什么是開(kāi)關(guān)電源

一．什么是開(kāi)關(guān)電源

　　開(kāi)關(guān)電源中應用的電力電子器件主要為二極管、IGBT和MOSFET。
　　SCR在開(kāi)關(guān)電源輸入整流電路及軟啟動(dòng)電路中有少量應用，GTR驅動(dòng)困難，開(kāi)關(guān)頻率低，被IGBT和MOSFET取代。
　　開(kāi)關(guān)電源的三個(gè)條件
　　1、開(kāi)關(guān)：電力電子器件工作在開(kāi)關(guān)而不是線(xiàn)性
　　2、高頻：電力電子器件工作在高頻而不是接近工頻的低頻
　　3、直流：開(kāi)關(guān)電源輸出的是直流而不是交流

二．開(kāi)關(guān)電源的分類(lèi)

　　人們在開(kāi)關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域是邊開(kāi)發(fā)相關(guān)電力電子器件，邊開(kāi)發(fā)開(kāi)關(guān)變頻技術(shù)，兩者促進(jìn)推動(dòng)著(zhù)開(kāi)關(guān)電源每年以超過(guò)兩位數字的增長(cháng)率向著(zhù)輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開(kāi)關(guān)電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類(lèi)，DC/DC變換器現已實(shí)現模塊化，且設計技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國內外均已成熟和標準化，并已得到用戶(hù)的認可，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，遇到較為的技術(shù)和工藝制造問(wèn)題。以下分別對兩類(lèi)開(kāi)關(guān)電源的結構和特性作以闡述。

　　2.1 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(chēng)為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調制方式Ts不變，改變ton(通用)，二是頻率調制方式，ton不變，改變Ts（易產(chǎn)生干擾）。其具體的電路由以下幾類(lèi)：
　�。�1）Buck電路——降壓斬波器，其輸出平均電壓
　　U0小于輸入電壓Ui，極性。
　�。�2）Boost電路——升壓斬波器，其輸出平均電壓
　　U0大于輸入電壓Ui，極性。
　�。�3）Buck－Boost電路——降壓或升壓斬波器，其
　　輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電感傳輸。
　�。�4）Cuk電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電
　　壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電容傳輸。
　　還有Sepic、Zeta電路。
　　上述為非隔離型電路，隔離型電路有正激電路、反激電路、半橋電路、全橋電路、推挽電路。
　　當今軟開(kāi)關(guān)技術(shù)使得DC/DC發(fā)生了質(zhì)的飛躍，美國VICOR公司設計制造的多種ECI軟開(kāi)關(guān)DC/DC變換器，其最大輸出功率有300W、600W、800W等，相應的功率密度為(6.2、10、17)W/cm3，效率為（80～90）％。日本NemicLambda公司最新推出的一種采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的高頻開(kāi)關(guān)電源模塊RM系列，其開(kāi)關(guān)頻率為（200～300)kHz，功率密度已達到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％。

　　2.2AC/DC變換

　　AC/DC變換是將交流變換為直流，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負載的稱(chēng)為“整流”，功率流由負載返回電源的稱(chēng)為“有源逆變”。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電，因經(jīng)整流、濾波，體積較大的濾波電容器是必不可少的，因遇到安全標準（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、、FCC、CSA），交流輸入側加EMC濾波及使用符合安全標準的元件，這樣就限制AC/DC電源體積的小型化，，內部的高頻、高壓、大電流開(kāi)關(guān)動(dòng)作，使得EMC電磁兼容問(wèn)題難度加大，也就對內部高密度安裝電路設計提出了很高的要求，同樣的原因，高電壓、大電流開(kāi)關(guān)使得電源工作損耗增大，限制了AC/DC變換器模塊化的進(jìn)程，采用電源系統優(yōu)化設計方法才能使其工作效率達到的滿(mǎn)意程度。
　　AC/DC變換按電路的接線(xiàn)方式可分為，半波電路、全波電路。按電源相數可分為，單相、三相、多相。按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。

什么是開(kāi)關(guān)電源

　三．開(kāi)關(guān)電源的選用

　　開(kāi)關(guān)電源在輸入抗干擾性能上，其自身電路結構的特點(diǎn)（多級串聯(lián)），的輸入干擾如浪涌電壓很難通過(guò)，在輸出電壓穩定度這一技術(shù)指標上與線(xiàn)性電源相比具有較大的優(yōu)勢，其輸出電壓穩定度可達(0.5～1）％。開(kāi)關(guān)電源模塊一種電力電子集成器件，在選用中應注意以下幾點(diǎn)：

