1.2 開關(guān)電源的發(fā)展簡介[3]

能源在每個國家中的地位都是舉足輕重，關(guān)乎興衰的，所以如何開發(fā)并合理

利用能源是一個重要的課題。特別對于我國這樣的能源消耗大國和貧乏國，更是

如此。我國、美國和俄羅斯等大國始終把能源技術(shù)列為國家關(guān)鍵性的科技領(lǐng)域。

能源技術(shù)的其中一個重要方面就是電力電子技術(shù)，這是一門結(jié)合了微電子學(xué)、

電機學(xué)、控制理論等多種學(xué)科的交叉性邊沿學(xué)科，它利用功率半導(dǎo)體器件對電網(wǎng)

功率、電流、電壓、頻率、相位進行精確控制和處理，使得電力電子裝置小型化、

高頻化、智能化，效率和性能得以大幅度提高。

開關(guān)電源技術(shù)屬于電力電子技術(shù)，它運用功率變換器進行電能變換，經(jīng)過變

換電能，可以滿足各種對參數(shù)的要求。這些變換包括交流到直流(AC-DC，即整流)，直流到交流(DC-AC，即逆變)，交流到交流(AC-AC，即變壓)，直流到直流(DC-DC)。廣義地說，利用半導(dǎo)體功率器件作為開關(guān)，將一種電源形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N電源形式的主電路都叫做開關(guān)變換器電路;轉(zhuǎn)變時用自動控制閉環(huán)穩(wěn)定輸出并有保護環(huán)節(jié)則稱為開關(guān)電源(SwitchingPower Supply)。由于其高效節(jié)能可帶來巨大經(jīng)濟效益，因而引起社會各方面的重視而得到迅速推廣。

電源管理芯片實際上也是指具有自動控制環(huán)路和保護電路的DC-DC變換芯片，是開關(guān)電源的核心控制芯片。電源管理芯片在90年代中后期問世，由于替換了大部分分立器件，使開關(guān)電源的整體性能得到大幅度提高，同時降低了成本，因而顯示出強大的生命力。

我國開關(guān)電源起源于1970年代末期，到1980年代中期，開關(guān)電源產(chǎn)品開始

推廣應(yīng)用。那時的開關(guān)電源產(chǎn)品采用的是頻率為20 kHz以下的PWM技術(shù)，其效

率只能達到60%~70%。經(jīng)過20多年的不斷發(fā)展，新型功率器件的研發(fā)為開關(guān)電

源的高頻化莫定了基礎(chǔ)，功率MOSFET和IGBT的應(yīng)用使中、小功率開關(guān)電源工

作頻率高達到400kHz(AC/DC)和1MHz(DC/DC)。軟開關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)，真正實現(xiàn)了

開關(guān)電源的高頻化，它不僅可以減少電源的體積和重量，而且提高了開關(guān)電源的

效率。目前，采用軟開關(guān)技術(shù)的國產(chǎn)開關(guān)電源，其效率已達到93%。但是，目前

我國的開關(guān)電源技術(shù)與世界上先進的國家相比仍有較大的差距。

1.2.1 開關(guān)電源的發(fā)展史

開關(guān)電源的發(fā)展歷史可以追溯到幾十年前，可分為下列幾個時期：

1.電子管穩(wěn)壓電源時期(1950年代)。此時期主要為電子管直流電源和磁飽

和交流電源，這種電源體積大、耗能多、效率低。

2.晶體管穩(wěn)壓電源時期(1960年代-1970年代中期)。隨著晶體管技術(shù)的發(fā)

展，晶體管穩(wěn)壓電源得到迅速發(fā)展，電子管穩(wěn)壓電源逐漸被淘汰。

3.低性能穩(wěn)壓電源時期(1970年代-1980年代末期)。出現(xiàn)了晶體管自激式

開關(guān)穩(wěn)壓電源，工作頻率在20kHz以下，工作效率60%左右。隨著壓控率

器件的出現(xiàn)，促進了電源技術(shù)的極大發(fā)展，它可使兆瓦級的逆變電源設(shè)計

簡化，可取代需要強迫換流的晶閘管，目前仍在使用。功率MOSFET的出現(xiàn)，

構(gòu)成了高頻電力電子技術(shù)，其開關(guān)頻率可達l00kHz以上，并且可并聯(lián)大電

流輸出。

4.高性能的開關(guān)穩(wěn)壓電源時期(1990年代~至今)。隨著新型功率器件和脈

寬調(diào)制(PWM)電路的出現(xiàn)和各種零電壓、零電流變換拓撲電路的廣泛應(yīng)用

出現(xiàn)了小體積、高效率、高可靠性的混合集成DC-DC電源。

1.3 開關(guān)電源的發(fā)展展望

1.半導(dǎo)體和電路器件是開關(guān)電源發(fā)展的重要支撐。

2.高頻、高效、低壓化、標準化是開關(guān)電源主要發(fā)展趨勢：

1)低電壓化

半導(dǎo)體工藝等級在未來十年將從0.18微米向50納米工藝邁進，芯片所需最低電壓最終將變?yōu)?.6V，但輸出電流將朝著大電流方向發(fā)展。

2)高效化

應(yīng)用各種軟開關(guān)技術(shù)，包括無源無損軟開關(guān)技術(shù)、有源軟開關(guān)技術(shù)，如ZVS/ZCS諧振、準諧振;恒頻零開關(guān)技術(shù);零電壓、零電流轉(zhuǎn)換技術(shù)及目前同步整流用MOSFET代替整流二極管都能大大地提高模塊在低輸出電壓時的效率，而效率的提高使得敞開式無散熱器的電源模塊有了實現(xiàn)的可能。

3)大電流、高密度化

4)高頻化

為了縮小開關(guān)電源的體積，提高電源的功率密度并改善其動態(tài)響應(yīng)，小功率

DC-DC變換器的開關(guān)頻率已將現(xiàn)在的200～500kHz提高到1MHz以上，但高頻

化又會產(chǎn)生新的問題，如開關(guān)損耗以及無源元件的損耗增大，高頻寄生參數(shù)以及

高頻電磁干擾增大等。

5)在封裝結(jié)構(gòu)上正朝著薄型，甚至超薄型方向發(fā)展

2.降壓型PWM AC-DC開關(guān)電源設(shè)計的基本要求

設(shè)計一款降壓型PWM AC-DC開關(guān)電源，設(shè)計參數(shù)如下：

輸入?yún)?shù)：

1.輸入交流電壓：單相AC220V

2.輸入電壓變動范圍： 20%

3.輸入頻率：50Hz 2Hz

輸出參數(shù)：