1 開關(guān)電源的發(fā)展過程

　　開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)，通過控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率（占空比），調(diào)整輸出電壓，維持輸出穩(wěn)定的一種電源。早在20世紀(jì)80年代計(jì)算機(jī)電源全面實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源化，率先完成計(jì)算機(jī)電源換代，進(jìn)入90年代開關(guān)電源已廣泛應(yīng)用在各種電子、電器設(shè)備，程控交換機(jī)、通訊、電力檢測設(shè)備電源和控制設(shè)備電源之中。開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)電源和線性電源相比，兩者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但兩者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開關(guān)電源，這一點(diǎn)稱為成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使的開關(guān)電源技術(shù)也不斷的創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動(dòng)，從而為開關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間。

　　開關(guān)電源高頻化使其發(fā)展的方向，高頻化使開關(guān)電源小型化，并使開關(guān)電源更進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)了高技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。

　　人們?cè)陂_關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域是邊開發(fā)相關(guān)電力電子器件，邊開發(fā)開關(guān)變頻技術(shù)，兩者相互促進(jìn)推動(dòng)著開關(guān)電源每年以超過兩位數(shù)字的增長率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開關(guān)電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類，也有AC/AC DC/AC 如逆變器 DC/DC變換器現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)模塊化，且設(shè)計(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，并已得到用戶的認(rèn)可，但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進(jìn)程中，遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問題。以下分別對(duì)兩類開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)和特性作以闡述。

　　2 開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展趨勢

　　開關(guān)電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。由于開關(guān)電源輕、小、薄的關(guān)鍵技術(shù)是高頻化，因此國外各在開關(guān)電源制造商都致力同步開發(fā)新型高智能化的元器件，特別是改善二次整流器件的損耗，并在功率鐵氧體（Mn-Zn）材料上加大科技創(chuàng)新，以提高在高頻率和較大磁通密度（Bs）下獲得高的磁性能，而電容器的小型化也是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。SMT技術(shù)的應(yīng)用使得開關(guān)電源取得了長足的進(jìn)展，在電路板兩面布置元器件，以確保開關(guān)電源的輕、小薄。開關(guān)電源的高頻化就必然對(duì)傳統(tǒng)的PWM開關(guān)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)ZVS、ZCS的軟開關(guān)技術(shù)已成為開關(guān)電源的主流技術(shù)，并大幅提高了開關(guān)電源的工作效率。對(duì)聯(lián)高可靠性指標(biāo)，美國的開關(guān)電源生產(chǎn)商通過降低運(yùn)行電流，降低結(jié)溫等措施以減少器件的應(yīng)力，使得產(chǎn)品的可靠性大大提高。

　　模塊化是開關(guān)電源發(fā)展的總體趨勢，可以用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng)，可以設(shè)計(jì)成N+1冗余電源系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)并聯(lián)方式的容量擴(kuò)展。針對(duì)開關(guān)電源運(yùn)行噪聲大這一缺點(diǎn)，若單獨(dú)追求高頻化，其噪聲也必將隨著增大，而用部分諧振轉(zhuǎn)換電路技術(shù)，在理論上即可實(shí)現(xiàn)高頻化又可降低噪聲，但部分諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)際應(yīng)用仍存在著技術(shù)問題，故仍需在這一領(lǐng)域開展大量的工作，使得多項(xiàng)技術(shù)得以實(shí)用化。電力電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新，開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。要加快我國開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度就必須走技術(shù)創(chuàng)新之路，走出有中國特色的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合發(fā)展之路，為我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

　　1955年美國羅耶（GH.Roger）發(fā)明的自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器，是實(shí)現(xiàn)高頻轉(zhuǎn)換控制電路的開端，1957年美國查賽（Jen Sen）發(fā)明了自激式推挽雙變壓器，1964年美國科學(xué)家們提出取消工頻變壓器的串聯(lián)開關(guān)電源的設(shè)想，這對(duì)電源向體積和重量的下降獲得了一條根本的途徑。到了1969年由于大功率硅晶體管的耐壓提高，二極管反向恢復(fù)時(shí)間的縮短等元器件改善，終于做成了25千赫的開關(guān)電源。

