什么是開關電源

一．什么是開關電源

　　開關電源中應用的電力電子器件主要為二極管、IGBT和MOSFET。
　　SCR在開關電源輸入整流電路及軟啟動電路中有少量應用，GTR驅動困難，開關頻率低，被IGBT和MOSFET取代。
　　開關電源的三個條件
　　1、開關：電力電子器件工作在開關而不是線性
　　2、高頻：電力電子器件工作在高頻而不是接近工頻的低頻
　　3、直流：開關電源輸出的是直流而不是交流

二．開關電源的分類

　　人們在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：
　?。?）Buck電路——降壓斬波器，其輸出平均電壓
　　U0小于輸入電壓Ui，極性。
　?。?）Boost電路——升壓斬波器，其輸出平均電壓
　　U0大于輸入電壓Ui，極性。
　?。?）Buck－Boost電路——降壓或升壓斬波器，其
　　輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電感傳輸。
　?。?）Cuk電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電
　　壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電容傳輸。
　　還有Sepic、Zeta電路。
　　上述為非隔離型電路，隔離型電路有正激電路、反激電路、半橋電路、全橋電路、推挽電路。
　　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）％。日本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27W/cm3，采用同步整流器（MOS?FET代替肖特基二極管），使整個電路效率提高到90％。

　　2.2AC/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，因經整流、濾波，體積較大的濾波電容器是必不可少的，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，，內部的高頻、高壓、大電流開關動作，使得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，同樣的原因，高電壓、大電流開關使得電源工作損耗增大，限制了AC/DC變換器模塊化的進程，采用電源系統優化設計方法才能使其工作效率達到的滿意程度。
　　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，單相、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。

什么是開關電源

　三．開關電源的選用

　　開關電源在輸入抗干擾性能上，其自身電路結構的特點（多級串聯），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，可達到80％，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，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，開關電源均采取EMC電磁兼容措施，開關電源應帶有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。

 
四．開關電源的發展和趨勢

　　1955年美國羅耶（GH.Roger)發明的自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器，是實現高頻轉換控制電路的開端，1957年美國查賽（Jen Sen)發明了自激式推挽雙變壓器，１９６４年美國科學家們提出取消工頻變壓器的串聯開關電源的設想，這對電源向體積和重量的下降獲得了一條根本的途徑。到了１９６９年大功率硅晶體管的耐壓提高，二極管反向恢復時間的縮短等元器件改善，終于做成了２５千赫的開關電源。
目前，開關電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用于以電子計算機為主導的各種終端設備、通信設備等幾乎的電子設備，是當今電子信息產業飛速發展不可缺少的一種電源方式。目前市場上出售的開關電源中采用雙極性晶體管制成的１００kHz、用ＭＯＳ－ＦＥＴ制成的５００kHz電源，雖已實用化，但其頻率有待進一步提高。要提高開關頻率，就要減少開關損耗，而要減少開關損耗，就有高速開關元器件。然而，開關速度提高后，會受電路中分布電感和電容或二極管中存儲電荷的影響而產生浪涌或噪聲。這樣，不僅會影響周圍電子設備，還會大大降低電源本身的可靠性。其中，為防止隨開關啟-閉所發生的電壓浪涌，可采用R-C或L-C緩沖器，而對由二極管存儲電荷所致的電流浪涌可采用非晶態等磁芯制成的磁緩沖器。不過，對1MHz的高頻，要采用諧振電路，以使開關上的電壓或通過開關的電流呈正弦波，這樣既可減少開關損耗，也可控制浪涌的發生。這種開關方式稱為諧振式開關。目前對這種開關電源的研究很活躍，采用這種方式不大幅度提高開關速度就可以在理論上把開關損耗降到零，而且噪聲也小，可望成為開關電源高頻化的一種主要方式。當前，世界上許多國家都在致力于數兆Hz的變換器的實用化研究。

　　隨著電力電子技術的高速發展，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。開關電源的發展與應用在節約能源、節約資源及保護環境都具有重要的意義。

　　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。開關電源輕、小、薄的關鍵技術是高頻化，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的工作效率。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，在理論上實現高頻化又可降低噪聲，但部分諧振轉換技術的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。

什么是開關電源

五.提高開關電源待機效率的方法

　　1切斷啟動電阻

　　對于反激式電源，啟動后控制芯片由輔助繞組供電，啟動電阻上壓降為300V左右。設啟動電阻取值為47kΩ，消耗功率將近2W。要改善待機效率，在啟動后將該電阻通道切斷。TOPSWITCH，ICE2DS02G內部設有專門的啟動電路，可在啟動后關閉該電阻。若控制器沒有專門啟動電路，也可在啟動電阻串接電容，其啟動后的損耗可下降至零。缺點是電源不能自重啟，只有斷開輸入電壓，使電容放電后才能再次啟動電路。

