開關電源的應用及展望*

張鐘艾，張祖軒，張正輝，于德添，孫 強，王 麗

天津農學院 工程技術學院，天津 300392

0 引言

開關電源出現于20世紀50年代，之后以令人矚目的速度高速發展并不斷革新。開關電源發展初期是線性穩壓電源，其機械體積大、轉換效率低、能量損耗高且輸入與輸出之間難以隔離。隨著計算機等電子設備的高度集成化，電子設備的功能不斷增強，體積逐漸縮小，在這種環境下迫切需要一種效率高、性能好、重量輕、體積小的新型電源。同時，功率半導體技術和電路制造工藝水平也取得了突破性進展，不僅極大地降低了半導體器件的通斷損耗，而且提高了其工作穩定性和瞬態響應速度，新型開關電源由此產生。

到了20世紀90年代，計算機技術的微型化發展促進了開關電源的產業結構變革，使其朝著與計算機微型化和無線通信高頻化相匹配的方向發展，由此奠定了開關電源的發展方向。技術的不斷升級使開關電源的工作性能和系統穩定性得到了進一步提高，在國防、航天、工業、運輸、通信、家電、儀器儀表和醫療等領域得到了廣泛應用并發揮著十分重要的作用。同時，人們對于電源的需求也隨時代的發展而增加，希望開關電源能夠在有限的空間內具有更高的輸出功率、更好的轉換效率、更豐富的輸出路數以及更完備的軟件控制功能。

如今，開關電源在現代生活中的使用十分廣泛，特別是在一些高精度控制的電子產品中發揮著極其重要的作用。隨著現代化進程的不斷推進，日漸成熟的數字技術促使開關電源向著高頻化、輕量化、小型化、低噪聲、低輸出電壓、高可靠性、智能化的方向發展。

1 開關電源的應用領域

開關電源發展至今已取得了巨大的經濟效益和社會效益，在國防、航天、工業、運輸、通信、醫療等領域得到了廣泛應用。

（1）國防。在國防領域，高頻高壓開關電源可滿足雷達發射機的電源需求，利用其良好的電磁兼容性，使雷達工作時具有超強的抗干擾能力，可勝任惡劣環境干擾下的工作。雷達發射機如圖1所示。

圖1 雷達發射機

（2）航天。在航天領域，在航天地面供電設備中應用智能復合開關電源能夠避免供電電源在投切瞬間造成的設備損失或數據失真，保證試驗現場測試工作的安全性和可靠性[1]。

（3）工業。在工業領域，大功率高頻開關電源可為大負載工業設備提供穩定電源，具有低損耗、高效率、高穩定、維護方便等優點，滿足工業生產需求[2]。

（4）運輸。在運輸領域，可根據直線電機運輸系統的需求，設計具有特定機械結構和專一功能的新型開關電源，實現運輸效率的最大化。

（5）通信。在通信領域，使用開關電源對無線通信設備系統進行供電，使通信設備在惡劣條件下也能獲得穩定的電壓，并依靠其電磁兼容性進一步提高通信質量，保障通信設備的穩定可靠運行。

（6）醫療。在醫療領域，在外科手術過程中可以使用高頻開關電源驅動的高頻電刀，相較于傳統手術刀，高頻開關電源（見圖2）驅動的高頻電刀在手術臨床診療活動中能夠明顯減少切口出血量，降低感染率，極大地提高手術成功率，在現代醫療領域中發揮著極其重要的作用[3]。在外科手術過程中應用的高頻開關電源如圖2所示。

圖2 外科手術過程中應用的高頻開關電源

2 開關電源的發展階段與展望

2.1 開關電源的發展階段

開關電源的發展經歷了硬開關電源、軟開關電源、同步整流開關電源和數字控制開關電源四個發展階段。

2.1.1 硬開關電源

硬開關電源的電路結構比較簡單，初期，各項技術的不成熟導致其工作過程中存在極高的開關損耗，且具有嚴重的電磁干擾。

2.1.2 軟開關電源

改進后的軟開關電源提高了直流變換器的功率密度，降低了系統的容性開通電流尖峰和感性關斷電壓尖峰，改善了高頻性能和動態響應。

在發展初期，受電源技術發展的限制，開關電源器件在較長的一段時間內都是硬開關電源，隨著軟開關電源的日漸成熟，其以明顯的經濟技術優勢受到廣大消費者的青睞。在相同的經濟條件下，軟開關電源的電能損耗更低，能量轉換率更高，可以結合使用軟開關電源與硬開關電源的優勢，在設計電器產品時，既要發揮軟開關電源的效率高、頻率高、損耗小的優勢，又要充分利用硬開關電源的電流、電壓定額小，易于濾波的獨特性能，得到最佳的能量轉換性能。