　　目前，開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于以電子計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備等幾乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。目前市場上出售的開關(guān)電源中采用雙極性晶體管制成的100kHz、用MOS－FET制成的500kHz電源，雖已實(shí)用化，但其頻率有待進(jìn)一步提高。要提高開關(guān)頻率，就要減少開關(guān)損耗，而要減少開關(guān)損耗，就需要有高速開關(guān)元器件。然而，開關(guān)速度提高后，會(huì)受電路中分布電感和電容或二極管中存儲(chǔ)電荷的影響而產(chǎn)生浪涌或噪聲。這樣，不僅會(huì)影響周圍電子設(shè)備，還會(huì)大大降低電源本身的可靠性。其中，為防止隨開關(guān)啟-閉所發(fā)生的電壓浪涌，可采用R-C或L-C緩沖器，而對(duì)由二極管存儲(chǔ)電荷所致的電流浪涌可采用非晶態(tài)等磁芯制成的磁緩沖器。不過，對(duì)1MHz以上的高頻，要采用諧振電路，以使開關(guān)上的電壓或通過開關(guān)的電流呈正弦波，這樣既可減少開關(guān)損耗，同時(shí)也可控制浪涌的發(fā)生。這種開關(guān)方式稱為諧振式開關(guān)。目前對(duì)這種開關(guān)電源的研究很活躍，因?yàn)椴捎眠@種方式不需要大幅度提高開關(guān)速度就可以在理論上把開關(guān)損耗降到零，而且噪聲也小，可望成為開關(guān)電源高頻化的一種主要方式。當(dāng)前，世界上許多國家都在致力于數(shù)兆Hz的變換器的實(shí)用化研究。

　　3 開關(guān)電源的分類

　　隨著電力電子器件和開關(guān)變頻技術(shù)幾乎同步開發(fā)的前提下，兩者相互促進(jìn)與推動(dòng)，開關(guān)電源每年以超過兩位數(shù)字的增長率，向輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開關(guān)電源科分為AC/DC和DC/DC兩大類。DC/DC變換器現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)模塊化、成熟化和標(biāo)準(zhǔn)化。但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進(jìn)程中，遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問題。

　　1.系統(tǒng)內(nèi)核小。由于嵌入式系統(tǒng)一般是應(yīng)用于小型電子裝置的，系統(tǒng)資源相對(duì)有限，所以內(nèi)核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。比如Enea公司的OSE分布式系統(tǒng)，內(nèi)核只有5K，而Windows的內(nèi)核？簡直沒有可比性。

　　2.專用性強(qiáng)。嵌入式系統(tǒng)的個(gè)性化很強(qiáng)，其中的軟件系統(tǒng)和硬件的結(jié)合非常緊密，一般要針對(duì)硬件進(jìn)行系統(tǒng)的移植，即使在同一品牌、同一系列的產(chǎn)品中也需要根據(jù)系統(tǒng)硬件的變化和增減不斷進(jìn)行修改。同時(shí)針對(duì)不同的任務(wù)，往往需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行較大更改，程序的編譯要和系統(tǒng)相結(jié)合，這種修改和通用軟件的“升級(jí)”是完全兩個(gè)概念。

　　3.系統(tǒng)精簡。嵌入式系統(tǒng)一般沒有系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的明顯區(qū)分，不要求其功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)上過于復(fù)雜，這樣一方面利于控制系統(tǒng)成本，同時(shí)也利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全。

　　4.高實(shí)時(shí)性的系統(tǒng)軟件（OS）是嵌入式軟件的基本要求。而且軟件要求固態(tài)存儲(chǔ)，以提高速度；軟件代碼要求高質(zhì)量和高可靠性。

　　5.嵌入式軟件開發(fā)要想走向標(biāo)準(zhǔn)化，就必須使用多任務(wù)的操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用程序可以沒有操作系統(tǒng)直接在芯片上運(yùn)行；但是為了合理地調(diào)度多任務(wù)、利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及和庫函數(shù)接口，用戶必須自行選配RTOS（Real－Time Operating System）開發(fā)平臺(tái)，這樣才能保證程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性、可靠性，并減少開發(fā)時(shí)間，保障軟件質(zhì)量。

　　6.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要開發(fā)工具和環(huán)境。由于其本身不具備自舉開發(fā)能力，即使設(shè)計(jì)完成以后用戶通常也是不能對(duì)其中的程序功能進(jìn)行修改的，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā)，這些工具和環(huán)境一般是基于通用計(jì)算機(jī)上的軟硬件設(shè)備以及各種邏輯分析儀、混合信號(hào)示波器等。開發(fā)時(shí)往往有主機(jī)和目標(biāo)機(jī)的概念，主機(jī)用于程序的開發(fā)，目標(biāo)機(jī)作為的執(zhí)行機(jī)，開發(fā)時(shí)需要交替結(jié)合進(jìn)行。