　　3.1輸出電流的選擇

　　因開(kāi)關(guān)電源工作效率高，可達到80％，故在其輸出電流的選擇上，應準確測量或計算用電設備的最大吸收電流，以使被選用的開(kāi)關(guān)電源具有高的性能價(jià)格比，通常輸出計算公式為：
　　Is=KIf
　　式中：Is—開(kāi)關(guān)電源的額定輸出電流；
　　If—用電設備的最大吸收電流；
　　K—裕量系數，取1.5～1.8；

　　3.2接地

　　開(kāi)關(guān)電源比線(xiàn)性電源會(huì )產(chǎn)生更多的干擾，對共模干擾敏感的用電設備，應采取接地和屏蔽措施，按ICE1000、EN61000、FCC等EMC限制，開(kāi)關(guān)電源均采取EMC電磁兼容措施，開(kāi)關(guān)電源應帶有EMC電磁兼容濾波器。如利德華福技術(shù)的HA系列開(kāi)關(guān)電源，將其FG端子接大地或接用戶(hù)機殼，方能滿(mǎn)足上述電磁兼容的要求。

　　3.3保護電路

開(kāi)關(guān)電源在設計中具有過(guò)流、過(guò)熱、短路等保護功能，故在設計時(shí)應首選保護功能齊備的開(kāi)關(guān)電源模塊，并且其保護電路的技術(shù)參數應與用電設備的工作特性相匹配，以避免損壞用電設備或開(kāi)關(guān)電源。

 
四．開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展和趨勢

　　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<0u2438cq.cn>器，是實(shí)現高頻轉換控制電路的開(kāi)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(kāi)關(guān)電源的設想，這對電源向體積和重量的下降獲得了一條根本的途徑。到了１９６９年大功率硅晶體管的耐壓提高，二極管反向恢復時(shí)間的縮短等元器件改善，終于做成了２５千赫的開(kāi)關(guān)電源。
目前，開(kāi)關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應用于以電子計算機為主導的各種終端設備、通信設備等幾乎的電子設備，是當今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。目前市場(chǎng)上出售的開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率，就要減少開(kāi)關(guān)損耗，而要減少開(kāi)關(guān)損耗，就有高速開(kāi)關(guān)元器件。然而，開(kāi)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電荷的影響而產(chǎn)生浪涌或噪聲。這樣，不僅會(huì )影響周?chē)�電子設備，還會(huì )大大降低電源本身的可靠性。其中，為防止隨開(kāi)關(guān)啟-閉所發(fā)生的電壓浪涌，可采用R-C或L-C緩沖器，而對由二極管存儲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(guò)，對1MHz的高頻，要采用諧振電路，以使開(kāi)關(guān)上的電壓或通過(guò)開(kāi)關(guān)的電流呈正弦波，這樣既可減少開(kāi)關(guān)損耗，也可控制浪涌的發(fā)生。這種開(kāi)關(guān)方式稱(chēng)為諧振式開(kāi)關(guān)。目前對這種開(kāi)關(guān)電源的研究很活躍，采用這種方式不大幅度提高開(kāi)關(guān)速度就可以在理論上把開(kāi)關(guān)損耗降到零，而且噪聲也小，可望成為開(kāi)關(guān)電源高頻化的一種主要方式。當前，世界上許多國家都在致力于數兆Hz的變換器的實(shí)用化研究。

　　隨著(zhù)電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電力電子設備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，而電子設備都離不開(kāi)可靠的電源，進(jìn)入80年代計算機電源全面實(shí)現了開(kāi)關(guān)電源化，率先完成計算機的電源換代，進(jìn)入90年代開(kāi)關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子、電器設備領(lǐng)域，程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了開(kāi)關(guān)電源，更促進(jìn)了開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展。開(kāi)關(guān)電源是現代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)晶體管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源，開(kāi)關(guān)電源由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOSFET構成。開(kāi)關(guān)電源和線(xiàn)性電源相比，二者的成本都隨著(zhù)輸出功率的而增長(cháng)，但二者增長(cháng)速率各異。線(xiàn)性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開(kāi)關(guān)電源，這一成本反轉點(diǎn)。隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng )新，使得開(kāi)關(guān)電源技術(shù)在不斷地創(chuàng )新，這一成本反轉點(diǎn)日益向低輸出電力端移動(dòng)，這為開(kāi)關(guān)電源提供了廣泛的發(fā)展空間。
開(kāi)關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開(kāi)關(guān)電源小型化，并使開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應用，推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展與應用在節約能源、節約資源及保護環(huán)境都具有重要的意義。

