關狀態，導通時的內阻和截止時的漏電流都較小，所以自身耗電量很小，避免了線性電源串接在電路中的電阻部分消耗大量能量的問題。
由于此類電源模塊總是有2只MOSFET場效應管工作在開關狀態下輪流導通，開關電源的名字也由此而來。
無論是集成穩壓器，PWM，還是MOSFET場效應管，它們的實物外觀上看去都差不多，看起來都是集成電路，那么如何區分線性電源模塊與開關電源模塊呢？這里告訴大家一個簡單的方法，即看板子上是否有那只大大的功率電感（有的板子還不止一只），若有，則毫無疑問，肯定是開關電源，若無則是線性電源。
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