　　3.1 DC/DC變換

　　DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有：脈寬調(diào)制方式（Ts不變，改變ton）和頻率調(diào)制方式（ton不變，改變Ts）兩種。前者較為通用，后者容易產(chǎn)生干擾。其具體電路有Buck電路（降壓斬波器，其輸出平均小于輸入電壓，極性相同）、Boost電路（升壓斬波器，其輸出平均電壓大于輸入電壓，極性相同）、Buck—Boost電路（降壓或升壓斬波器，電感傳輸方式。其輸出平均電壓大于或小于輸出電壓，極性相反）和Cuk電路（降壓或升壓斬波器，電容傳輸方式。其輸出平均電壓大于或小于輸入電壓，極性相反）四種。

　　當(dāng)今世界軟開關(guān)技術(shù)使得DC/DC變換器發(fā)生了質(zhì)得變化和飛躍。美國VICOR公司設(shè)計(jì)制造得多種ECI軟開關(guān)DC/DC變換器，輸出功率有300W、600W、800W等，相應(yīng)得功率密度為（6.2、10、17）W/cm3，效率為（80—90）%。日本NemicLambda公司推出得一種采用軟開關(guān)技術(shù)得高頻開關(guān)電源模塊RM系列，其開關(guān)頻率為200—300KHz,功率密度已達(dá)27W/cm3，采用同步整流器（MOS-FET代替肖特基二極管），使整個(gè)電路效率提高到90%。

　　3.2 AC/DC變換器

　　AC/DC變換器是將交流電壓變換成直流電壓，其功率流向可以是雙向的功率六由電源流向負(fù)載的稱為“整流”，功率六有負(fù)載返向電源的稱為“有源逆變”。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電，因必須經(jīng)整流、濾波，因此體積相對(duì)較大的濾波電容器是必不可少的，同時(shí)因遇到安全標(biāo)準(zhǔn)，（如UL、CCE等）及EMC指令的限制（如IEC、FCC、CSA），交流輸入側(cè)必須加EMC濾波及使用符合安全標(biāo)準(zhǔn)的元件，這樣就限制AC/DC電源體積的小型化，另外，由于內(nèi)部的高頻、高壓、大電流開關(guān)動(dòng)作，使得解決EMC電磁兼容問題難度加大，也就對(duì)內(nèi)部高密度安裝電路設(shè)計(jì)提出了很高的要求，由于同樣的原因，高電壓、大電流開關(guān)使得電源工作效率達(dá)到一定的滿意程度。

　　AC/DC變換按電路的接線方式右分為，半波電路、全波電路。按電源相數(shù)可分為，單相。按電路工袋子和象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。

　　4.開關(guān)式穩(wěn)壓電源的工作原理

　　4.1開關(guān)式穩(wěn)壓電源的基本工作原理

　　開關(guān)式穩(wěn)壓電源接控制方式分為調(diào)寬式和調(diào)頻式兩種。調(diào)寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源在實(shí)際開發(fā)和應(yīng)用的中使用得較多，因此，就以調(diào)寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源為例說明其基本工作原理：調(diào)寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本原理可參見圖1。對(duì)于單極性矩形脈沖來說，其直流平均電壓Uo取決于矩形脈沖的寬度，脈沖越寬，其直流平均電壓值就越高。直流平均電壓Ｕ當(dāng)Um與T不變時(shí)，直流平均電壓Uo與脈沖寬度T1成正比。這樣，只要我們?cè)O(shè)法使脈沖寬度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄，即可達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。

　　Um為矩形脈沖電壓值；T為矩形脈沖周期；T1為矩形脈沖寬度。

　　4.2 開關(guān)式穩(wěn)壓電源的原理電路

　　開關(guān)式穩(wěn)壓電源的基本電路框圖如圖2所示。交流電壓經(jīng)整流、濾波電路整流濾波后，輸出一個(gè)含有一定脈動(dòng)成份的直流電壓，再經(jīng)高頻變換器被轉(zhuǎn)換成所需電壓值的方波，再經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?/P>