　　開(kāi)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。開(kāi)關(guān)電源輕、小、薄的關(guān)鍵技術(shù)是高頻化，國外各大開(kāi)關(guān)電源制造商都致力于同步開(kāi)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關(guān)鍵技術(shù)。SMT技術(shù)的應用使得開(kāi)關(guān)電源取得了長(cháng)足的進(jìn)展，在電路板兩面布置元器件，以確保開(kāi)關(guān)電源的輕、小、薄。開(kāi)關(guān)電源的高頻化就必然對傳統的PWM開(kāi)關(guān)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng )新，實(shí)現ZVS、ZCS的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)已成為開(kāi)關(guān)電源的主流技術(shù)，并大幅提高了開(kāi)關(guān)電源的工作效率。對于高可靠性指標，美國的開(kāi)關(guān)電源生產(chǎn)商通過(guò)降低運行電流，降低結溫等措施以減少器件的應力，使得產(chǎn)品的可靠性大大提高。

　　模塊化是開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的總體趨勢，可以采用模塊化電源組成分布式電源系統，可以設計成N＋1冗余電源系統，并實(shí)現并聯(lián)方式的容量擴展。針對開(kāi)關(guān)電源運行噪聲大這一缺點(diǎn)，若單獨追求高頻化其噪聲也必將隨著(zhù)增大，而采用部分諧振轉換電路技術(shù)，在理論上實(shí)現高頻化又可降低噪聲，但部分諧振轉換技術(shù)的應用仍存在著(zhù)技術(shù)問(wèn)題，故仍需在這一領(lǐng)域開(kāi)展大量的工作，以使得該項技術(shù)得以實(shí)用化。

　　電力電子技術(shù)的不斷創(chuàng )新，使開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)業(yè)有著(zhù)廣闊的發(fā)展前景。要加快我國開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度，就走技術(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)濟的高速發(fā)展做出貢獻。

什么是開(kāi)關(guān)電源

五.提高開(kāi)關(guān)電源待機效率的方法

　　1切斷啟動(dòng)電阻

　　對于反激式電源，啟動(dòng)后控制芯片由輔助繞組供電，啟動(dòng)電阻上壓降為300V左右。設啟動(dòng)電阻取值為47kΩ，消耗功率將近2W。要改善待機效率，在啟動(dòng)后將該電阻通道切斷。TOPSWITCH，ICE2DS02G內部設有專(zhuān)門(mén)的啟動(dòng)電路，可在啟動(dòng)后關(guān)閉該電阻。若控制器沒(méi)有專(zhuān)門(mén)啟動(dòng)電路，也可在啟動(dòng)電阻串接電容，其啟動(dòng)后的損耗可下降至零。缺點(diǎn)是電源不能自重啟，只有斷開(kāi)輸入電壓，使電容放電后才能再次啟動(dòng)電路。

