开关电源的基本原理及发展趋势探析_侯清江

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1、开关电源的基本原理及发展趋势探析侯清江开关电源的基本原理及发展趋势探析Thebasicprincipleofswitchingpowersupplyanddevelopmenttrendof侯清江，张黎强，许栋刚HOUQing-jiang,ZHANGLi-qiang,XUDong-gang(郑州职业技术学院，郑州450121)摘要：电源是各种电子设备不可或缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。本文从开关电源自身的优点及其发展和应用现状出发，阐述了其脉冲宽度调制式

2、、脉冲频率调制方式、混合调制方式的工作原理，并从主电路、控制电路等方面分析了其组成，最后论述了开关电源的发展趋势。关键词：开关电源；基本原理；发展趋势中图分类号：TN86文献标识码：A文章编号：1009-0134(2010)09-0160-03Doi:10.3969/j.issn.1009-0134.2010.09.491开关电源概述电源是各种电子设备不可或缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。目前常用的直流稳压电源和开关电源两大类。由于开关电源本身消耗的能量低

3、，电源效率比普通线性稳压电源提高一倍，被广泛用于电子计算机、通讯、家电等各个行业。对于开关电源的广泛应用，有必要对其原理进行了解、对其发展趋势有所掌握,对现实工作将有极大帮助。开关电源（SwitchModePowerSupply,即SMPS）被誉为高效节能型电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成稳压电源的主流产品。半个世纪以来，开关电源大致经历了四个发展阶段。早期的开关电源全部由分离元件构成,不仅开关频率低、效率不高，而口电路复杂，不易调试。在20世纪70年代研制出的脉宽调制器集成电路，仅对开关

4、电源中的控制电路实现了集成化。20世纪80年代问世的单片开关稳压器，从本质上讲仍属于DC/DC电源变换器。随着各种类型单片开关电源集成电路的问世，AC/DC电源变换器的集成化变为现实。随着全球对能源问题的重视，电子产品的耗能问题将愈来愈突出，如何降低其待机功耗，提高供电效率成为一个急待解决的问题。传统的线性稳压电源虽然电路结构简单、工作可靠，但它存在着效率低（只有40%-50%）、体积大、铜铁消耗量大，工作温度高及调整范围小等缺点。为了提高效率，人们研制出了开关式稳压电源,它的效率可达85%以上，

5、稳压范围宽，除此之外，还具有稳压精度高、不使用电源变压器等特点,是一种较理想的稳压电源。正因为如此，开关式稳压电源已广泛应用于各种电子设备中，开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的导通与截止，将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压。1开关电源的基本原理和组成2.1基本原理开关电源按控制原理来分类，大致有以下3种工作方式：1）脉冲宽度调制式，简称脉宽调制（PulseWidthModulation,缩写为PWM）式。其主要特点是固定开关频率，通过改变脉冲宽

6、度來调节占空比，实现稳压冃的。其核心是脉宽调制器。开关周期的固定为设计滤波电路提供了方便。但是，它的缺点是受功率开关最小导通时间的限制，对输出电压不能作宽范围调节；此外，输出端一般要接假负载（亦称预负载），以防止空载时输出电压升高。冃前，大多数的集成开关电源采用PWM方式。2）脉冲频率调制方式，简称脉频调制（PulseFrequencyModulation,缩写为PFM）式。其特点是将脉冲宽度固定，通过改变开关频率来调节占空比,实现稳压的目的。英核心是脉频调制器。收稿日期：2009-12-25作者

7、简介：侯清江（1968・），男，河南新安人，讲师，本科，研究方向为电子技术、自动化。【160】第32卷第9期2010-9在电路设计上要用固定脉宽发生器来代替脉宽调制器中的锯齿波发生器，并利用电压?频率转换器（例如压控振荡器VCO）改变频率。它的稳压原理是：当输出电压Uo升高时，控制器输出信号的脉冲宽度不变而周期变长，使占空比减小，Uo降低。PFM式开关电源的输出电压调节范围很宽,输出端可不接假负载oPWM方式和PFM方式的调制波形分别如图1（a）、（b）所示，tp表示脉冲宽度（即功率开关管的导通时

8、间tON）,T代表周期。从中可以比较容易的看出两者的区别。但它们也有共同之处：（1）均采用时间比率控制（TRC）的稳压原理，无论是改变tp还是T,最终调节的都是脉冲占空比。尽管采用的方式不同，但控制目标一致，可谓殊途同归。（2）当负载由轻变重，或者输入电压从高变低时，分别通过增加脉宽、升高频率的方法使输出电压保持稳定。集成在DC/DC变换器中(例如LM2576型开关稳压器集成电路)，还能集成在AC/DC变换器中(例如TOP250型单片开关电源集成电路)。其中，开关稳压器属于DC/D