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绪论开关电源是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装置，用于交流—直流或直流—直流电能变换，通常称其为开关电源（SwitchedModePowerSupply-SMPS）。其功率从零点几瓦到数十千瓦，广泛用于生活、生产、科研、军事等各个领域。彩色电视机、VCD播放机等家用电器、医用X光机、CT机，各种计算机设备，工业用的电解、电镀、充电、焊接、激光等装置，以及飞机、卫星、导弹、舰船中，都大量采用了开关电源。开关电源的核心为电力电子开关电路，根据负载对电源提出的输出稳压或稳流特性的要求，利用反馈控制电路，采用占空比控制方法，对开关电路进行控制。开关电源的这一技术特点使其同其他形式的电源，如采用调整管的线性电源和采用晶闸管的相控电源相比具有效率高和体积小、重量轻两个明显的优点。因为具有这些优点，开关电源的应用越来越广泛，大有取代线性电源和相控电源的趋势。值得注意的是，开关电源的输出噪声和纹波一般比线性电源大，所以在需要非常低的噪声与纹波（如纹波峰峰值要小于5~10mV）的情况下，仍需要线性电源，由于大功率全功率非常大（1MW以上）时，仍需采用相控电源。但随着控制技术和元器件技术的不断发展，开关电源的各方面的性能都在不断提高，容量也在不断扩大。开关电源的开关管工作在高速的通与断两种状态，所以称为开关电源，其原理是用整流电路先把交流变成直流，再用开关管把直流电变成高频的直流电，这个高频直流在通过开关变压器时，在次级感应出交流电流，再通过整流滤波后，变成平稳的直流电，同时有控制电路根据输出电压调整开关管的通与断的比例（占空比）。由于开关变压器的频率很高，同样的功率，体积可以做的很小，所以整个电源可以做到体积小重量轻。开关电源能输出多种可控的直流电压供不同的电路使用。第1章开关电源简介1.1开关电源的发展简史开关电源是相对线性电源说的。他输入端直接将交流电整流变成直流电，再在高频震荡电路的作用下，用开关管控制电流的通断，形成高频脉冲电流。在电感（高频变压器）的帮助下，输出稳定的低压直流电。由于变压器的磁芯大小与他的工作频率的平方成反比，频率越高铁心越小。这样就可以大大减小变压器，使电源减轻重量和体积。而且由于它直接控制直流，使这种电源的效率比线性电源高很多。这样就节省了能源，因此它受到人们的青睐。随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。传统的晶体管串联调整稳压电源是连续控制的线性稳压电源。这种传统稳压电源技术比较成熟，并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等优点。但其通用都需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器。由于调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率很低，一般只有45%左右。另外，由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，很难满足现代电子设备发展的要求。20世纪50年代，美国宇航局以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发了开关电源。在近半个多世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。20世纪80年代，计算机全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。20世纪90年代，开关电源在电子、电器设备、家电领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入高速发展期。并且自开关稳压电源问世后，在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。早期出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管工作于开关状态。随着脉宽调制（PWM）技术的发展，PWM开关电源问世，它的特点是用20kHz的载波进行脉冲宽度调制，电源的效率可达65%~70%，而线性电源的效率只有30%~40%。因此，用工作频率为20kHz的PWM开关电源替代线性电源，可大幅度节约能源，从而引起了人们的广泛关注，在电源技术发展史上被誉为20kHz革命。随着超大规模集成(ultra-large-scale-integrated-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；而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池的便携式电子设备(如手提计算机、移动电话等)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重量也要小。此外，还要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。这一切高新要求边不断促进了开关电源的发展和进步。1.2开关电源的发展趋势和前景展望随着电力电子、电机制造技术以及新型材料的飞速发展，电源已成为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的工作。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，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，开关电源被誉为高效节能型电源。开关电源广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、通讯设备、电力设备、仪器仪表等领域。它不仅体积小重量轻，并且电源效率非常高，效率甚至能达到90%以上。迅速发展的社会，对能源的要求越来越高，开关电源的高效率不但节省了大量电能，而且节省的大量的材料。虽然开关电源的成本相对较高，但研究发现在功率超过一定功率时，成本反而比线性电源低。并且高可靠性的开关电源还是各种设备可靠工作的保证。调查发现，大多数的设备损坏都是电源造成的，因此研究高可靠性的开关电源，对生产生活是至关重要的。开关电源可将电网输入的交流电压直接整流再进行PWM控制，这样可省去笨重的电源变压器，使电源的体积大大缩小，重量减轻。在隔离式开关电源中，高频隔离变压器由于频率高而可以使体积小、重量轻。