1.4 开关电源的进展

随着对节能技术的呼声越来越高，电子设备小型化的要求，对环境保护的更高要求，开关电源技术也在飞速地发展着，更高效率、更小体积、更少电磁污染、更可靠工作的开关电源几乎每年都有新品出现，下面进行简要介绍。

1.4.1 不断提高元器件性能

开关电源的发展与元器件的发展密切相关。开发大功率高速开关器件和低损耗磁性材料会对开关电源的发展具有推动作用。同时，开关电源的发展也会对元器件提出新的要求。

功率MOSFET和IGBT可使开关稳压电源的工作频率达到400kHz以上，甚至可以达到1MHz。20世纪90年代，第4代功率铁氧体磁性材料的开发成功，使开关电源的工作频率达到500kHz以上成为可能。

在开关电源中常用的电容器有陶瓷电容器、薄膜电容器、铝电解电容器、钽电容器和超容电容器等。其中超容电容器的发展尤其引人注目。超容电容器具有非常大的电极表面和非常小的电极相对距离，这样可制造出超大容量的电容器，超容电容器为开关电源电容器的发展提供了新的途径。

开关变压器是开关电源的重要组件。平面变压器为近几年新研发出来的产品，它与普通的开关变压器不同之处是没有铜导线，用单层或多层印制电路板取而代之，因此它的厚度薄，可直接印制在电路板上。其优点是能量密度高、体积小，只有普通开关变压器的1/4左右；它的效率很高，一般可达97%～99%；它的工作频率可达500kHz～2MHz，并且漏感和电磁干扰都很小。

1.4.2 不断提高电路集成度

自20世纪80年代集成开关稳压器问世以来，国外相继研制和生产了多种单片开关稳压器，它们的共同特点是将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等置于一个芯片中，但在应用时仍需未经稳压的直流输入。20世纪90年代中期，Motorola、Philips等公司相继推出交流输入的单片开关稳压器，由于不需要未经稳压的直流输入，便可免去工频变压器，开关稳压电源进一步微型化。

1.4.3 不断采用新技术

1. 软开关技术

在开关电源发展的初期阶段，功率开关管的开通或关断是在器件上的电压或电流不为零的状态下进行的。即在器件上的电压未达到零电压时强迫器件开通，在器件中流经的电流未达到零电流时强迫器件关断。这种工作状态称之为“硬开关”。随着开关频率的提高，开关损耗也增大。因此，硬开关技术限制了开关电源的工作频率和效率的提高。

20世纪70年代，软开关技术的出现，使开关电源的工作频率和效率大大提高。所谓“软开关”是指零电压开关（Zero Voltage Switching，ZVS）或零电流开关（Zero Current Switching，ZCS）。它是应用准谐振原理，使开关器件中的电压（或电流）按正弦规律变化，使电压为零时器件开通，或者电流为零时器件关断。这样一来，开关损耗可以降低为零。应用软开关技术，可以使开关电源的工作频率达到兆赫的量级。

准谐振电路是在PWM电路中接入电感和电容构成的，它可以将流经开关管的电流以及加在开关管两端的电压波形变为准正弦波。如图1-13所示，表示出电流谐振开关（ZCS）和电压谐振开关（ZVS）的基本电路以及工作波形。

图1-13（a）所示是电流谐振开关，谐振用电感L和开关VT串联，流经开关的电流is为正弦波的一部分。当开关导通时，电流is从零以正弦波形状上升，上升到电流峰值后，又以正弦波形状减小到零，电流变为零之后，开关断开。开关再次导通时，重复以上过程。由此可见，开关在零电流时通断。在零电流开关中，开关通断时与电压重叠的电流非常小，从而可以降低开关损耗。采用电流谐振开关时，寄生电感可作为谐振电路元件的一部分，这样可以降低开关断开时产生的浪涌电压。

图1-13（b）所示电路为电压谐振开关，谐振电容C与开关并联，加在开关两端的电压Us波形为正弦波的一部分。开关断开时，开关两端电压从零以正弦波形状上升，上升到峰值后又以正弦波形状下降为零。电压变为零之后，开关导通。开关再断开时，重复以上过程。可见开关在零电压处通断。在零电压开关中，开关通断时与电流重叠的电压非常小，从而可以降低开关损耗。这种开关中寄生电感与电容作为谐振元件的一部分，可以消除导通时的电流浪涌与断开时的电压浪涌。

2. 同步整流技术

从目前开关电源的应用情况来看，其发展方向趋于低电压、大电流。在这种情况下，以前是应用肖特基二极管做二次侧整流，当开关电源的输出电压降低时，这种整流方式会使电源的效率大幅度下降。如输出电压为5V时，效率不到85%；输出电压为3.3V和1.5V时，其效率仅分别为80%和65%。

利用同步整流技术可以大大提高低电压开关电源的效率。同步整流技术是通过控制功率MOSFET的驱动电路来实现功率MOSFET完成整流功能的技术。利用同步整流技术大大提高了二次侧整流的效率，使开关电源的效率达到90%以上。

3. 功率因数校正（PFC）技术

开关电源的电磁干扰是其主要缺点之一。为了减小开关电源对供电电网的污染和对外部电子设备的干扰，电源中普遍采用了功率因数校正技术。功率因数校正技术的主要作用是使电网输入到电源的电流波形近似为正弦波，并与输入的电网电压保持同相位，即实现功率因数为1。

功率因数校正有两种方法：无源功率因数技术和有源功率因数技术。无源功率因数技术是采用电感、电容滤波来提高功率因数，它提高功率因数的效果不理想，并且体积大、笨重。有源功率因数技术是利用一个变换器串入在整流滤波器和DC/DC变换器之间，控制输入电流紧随输入电压，从而实现功率因数为1的目的。

4. 开关电源的数字化

近年来，数字电源的研究势头与日俱增，成果也越来越多，在电源数字化方面走在前面的公司有TI和Microchip，即德州仪器公司和微芯国际公司。TI公司已经用DSP的TMS320C28F10制成了通信用的48V大功率电源模块，其中PFC和PWM部分完全为数字式控制。如今，TI公司已经研发出了多款数字式PWM控制芯片，目前主要是UCD7000系列、UCD8000系列和UCD9000系列，它们将成为下一代数字电源的探路者。

UCD7000系列主要是数字控制的功率驱动级，既有驱动正激电路的，也有驱动推挽和半桥电路的，它需要微控制器或DSP给出 PWM的数控信号，才能构成一个完整的数字电源。

UCD8000系列主要是将数字式的PWM和驱动部分集成在一起，用它设计数字电源只需外加微控制器或DSP即可。

UCD9000系列主要包括DSP及数字PWM部分，它需要与UCD7000系列合作来组成数字电源。

必须承认的是，数字电源虽已开发成功，但技术还不够成熟，还有很长的路要走！