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作者：王水平 付敏江
開關(guān)穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)
圖1畫出了開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理圖及等效原理框圖，它是由全波整流器，開關(guān)管V，激勵信號，續(xù)流二極管Vp，儲能電感和濾波電容C組成。實際上，開關(guān)穩(wěn)壓電源的核心部分是一個直流變壓器。這里我們對直流變換器和逆變器作如下解釋。
逆變器，它是把直流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鞯难b置。逆變器通常被廣泛地應(yīng)用在采用電平或電池組成的備用電源中。
直流變換器，它是把直流轉(zhuǎn)換成交流，然后又把交流轉(zhuǎn)換成直流的裝置。這種裝置被廣泛地應(yīng)用在開關(guān)穩(wěn)壓電源中。采用直流變換器可以把一種直流供電電壓變換成極性、數(shù)值各不同的多種直流供電電壓。
開關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)點
[1].功耗小，效率高。在圖1中的開關(guān)穩(wěn)壓電源電路中，晶體管V在激勵信號的激勵下，它交替地工作在導(dǎo)通-截止和截止-導(dǎo)通的開關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換速度很快，頻率一般為50kHz左右，在一些技術(shù)先進的國家，可以做到幾百或者近1000kHz。這使得開關(guān)晶體管V的功耗很小，電源的效率可以大幅度地提高，其效率可達到80%。
[2].體積小，重量輕。從開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理框圖可以清楚地看到這里沒有采用笨重的工頻變壓器。由于調(diào)整管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了較大的散熱片。由于這兩方面原因，所以開關(guān)穩(wěn)壓電源的體積小，重量輕。
[3].穩(wěn)壓范圍寬。從開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓是由激勵信號的占空比來調(diào)節(jié)的，輸入信號電壓的變化可以通過調(diào)頻或調(diào)寬來進行補償，這樣，在工頻電網(wǎng)電壓變化較大時，它仍能夠保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。所以開關(guān)電源的穩(wěn)壓范圍很寬，穩(wěn)壓效果很好。此外，改變占空比的方法有脈寬調(diào)制型和頻率調(diào)制型兩種。這樣，開關(guān)穩(wěn)壓電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點，而且實現(xiàn)穩(wěn)壓的方法也較多，設(shè)計人員可以根據(jù)實際應(yīng)用的要求，靈活地選用各種類型的開關(guān)穩(wěn)壓電源。
[4].濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減少。開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作頻率目前基本上是工作在50kHz，是線性穩(wěn)壓電源的1000倍，這使整流后的濾波效率幾乎也提高了1000倍。就是采用半波整流后加電容濾波，效率也提高了500b倍。在相同的紋波輸出電壓下，采用開關(guān)穩(wěn)壓電源時，濾波電容的容量只是線性穩(wěn)壓電源中濾波電容的1/500-1/1000。
[5].電路形式靈活多樣。例如，有自激式和他激式，有調(diào)寬型和調(diào)頻型，有單端式和雙端式等等，設(shè)計者可以發(fā)揮各種類型電路的特長，設(shè)計出能滿足不同應(yīng)用場合的開關(guān)穩(wěn)壓電源。
開關(guān)穩(wěn)壓電源的缺點
開關(guān)穩(wěn)壓電源的缺點是存在較為嚴重的開關(guān)干擾。開關(guān)穩(wěn)壓電源中，功率調(diào)整開關(guān)晶體管V工作在狀態(tài)，它產(chǎn)生的交流電壓和電流通過電路中的其他元器件產(chǎn)生尖峰干擾和諧振干擾，這些干擾如果不采取一定的措施進行抑制、消除和屏蔽，就會嚴重地影響整機的正常工作。此外由于開關(guān)穩(wěn)壓電源振蕩器沒有工頻變壓器的隔離，這些干擾就會串入工頻電網(wǎng)，使附近的其他電子儀器、設(shè)備和家用電器受到嚴重的干擾。
