1.1 开关电源简介

电源是各种电子设备中必不可缺少的一种电子设备，是各种用电设备所需要的各种电压和电流的源泉。有了电源才能正常供电，才谈得上用电设备的正常工作，因此学习电源的相关知识是掌握各种电子设备和用电设备的使用的必修课。

电源有交流电源和直流电源两种。由交流发电机供电的是交流电源，直流电源一般由电池或蓄电池供电。由于直流电源成本较高，交流电源成本低，所以多数大功率设备采用交流电源供电。人们通常所说的电源，多半是指能把电网频率为50Hz的交流电压转换成用电设备所需要的各种直流电压，并能供应出所需要的各种电流的一种电子设备。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20世纪80年代后，计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成了计算机的电源换代；20世纪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、通信、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。开关电源是利用现代电力电子技术，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，它一般由脉冲宽度调制（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增加而增长，但二者的增长速率各异。线性电源的成本在某一输出功率点（成本反转点）上反而高于开关电源。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，高频化使得开关电源小型化，并使开关电源进入了更广泛的应用领域，特别是它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。另外，开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

1.1.1 开关电源的发展历史

开关电源（是开关稳压线性电源的简称）取代线性电源（是晶体管线性稳压电源的简称）已有30多年历史，最早出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管工作在开关状态。之后，脉宽调制（PWM）控制技术有了发展，用以控制开关变换器，由此得到了PWM开关电源，它的特点是使用20kHz脉冲频率或脉冲宽度进行调制。PWM开关电源的效率可达65%～70%，而线性电源的效率只有30%～40%。在发生世界性能源危机的年代，电源效率引起了人们的广泛关注。线性电源工作于工频，因此用工作频率为20kHz的PWM开关电源替代它，可大幅度节约能源，这在电源技术发展史上誉为“20kHz革命”。随着ULSI芯片尺寸的不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多，但航天、潜艇、野外作业设备、通信便携设备更需要小型化，轻量化的电源，因此对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积、质量要小。此外，要求开关电源效率更高，性能更好，可靠性更高等。

尽管我国技术发展水平与国际先进水平平均有5～10年差距，但从我国开关电源的发展过程可以了解国际开关电源发展的一个侧面。20世纪70年代起，我国在黑白电视机、中小型计算机中开始应用5V、20～200A、20kHz的AC-DC开关电源。20世纪80年代，AD-DC开关电源进入大规模生产和广泛应用阶段，并开发研究了0.5～5MHz准谐振型软开关电源。20世纪80年代中期，我国通信（如程控交换机）电源在AC-DC及DC-DC开关电源应用领域中所占比重还比较低。20世纪80年代末期，我国通信电源大规模更新换代，传统的铁磁稳压-整流电源和晶闸管被相控稳压电源所取代，并开始在办公室自动化设备中得到应用。在工业应用方面，开关电源在锅炉火焰控制、继电保护、激光、彩色TV、离子管灯丝发射电流调节、离子注射机、卤钨灯控制等系统中均有应用。20世纪90年代，中、小型（500W以下）AC-DC和 DC-DC开关电源的特点是：高频化（开关频率达 300～400kHz），以达到高功率密度的目的；体积小，质量轻；力求高效和高可靠性；低成本；低输出电压（≤3V）；AC输入端具有高功率因数等。开关电源的应用领域如表1-1所示。

从技术上看，几十年来推动开关电源性能和技术水平不断提高的主要标志有以下几个。

（1）新型高频功率半导体器件的开发使实现开关电源的高频化有了可能。例如，功率MOSFET和IGBT已经可以完全取代功率晶体管和晶闸管，从而使中、小型开关电源的工作频率可达到400kHz（AC-DC）和1MHz（DC-DC）的水平。超快恢复功率二极管、MOS-FE同步整流技术的开发也使得高效、低电压输出（如3V）开关电源的研制有了可能。