2.1.3 同步整流開關電源

同步整流開關電源用具有極低的導通壓降的功率器件MOSFET替換功率變換器中的功率二極管，可以極大地降低開關電源工作時的導通損耗，避免出現轉換器功率開關閉合使電感電流變為零的情況。

2.1.4 數字控制開關電源

數字控制開關電源是將數字電源通過A/D轉換器采樣，利用微控制器計算誤差，通過數字電源控制器單片機、DSP、FPGA的閉環算法，得到一定的占空比來控制功率開關管的開斷。

數字控制開關電源的參數一致性好，可最大限度地避免誤差、老化、溫漂等問題，具有較強的穩定性和抗干擾能力，而且在一些精密、復雜的系統中，采用高級的控制算法可以提高工作效率。然而，數字開關電源也存在不少弊端，如采樣及量化精度低、相位延遲長、控制周期長等技術難關尚未攻克，因此極大地限制了其使用場所和市場普及率[4]。

2.2 開關電源的展望

隨著科技革命席卷全球，半導體技術取得了巨大突破。加之制造工藝水平的不斷提升，半導體功率器件的可靠性和響應速度隨之提升。目前，開關電源廣泛用于由電力電子元件構成的終端和通信設備中，驅動開關電源向更高水平發展，需要實現開關電源的“四高”（高頻率、高效率、高可靠性、高功率密度）和“四化”（標準化、模塊化、智能化、電磁兼容化）。若能將開關電源每個發展階段的技術優勢結合在一起進行優勢互補，將進一步拓展開關電源的應用范圍，使開關電源邁入更高的發展階段，推動產業的革新。

3 開關電源的調制方式和展望

3.1 開關電源的調制方式

電磁兼容技術的飛速發展與電源集成度的不斷提高使得開關電源調制方式的選取變得尤為重要，其模擬調制方式分為脈沖寬度調制（PWM）、脈沖頻率調制（PFM）和混合調制（PWM-PFM）三種[5]。

3.1.1 PWM調制

PWM調制分為電壓型PWM調制和電流型PWM調制。在輸出電壓、外部負載或其他外界環境發生變化時，電壓型PWM調制將基準信號與被控制信號進行對比形成閉環控制，繼而構成反饋，調節MOSFET管的占空比，輸出高頻穩定的電壓；電流型PWM調制是將輸出電流作為反饋信號，輸出電壓通過反向電流調制驅動脈沖寬度進行穩定，具有即時反饋迅速的優點。

3.1.2 PFM調制

PFM調制通過固定脈沖寬度、改變開關頻率來調節占空比。它的主要優點是靜態功耗很小，缺點是不夠穩定，沒有限流功能。很多便攜設備一般采用PFM調制方式，因為相較于PWM方式，PFM型開關電源在頻率和占空比不高時，可以使用小電流驅動控制芯片工作，以降低損耗[6]。

3.1.3 混合調制

混合調制方式結合了PWM和PFM兩種調制方法，同時使用脈寬調制器和脈頻調制器，可以改變脈沖的時鐘頻率和占空比，無論接入大功率或小功率負載，都具備很高的實用價值。但其結構復雜、生產煩瑣、價格高昂，不能在所有電子設備中使用[7]。

3.2 開關電源調制方式的展望

目前，集成電路的發展已達到瓶頸，雖然開關電源模擬調制的優勢很多，但缺點也不容忽視。其使用的元器件較多，需占用很大空間，不利于設備放置，而且元器件本身的參數會隨使用環境條件的改變而變化，影響系統的穩定性和響應能力。

根據相關理論可知，通過數字方式控制的開關電源具有工作高效性和系統穩定性，而且排除了主觀因素的影響，保證了設備工作的可靠性。然而，目前的數字控制技術目前并不成熟，只在一些簡單的元件設備中有所應用，對于精密復雜的器件設備，存在關鍵性的理論問題尚未攻克，且實際的工藝制造水平有限，目前還無法生產出高精度、高集成化的數字控制芯片。目前，數字控制的開關電源還處在發展階段，但其優點顯而易見，具有很廣闊的發展前景，值得研發工作者努力探索[8-9]。

4 結論

開關電源發展至今經歷了多次革新，緊跟時代步伐，不斷創新發展，從而滿足人們的生活需要。如今，展現在人們面前的現代開關電源相較于早期雖然提升巨大，但是站在人類科技發展史的角度來看，開關電源的發展還有很長的路要走。隨著半導體技術、自動控制技術、電磁技術、數字智能技術等的不斷發展，開關電源未來將朝著高頻化、數字化、模塊化、綠色化的方向發展，實現現代電源技術的智能高效與綠色可靠發展，進而促進電源技術的現代化發展。