目前，由于國內(nèi)微電子技術(shù)、阻容器件生產(chǎn)技術(shù)以及磁性材料技術(shù)與一些技術(shù)先進國家還有一定的差距，因而造價不能進一步降低，也影響到可靠性的進一步提高。所以在我國的電子儀器以及機電一體化儀器中，開關(guān)穩(wěn)壓電源還不能得到十分廣泛的普及及使用。特別是對于無工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源中的高壓電解電容器、高反壓大功率開關(guān)管、開關(guān)變壓器的磁芯材料等器件，在我國還處于研究、開發(fā)階段。在一些技術(shù)先進國家，開關(guān)穩(wěn)壓電源雖然有了一定的發(fā)展，但在實際應(yīng)用中也還存在一些問題，不能十分令人滿意。這暴露出開關(guān)穩(wěn)壓電源的又一個缺點，那就是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高，維修麻煩。對此，如果設(shè)計者和制造者不予以充分重視，則它將直接影響到開關(guān)穩(wěn)壓電源的推廣應(yīng)用。當(dāng)今，開關(guān)穩(wěn)壓電源推廣應(yīng)用比較困難的主要原因就是它的制作技術(shù)難度大、維修麻煩和造價成本較高。
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開關(guān)穩(wěn)壓電源的發(fā)展
[1] 國際發(fā)展狀況
發(fā)展史
1955年美國的科學(xué)家羅那（G.H.Royer）首先研制成功了利用磁芯的飽和來進行自激振蕩的晶體管直流變換器。此后，利用這一技術(shù)的各種形式的精益求精直流變換器不斷地被研制和涌現(xiàn)出來，從而取代了早期采用的壽命短、可靠性差、轉(zhuǎn)換效率低的旋轉(zhuǎn)和機械振子示換流設(shè)備。由于晶體管直流變換器中的功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，所以由此而制成的穩(wěn)壓電源輸出的組數(shù)多、極性可變、效率高、體積小、重量輕，因而當(dāng)時被廣泛地應(yīng)用于航天及軍事電子設(shè)備。由于那時的微電子設(shè)備及技術(shù)十分落后，不能制作出耐壓高、開關(guān)速度較高、功率較大的晶體管，所以這個時期的直流變換器只能采用低電壓輸入，并且轉(zhuǎn)換的速度也不能太高。
60年代，由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展，高反壓的晶體管出現(xiàn)了，從此直流變換器就可以直接由市電經(jīng)整流、濾波后輸入，不再需要工頻變壓器降壓了，從而極大地擴大了它的應(yīng)用范圍,并在此基礎(chǔ)上誕生了無工頻降壓變壓器的開關(guān)電源。省掉了工頻變壓器，又使開關(guān)穩(wěn)壓電源的體積和重量大為減小，開關(guān)穩(wěn)壓電源才真正做到了效率高、體積小、重量輕。
70年代以后，與這種技術(shù)有關(guān)的高頻，高反壓的功率晶體管、高頻電容、開關(guān)二極管、開關(guān)變壓器的鐵芯等元件也不斷地研制和生產(chǎn)出來，使無工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源得到了飛速的發(fā)展，并且被廣泛地應(yīng)用于電子計算機、通信、航天、彩色電視機等領(lǐng)域，從而使無工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源成為各種電源的佼佼者。
目前正在克服的困難
隨著半導(dǎo)體技術(shù)和微電子技術(shù)的高速發(fā)展，集成度高、功能強大的大規(guī)模集成電路的不斷出現(xiàn)，使得電子設(shè)備的體積在不斷地縮小，重量在不斷地減輕，所以從事這方面研究和生產(chǎn)的人們對開關(guān)穩(wěn)壓電源中的開關(guān)變壓器還感到不是十分理想，他們正致力于研制出效率更高、體積更小、重量更輕的開關(guān)變壓器或者通過別的途經(jīng)取代開關(guān)變壓器，使之能夠滿足電子儀器和設(shè)備微小型化的需要，這是從事開關(guān)穩(wěn)壓電源研制的科技人員目前正在克服的一個困難。
開關(guān)穩(wěn)壓電源的效率是與開關(guān)管的變換速度成正比的，并且開關(guān)穩(wěn)壓電源中由于采用了開關(guān)變壓器以后，才能使之由一組輸入得到極性、大小各不相同的多組輸出。要進一步提高開關(guān)穩(wěn)壓電源的效率，就必須提高電源的工作頻率。但是，當(dāng)頻率提高以后，對整個電路中的元器件又有了新的要求。例如，高頻電容、開關(guān)管、開關(guān)變壓器、儲能電感等都會出現(xiàn)新的問題。進一步研制適應(yīng)高頻率工作的有關(guān)電路元器件，是從事開關(guān)穩(wěn)壓電源研制科技人員要解決的第二個問題。