（2）软开关技术使高效率高频开关变换器的实现有了可能。PWM开关电源是按硬开关模式工作的（在开/关过程中，电压下降/上升波形和电流上升/下降波形有交叠），因此其开关损耗大。虽然开关电源高频化可以缩小其体积质量，但开关损耗却更大了（功耗与频率呈正比）。20世纪70年代，谐振开关电源奠定了软开关技术的基础。以后新的软开关技术不断涌现，如准谐振全桥移相ZVS-PWM等。当开关器件中的电流（或电压）按正弦或准正弦规律变化时，在电流自然过零时刻，软开关技术使得开关器件关断（或电压为零时，使开关器件开通），从而可减少开关损耗。

（3）控制技术研究的进展。例如，电流型控制及多环控制、电荷控制、功率因数控制、DSP控制，以及相应专用集成控制芯片的研制成功等，使得开关电源的动态性能有了很大提高，电路也得到了大幅度简化。

（4）有源功率因数校正技术（APFC）的开发，提高了AC-DC开关电源的功率因数。由于输入端有整流元件，所以AC-DC开关电源及一大类整流电源供电的电子设备（如逆变器、UPS）等的电网测功率因数仅为0.65。20世纪80年代，使用APFC技术后功率因数可提高到0.95～0.99，既治理了电网的谐波“污染”，又提高了开关电源的整体效率。单相APFC是DC-DC开关变换器拓扑和功率因数控制技术的具体应用，而三相APFC则是三相PWM整流开关拓扑和功率因数控制技术的结合。

（5）磁性元件新型磁材料和新型变压器的开发。例如，集成磁路、平面型磁芯、超薄型（Lowprofile）变压器，以及新型变压器（如压电式、无磁芯印制电路（PCB）变压器）等，使得开关电源的体积和质量都减少许多。

（6）新型电容和EMI滤波器技术的进步，使得开关电源小型化并提高了EMC性能。

（7）微处理器监控和开关电源系统内部通信技术的应用，提高了电源系统的可靠性。20世纪90年代末出现了很多新的开关电源技术，如：用一级AC-DC开关变换器实现稳压或稳流，并具有功率因数校正功能，称为单管单级或4S高功率因数AC-DC开关变换器；输出1V，50A的低电压大电流DC-DC变换器，又称电压调节模块VRM，以适应下一代超快速微处理器供电的需求；多通道DC-DC开关变换器；网络服务器的开关电源可携带式电子设备的高频开关电源等。

几种开关电源的实物如图1-1所示。

1.1.2 开关电源技术的发展方向

1.小型、薄型、轻量化

由于电源轻、小、薄的关键是高频化，所以，国外目前都在致力于开发新型高频元器件，特别是改善二次整流管的损耗、变压器及电容的小型化，并同时采用表面安装（SMT）技术在印制电路板两面布置元器件以确保开关电源的轻、小、薄。

2.高效率

开关电源高频化使传统的PWM开关（硬开关）功耗加大，效率降低，噪声也增大了，达不到高频、高效的预期效益，因此，实现零电压导通、零电流关断的软开关技术将成为开关电源未来的主流。采用软开关技术可以使效率达到88%～92%。

3.高可靠性

在设计方面，开关电源使用较少的器件，提高了集成度，这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护等功能，简化了电路，提高了平均无故障时间。特别是单片开关电源的出现，极大提高了可靠性。

4.模块化

开关电源模块化（模块电源）可以构成分布式电源系统，从而提高可靠性；可以做成插入式，实现热交换，从而在运行中出现故障时能快速更换模块插件；多台模块并联可实现大功率电源系统。此外，还可以在电源系统建成后，根据发展需要不断扩大其容量。

5.低噪声

开关电源的一个缺点是噪声大。若单纯追求电源高频化，噪声便随之增大。采用部分谐振变换技术，在原理上来说既可以实现高频化，又可以降低噪声。但谐振变换技术也有其难点，如难准确地控制开关频率、谐振时增大了元器件负荷、场效应管的寄生电容易引起短路损耗，元器件热应力难以转向开关管等。

6.电源系统的管理和控制

应用微处理器或计算机集中控制和管理电源系统，可以及时反映开关电源环境的各种变化。用中央处理单元实现智能控制，可自动诊断故障，减少维护工作量，确保开关电源的正常运行。

7.计算机辅助设计（CAD）

利用计算机对开关电源进行CAD设计和模拟试验，十分有效，是最为快速经济的设计方法。常采用的软件有Pspice、Saber、Multisim等。