　　控制電路由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調(diào)制及基準(zhǔn)電壓等電路組成（目前已集成化）。主要起控制高頻開關(guān)元件的開關(guān)時(shí)間比，即脈沖寬度的占空比，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。開關(guān)電源的典型電路主要有單端反激式開關(guān)電源、單端正激式開關(guān)電源、自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源、推挽式開關(guān)電源、降壓式開關(guān)電源、升壓式開關(guān)電源、反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源。

　　5 開關(guān)電源在醫(yī)學(xué)儀器中的應(yīng)用

　　近二十年來，開關(guān)電源已廣泛應(yīng)用在心電圖機(jī)、超聲診斷儀和CT等醫(yī)療儀器設(shè)備之中。本文以美國GE公司專門為CT機(jī)設(shè)計(jì)的CT MAX640型脈寬調(diào)制開關(guān)穩(wěn)壓電源為例加以介紹。該電源由軟啟動(dòng)控制電路、220/110V自動(dòng)識(shí)別電路、晶體管開關(guān)電路（輔助電源）、脈寬調(diào)制（PWM）、驅(qū)動(dòng)電路等部分組成。

　　5.1軟啟動(dòng)控制電路

　　由TR104、TRC101、THF101、R113、R114、R116等組成。開機(jī)瞬間TRC101截止，電流流過THF101、限流電阻R113、R114，輔助開關(guān)電源開始接入直流300V時(shí)，光電耦合器PC101導(dǎo)通。同時(shí)，振蕩波形經(jīng)T101耦合，D106整流、C128濾波，輸出一直流電壓，TR104飽和導(dǎo)通。當(dāng)R116上的直流壓降達(dá)到可控硅TEC101觸發(fā)電壓時(shí)而導(dǎo)通，此時(shí)THF101、R113、R114失去作用，從而實(shí)現(xiàn)了啟動(dòng)時(shí)減少整流橋和濾波電容沖擊電流的作用，即軟啟動(dòng)

　　5.2 自動(dòng)識(shí)別電路

　　由IC101、TRC102、TR101、SS102、R101、R112等組成。當(dāng)輸入220V交流電時(shí)，TRC102截止，220V經(jīng)硅橋SS101整流，濾波后輸出A、B兩組電壓，TR103集電極輸出300V直流電壓；當(dāng)輸入110V交流電壓時(shí)，IC1013腳的輸出電壓使可控硅TRC102導(dǎo)通，K點(diǎn)與硅橋的110V輸入端相連接，再經(jīng)倍壓整流電路（SS101、C109-112、R120、R121）輸出300V直流電壓。為輔助開關(guān)電源及脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路供電。

　　5.3 晶體管開關(guān)電路又稱輔助電源

　　由TR103、T101、TR102等組成。由T1015、6腳耦合過來的交變信號(hào)，經(jīng)D108整流、C127濾波后輸出C、X正壓，為脈寬調(diào)制電路、風(fēng)扇檢測電路、+5V誤差放大負(fù)反饋控制電路供電。

　　5.4 脈寬調(diào)制（PWM）及驅(qū)動(dòng)放大電路

　　由IC201、T103、TR206、T201、PC202、TR203、TR204、TR211等組成。IC201的14腳是+5V基準(zhǔn)電壓，IC601的輸出控制光電耦合管PC202，然后再控制IC201的2腳，通過改變脈沖寬度的占空比，從而獲得穩(wěn)定的+5V電壓。R211、C205分別接在5、6腳，再與IC201內(nèi)部振蕩電路產(chǎn)生頻率為200KHz、電流1.2A的三角波，經(jīng)互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路（TR204-207）放大，驅(qū)動(dòng)晶體管放大器（TR208-211），經(jīng)變壓器T201輸出。D205、D206、C212和T201的P、Q端組成緩沖電路，起降低驅(qū)動(dòng)管功耗的作用。+5V電壓再經(jīng)大型整流濾波電路（SS501-508、L501、L502、C501-525）整流、濾波后輸出。風(fēng)扇檢測電路由D701、C701、TR702-704、PC701等組成。當(dāng)風(fēng)扇出現(xiàn)故障時(shí)，PC701的光傳感器截止，PC202上的光傳感器也截止，IC201的2腳無控制電壓，此時(shí)整機(jī)無+5V電壓輸出。IC601、IC602、PC701、PC201、T101、D601、C601等組成+5V誤差放大負(fù)反饋控制電路。