工作在線性狀態(tài)的線性穩(wěn)壓電源，具有穩(wěn)壓和濾波的雙重作用，因而串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源不產(chǎn)生開關(guān)干擾，且波紋電壓輸出較小。但是在開關(guān)穩(wěn)壓電源中的開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，其交變電壓和電流會通過電路中的元件產(chǎn)生較強的尖峰干擾和諧振干擾。這些干擾就會污染市電電網(wǎng)，影響鄰近的電子儀器及設(shè)備的正常工作。隨著開關(guān)穩(wěn)壓電源電路和抑制干擾措施的不斷改進，開關(guān)穩(wěn)壓電源的這一缺點得到了一定的克服，可以達到不妨礙一般的電子儀器、家用電器的正常工作的程度。但是在一些精密電子儀器中，由于開關(guān)穩(wěn)壓電源的這一缺點，卻使它得不到使用。所以，克服開關(guān)穩(wěn)壓電源的這一缺點，進一步提高它的使用范圍，是從事開關(guān)穩(wěn)壓電源研制科技人員要解決的第三個問題。
[2] 國內(nèi)發(fā)展情況
我國的晶體管直流變換器及開關(guān)穩(wěn)壓電源研制工作開始于60年代初期，到60年代中期進入實用階段，70年代初期開始研制無工頻降壓變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源。1974年研制成功了工作頻率為10kHz、輸出電壓為5V的無工頻降壓變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源。近10多年來，我國的許多研究所、工廠及高等院校已研制出多種型號的工作頻率在20kHz左右，輸出功率在1000W以下的無工頻降壓變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源，并應(yīng)用于電子計算機、通信、電視等方面，取得了較好的效果。工作頻率為100kHz-200kHz的高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源于80年代初期就已開始試制， 90年代初期就已試制成功。目前正在走向?qū)嵱秒A段和再進一步提高工作頻率。許多年來，雖然我國在無工頻降壓開關(guān)穩(wěn)壓電源方面作了巨大的努力，并取得了可喜的成果，但是，目前我國的開關(guān)穩(wěn)壓電源技術(shù)與一些先進的國家相比仍有較大的差距。此外，這些年來，我國雖然把無工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作頻率從數(shù)十kHz提高到了數(shù)百kHz，把輸出功率由數(shù)十瓦提高到了數(shù)百瓦甚至數(shù)千瓦，但是，由于我國半導(dǎo)體技術(shù)與工藝跟不上時代的發(fā)展，導(dǎo)致我們自己研制和生產(chǎn)出的無工頻變壓器開關(guān)電源中的開關(guān)管大部分采用的仍是進口的晶體管。所以我國的開關(guān)穩(wěn)壓電源事業(yè)要發(fā)展，要趕超世界先進水平，最根本的是要提高我國的半導(dǎo)體技術(shù)和工藝。
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開關(guān)穩(wěn)壓電源的種類
現(xiàn)在，電子技術(shù)和應(yīng)用迅速地發(fā)展，對電子儀器和設(shè)備的要求是：性能上，更加安全可靠，在功能上，不斷地增加。在使用上自動化程度越來越高。在體積上，要日趨小型化。這使采用具有眾多優(yōu)點的開關(guān)穩(wěn)壓電源就顯得更加重要了。所以，開關(guān)穩(wěn)壓電源在計算機、通信、航天、彩色電視等方面都得到了越來越廣泛的應(yīng)用，發(fā)揮了巨大的作用，這大大促進了開關(guān)穩(wěn)壓電源的發(fā)展，從事這方面研究和生產(chǎn)的人員也在不斷地增加，開關(guān)穩(wěn)壓電源的品種和類型也越來越多。下面的組圖給出了各種類型開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理圖。
(1)按激勵方式劃分
他激式
電路中轉(zhuǎn)設(shè)激勵信號的振蕩器，電路形式如圖6所示。
自激式
開關(guān)管兼作振蕩器中的振蕩管，電路形式如圖7所示。
(2)按調(diào)制方式劃分
脈寬調(diào)制型
振蕩頻率保持不變，通過改變脈沖寬度來改變和調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，有時通過取樣電路、耦合電路等構(gòu)成反饋閉環(huán)回路，來穩(wěn)定輸出電壓的幅度。
頻率調(diào)制型
占空比保持不變，通過改變振蕩器的振蕩頻率來調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓的幅度。
混合調(diào)制型
通過調(diào)節(jié)導(dǎo)通時間的振蕩頻率來完成調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓幅度的目的。
(3)按開關(guān)管電流的工作方式劃分
開關(guān)型
用開關(guān)晶體管把直流變成高頻標準方波，電路形式類似于他激式。
諧振型
開關(guān)晶體管與LC諧振回路將直流變成標準正弦波，電路形式類似于自激式。
(4)按開關(guān)晶體管的類型劃分
晶體管型
采用晶體管作為開關(guān)管，電路形式如圖6所示。
可控硅型