对产品推广有重要意义。迄今为止，电源已成为非常重要的基础科技和产业，并广泛应用于各行业，从日常生活到最尖端的科学都离不开电源技术的参与和支持，其发展趋势为高频、高效、高密度化，低压、大电流化和多元化。同时，封装结构、外形尺寸日趋接国际标准化，以适应全球一体化市场的要求。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立元件构成，不仅开关频率低、效率不高，而且电路复杂，不易调试。在20世纪70年代研制出的脉宽调制器集成电路，仅对开关电源种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AC/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。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、体积大、铜铁消耗量大，工作温度高及调整范围小的缺点。开关电源的效率比线性电源高很多。这样就节省了能源，因此它受到了人们的青睐。但它也有缺点，就是电路复杂维修困难，对于电路的污染严重。电源噪声大，不适合用于某些低噪声电路。开关电源的技术追求和发展趋势可以概括为以下四个方面:小型化、微型化、轻量化、高频化。开关电源的体积、重量主要由储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化实质上就是竟可能减小其中储能元件的体积。在一定范围能，这样就节省了能源，因此它受到人们的青睐。但它也有缺点，就是电路复杂，维修困难，对电路的污染严重。电源噪声大，不适合用于某些低噪声电路。开关电源的技术追求和发展趋势可以概括为以下四个方面：（1）小型化、薄型化、轻量化、高频化。开关电源的体积、重量主要是由储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能，因此高频化是开关电源的主要发展方向。（2）高可靠性。开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍，因此降低了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度，采用模块化技术可以满足分布式电源系统的需要提高系统的可靠性。（3）低噪声。开关电源的缺点之一是噪声大，单纯地追求高频化，噪声也会随之增大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声，所以，尽可能降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。（4）采用计算机辅助设计和控制。采用CAA技术设计最新变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。在电路中引入微机检测和控制，可构成多功能监控系统，可以实时检测、记录并自动报警等。开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关，高频化的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。发展电力MOSFET、IGBT等新型高速器件，开发高频用的低损磁性材料，改进磁元件的结构及设计方法，提高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等方面的工作，对于开关电源小型化始终产生着巨大的推动作用。总之，人们在开关电源技术领域里，边开发低损耗回路技术，边开发新型元器件，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数的市场增长率向小型、薄型、高频、低噪声、高可靠方向发展。第二章开关电源的分类、特点和基本工作原理2.1开关电源的分类开关型稳压电源的种类很多，分类方法也有多种。从推动功率管的方式来分可分为自激式和它激式，在自激式开关电源中由开关管和高频变压器构成正反馈环路来完成自激振荡；它激式开关稳压电源必须附加一个振荡器，振荡器产生的开关脉冲加在开关管上，控制开关管的导通和截至。按开关管的个数及连接方式可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式等，单端式开关电源仅用一个开关管，推挽式和半桥式采用两个开关管，全桥式则采用四个开关管。按开关管的连接方式，开关电源分为串联型与并联型开关电源，串联型开关电源的开关管是串联在输入电压与输出负载之间的，属于降压式稳压电路;而并联型开关电源的开关管是并联在开关电源之间的，属于升压式电路。一般来说，功率很小的电源（1~100W）采用电路简单、成本低的反激型电路较好；当电源功率在100W以上且工作环境干扰很大、输入电压质量恶劣、输出短路频繁时，则应采用正激型电路；对于功率大于500W、工作条件较好的电源，则采用半桥或全桥电路较为合理；如果对成本要求比较严，可以采用半桥电路；如果功率很大，则应采用全桥电路；推挽电路通常用于输入电压很低、功率较大的场合。2.2开关电源的特点(1)效率高。开关电源的功率开关调整管工作在开关状态，所以调整管的功耗小，效率高，一般在80%～90%，高的可达90%以上；(2)重量轻。由于开关电源省掉了笨重的电源变压器，节省了大量的漆包线和硅钢片，从而使其重量只有同容量线性电源的1/5，体积也大大缩小了；(3)稳压范围宽。开关电源的交流输入电压在90~270V内变化时，输出电压的变化在±2%以下。合理设计开关电源电路，还可使稳压范围更宽并保证开关电源的高效率；(4)安全可靠。在开关电源中，由于可以方便地设置各种形式的保护电路，因此当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保障其功能可靠；(5)功耗小。由于开关电源的工作频率高，一般在20kHz以上，因此滤波元件的数值可以大大减小，从而减小功耗；特别是，由于功率开关管工作在开关状态，损耗小，不需要采用大面积散热器，电源温升低，周围元件不致因长期工作在高温环境而损坏，因此采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性。2.3开关电源的基本工作原理目前生产的开关电源大多采用采用脉宽调制方式，少数采用频率调制方式，下面对开关电源控制方式及脉宽调制的基本原理做简要介绍。（1）脉宽调制型,即为PWM技术。PWM技术，全称脉冲宽度调制（PulsewidthModulation，PWM）技术，是通过对一系列脉冲的宽度进行调制来等效地获得所需波形（含形状和幅值）的。PWM控制技术