 　 2 降低時鐘頻率

　　時鐘頻率可平滑下降或突降。平滑下降當反饋量超過某一閾值，通過特定模塊，實現時鐘頻率的線性下降。

　　3 切換工作模式

　　3.1→PWM對于工作在高頻工作模式的開關電源，在待機時切換至低頻工作模式可減小待機損耗。例如，對于準諧振式開關電源（工作頻率為幾百kHz到幾MHz），可在待機時切換至低頻的脈寬調制控制模式PWM（幾十kHz）。
　　IRIS40xx芯片通過QR與PWM切換來提高待機效率的。當電源處于輕載和待機時候，輔助繞組電壓較小，Q1關斷，諧振信號不能傳輸至FB端，FB電壓小于芯片內部的一個門限電壓，不能觸發準諧振模式，電路則工作在更低頻的脈寬調制控制模式。
　3.2→PFM
　　對于額定功率時工作在PWM模式的開關電源，也可以通過切換至PFM模式提高待機效率，即固定開通時間，調節關斷時間，負載越低，關斷時間越長，工作頻率也越低。將待機信號加在其PW/引腳上，在額定負載條件下，該引腳為高電平，電路工作在PWM模式，當負載低于某個閾值時，該引腳被拉為低電平，電路工作在PFM模式。實現PWM和PFM的切換，也就提高了輕載和待機時的電源效率。
　　通過降低時鐘頻率和切換工作模式實現降低待機工作頻率，提高待機效率，可保持控制器一直在運作，在整個負載范圍中，輸出都能被妥善的調節。即使負載從零激增至滿負載的下，快速反應，反之亦然。輸出電壓降和過沖值都保持在允許范圍內。
　　3.4 可控脈沖式（BurstMode）
　　可控脈沖模式，也可稱為跳周期控制模式（SkipCycleMode）是指當處于輕載或待機條件時，由周期比PWM控制器時鐘周期大的信號控制電路某一環節，使得PWM的輸出脈沖周期性的有效或失效，這樣實現恒定頻率下通過減小開關次數，增大占空比來提高輕載和待機的效率。該信號可以加在反饋通道，PWM信號輸出通道，PWM芯片的使能引腳（如LM2618，L6565）是芯片內部模塊（如NCP1200，FSD200，L6565和TinySwitch系列芯片）。

六.關電源用途

　　開關電源產品廣泛應用于工業自動化控制、軍工設備、科研設備、LED照明、工控設備、通訊設備、電力設備、儀器儀表、醫療設備、半導體制冷制熱等領域。

七.開關電源的維護及保養
 

   1開關電源不宜采用預檢預修維護方法

   
    在早期，國產相控電源元件易老化，可靠性不高，以預檢預修方式進行維護有的積極意義。但九十年代的高頻開關電源采用了新型元器件，其質量高、運行穩定可靠，并且具有完善的自我保護功能及較高的自動化程度。仍然采用傳統的預檢預修維護方式，不但不能發現隱患，還會反復拆卸造成人為故障。我們在工作中就曾發生過拆卸造成損壞的事例。

   
    2應定期進行數據分析

   
    我們將開關電源電腦記錄下來的各種信息定期打印出來，可以很方便地了解到電源本身的歷史資料，例如何時發生過交流中斷、何時進行了電池充放電，以及電源目前的工作等等。通過對這些資料的分析，可發現的問題，如有必要可及時進行數據修改。

   
    3應加裝防塵隔離裝置

   
    我們知道，無防塵隔離裝置的機房內，機房含塵量較大。開關電源采用強迫風冷方式冷卻的居多，空氣流動勢必將塵土帶入設備中，而開關電源不宜經常拆卸清理，過量的塵土累積，遇潮濕天氣就會造成漏電短路，導致故障發生。我單位就曾有一模塊投入運行不到半年就發生自動停機，經技術人員前來檢查，拆開發現其內塵土厚度已將電子元件埋沒，經確認引起故障是塵土短路造成的。近來隨著環境惡化，灰塵污染已是主要的污染源之一。一塊2000A的模塊價值七、八萬元，一個電源室加裝隔離裝置約需八千元。，無論從經濟的角度還是從可靠性的角度來看，加裝防塵隔離裝置都是必要的，有條件的還應配裝空調設備。

   
    4及時實施集中監控

   
    隨著通信設備的擴容，電源設備越來越多，其分布點越來越分散，維護的人員越來越多，與減員增效形成矛盾。矛盾的一條重要途徑實施集中監控。實施集中監控可根據現有條件逐步進行，不必強求一步到位。實行集中監控做到減人增效，又故障的時效性，還能減少備品備件數量，可謂一舉數得，是值得大力推廣的。