采用可控硅作為開關(guān)管，這種電路的特點是直接輸入交流電，不需要一次整流部分，其電路形式如圖5。
(5)按儲能電感與負載的連接方式劃分
串聯(lián)型
儲能電感串聯(lián)在輸入與輸出電壓之間，電路形式如圖3所示。
并聯(lián)型
儲能電感并聯(lián)在輸入與輸出電壓之間，電路形式如圖4所示。
(6)按晶體管的連接的連接方式劃分
單端式
僅使用一個晶體管作為電路中的開關(guān)管，這種電路的特點是價格低，電路結(jié)構(gòu)簡單，但輸出功率不能提高，其電路形式如圖3、圖4和圖6所示。
推挽式
使用兩個晶體管，將其連接成推挽功率放大器形式。這種電路的特點是開關(guān)變壓器必須具有中心抽頭，電路形式如圖12。
半橋式
使用兩個晶體管，將其連接成半橋形式。它的特點是適應(yīng)于輸入電壓較高的場合。電路形式如圖11。
全橋式
使用四個開關(guān)晶體管，將其連接成全橋形式。它的特點是輸出的功率比較大。其電路形式如圖13。
(7)按輸入與輸出的電壓大小劃分
升壓式
輸出電壓比輸入電壓高，實際就是并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源。
降壓式
輸出電壓比輸入電壓低，實際就是串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源。
(8)按工作方式劃分
可控整流型
所謂可控整流型開關(guān)穩(wěn)壓電源，是指采用可控硅整流元件作為調(diào)整開關(guān)管，可由交流市電電網(wǎng)直接供電，也可用變壓器變壓后供電。（這種供電方式在開關(guān)穩(wěn)壓電源剛興起的初期常常采用，目前基本上不太采用。）在可工作的半波內(nèi)，截去正弦曲線的前一部分，這一部分所占角度稱為截止角，導(dǎo)通的正弦曲線的后一部分稱為導(dǎo)通角。依靠調(diào)節(jié)導(dǎo)通角的大小，可達到調(diào)整輸出電壓和穩(wěn)定電壓的目的。其電路如圖10所式。
斬波型
斬波型開關(guān)穩(wěn)壓電源是指直流供電，輸入直流電壓加到開關(guān)電路上，在開關(guān)電路的輸出端得到單向的脈動直流，經(jīng)過濾波得到與輸入電壓不同的穩(wěn)定的直流電壓，電路還從輸出電壓取樣，經(jīng)過比較、放大、控制脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生的脈沖信號，用以控制調(diào)整開關(guān)的導(dǎo)通時間和截止時間的長短或開關(guān)的工作頻率，最后達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。電路的過壓保護電路也是依據(jù)這一部分提供的取樣信號來進行工作的，斬波型電路形式如圖9所示。
隔離型
這種形式的開關(guān)電源是在輸入回路與逆變電路之間，經(jīng)過高頻變壓器（也可稱為開關(guān)變壓器），利用磁場的變化實現(xiàn)能量的傳遞，沒有電流間的直接流通，隔離型開關(guān)穩(wěn)壓電源采用直流供電，經(jīng)過開關(guān)電路，將直流電變成頻率很高的交流電，再經(jīng)變壓器隔離、變壓（升壓或降壓），然后經(jīng)整流器整流，最后就可以得到新的、極性和數(shù)值各不相同的多組直流輸出電壓。電路從輸出端取樣，經(jīng)放大后反饋至開關(guān)控制端，控制驅(qū)動電路的工作，最后達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。這種形式的開關(guān)穩(wěn)壓電源在實際穩(wěn)壓電源中應(yīng)用最為廣泛。
(9)按電路結(jié)構(gòu)劃分
散件式
整個開關(guān)穩(wěn)壓電源電路都是采用分立元器件組成的，它的電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，可靠性較差。
集成電路式
整個開關(guān)穩(wěn)壓電源電路或電路的一部分是由集成電路組成的，這種集成電路通常為厚膜電路。有的厚膜集成電路中包括開關(guān)晶體管，有的則不包括開關(guān)晶體管。這種電源的特點是電路結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、可靠性高。彩色電視機中常采用這種開關(guān)電源。
以上五花八門的開關(guān)穩(wěn)壓電源的品種都是站在不同的角度，以開關(guān)穩(wěn)壓電源不同的特點命名的。盡管各種電路的激勵方法、輸出直流電壓的調(diào)節(jié)手段、儲能電感的連接方式、開關(guān)管器件種類以及串并聯(lián)結(jié)構(gòu)等各不相同，但是它們最后總可以歸結(jié)為串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源和并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源這兩大類。這兩大類也正是作者對開關(guān)穩(wěn)壓電源的劃分方法。
[ 完 ]
滬公網(wǎng)安備31010802001143號