 　 2 降低時(shí)鐘頻率

　　時(shí)鐘頻率可平滑下降或突降。平滑下降當反饋量超過(guò)某一閾值，通過(guò)特定模塊，實(shí)現時(shí)鐘頻率的線(xiàn)性下降。

　　3 切換工作模式

　　3.1→PWM對于工作在高頻工作模式的開(kāi)關(guān)電源，在待機時(shí)切換至低頻工作模式可減小待機損耗。例如，對于準諧振式開(kāi)關(guān)電源（工作頻率為幾百kHz到幾MHz），可在待機時(shí)切換至低頻的脈寬調制控制模式PWM（幾十kHz）。
　　IRIS40xx芯片通過(guò)QR與PWM切換來(lái)提高待機效率的。當電源處于輕載和待機時(shí)候，輔助繞組電壓較小，Q1關(guān)斷，諧振信號不能傳輸至FB端，FB電壓小于芯片內部的一個(gè)門(mén)限電壓，不能觸發(fā)準諧振模式，電路則工作在更低頻的脈寬調制控制模式。
　3.2→PFM
　　對于額定功率時(shí)工作在PWM模式的開(kāi)關(guān)電源，也可以通過(guò)切換至PFM模式提高待機效率，即固定開(kāi)通時(shí)間，調節關(guān)斷時(shí)間，負載越低，關(guān)斷時(shí)間越長(cháng)，工作頻率也越低。將待機信號加在其PW/引腳上，在額定負載條件下，該引腳為高電平，電路工作在PWM模式，當負載低于某個(gè)閾值時(shí)，該引腳被拉為低電平，電路工作在PFM模式。實(shí)現PWM和PFM的切換，也就提高了輕載和待機時(shí)的電源效率。
　　通過(guò)降低時(shí)鐘頻率和切換工作模式實(shí)現降低待機工作頻率，提高待機效率，可保持控制器一直在運作，在整個(gè)負載范圍中，輸出都能被妥善的調節。即使負載從零激增至滿(mǎn)負載的下，快速反應，反之亦然。輸出電壓降和過(guò)沖值都保持在允許范圍內。
　　3.4 可控脈沖式（BurstMode）
　　可控脈沖模式，也可稱(chēng)為跳周期控制模式（SkipCycleMode）是指當處于輕載或待機條件時(shí)，由周期比PWM控制器時(shí)鐘周期大的信號控制電路某一環(huán)節，使得PWM的輸出脈沖周期性的有效或失效，這樣實(shí)現恒定頻率下通過(guò)減小開(kāi)關(guān)次數，增大占空比來(lái)提高輕載和待機的效率。該信號可以加在反饋通道，PWM信號輸出通道，PWM芯片的使能引腳（如LM2618，L6565）是芯片內部模塊（如NCP1200，FSD200，L6565和TinySwitch系列芯片）。

六.關(guān)電源用途

　　開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)化控制、軍工設備、科研設備、LED照明、工控設備、通訊設備、電力設備、儀器儀表、醫療設備、半導體制冷制熱等領(lǐng)域。

七.開(kāi)關(guān)電源的維護及保養
 

   1開(kāi)關(guān)電源不宜采用預檢預修維護方法

   
    在早期，國產(chǎn)相控電源元件易老化，可靠性不高，以預檢預修方式進(jìn)行維護有的積極意義。但九十年代的高頻開(kāi)關(guān)電源采用了新型元器件，其質(zhì)量高、運行穩定可靠，并且具有完善的自我保護功能及較高的自動(dòng)化程度。仍然采用傳統的預檢預修維護方式，不但不能發(fā)現隱患，還會(huì )反復拆卸造成人為故障。我們在工作中就曾發(fā)生過(guò)拆卸造成損壞的事例。

   
    2應定期進(jìn)行數據分析

   
    我們將開(kāi)關(guān)電源電腦記錄下來(lái)的各種信息定期打印出來(lái)，可以很方便地了解到電源本身的歷史資料，例如何時(shí)發(fā)生過(guò)交流中斷、何時(shí)進(jìn)行了電池充放電，以及電源目前的工作等等。通過(guò)對這些資料的分析，可發(fā)現的問(wèn)題，如有必要可及時(shí)進(jìn)行數據修改。

   
    3應加裝防塵隔離裝置

   
    我們知道，無(wú)防塵隔離裝置的機房?jì)�，機房含塵量較大。開(kāi)關(guān)電源采用強迫風(fēng)冷方式冷卻的居多，空氣流動(dòng)勢必將塵土帶入設備中，而開(kāi)關(guān)電源不宜經(jīng)常拆卸清理，過(guò)量的塵土累積，遇潮濕天氣就會(huì )造成漏電短路，導致故障發(fā)生。我單位就曾有一模塊投入運行不到半年就發(fā)生自動(dòng)停機，經(jīng)技術(shù)人員前來(lái)檢查，拆開(kāi)發(fā)現其內塵土厚度已將電子元件埋沒(méi)，經(jīng)確認引起故障是塵土短路造成的。近來(lái)隨著(zhù)環(huán)境惡化，灰塵污染已是主要的污染源之一。一塊2000A的模塊價(jià)值七、八萬(wàn)元，一個(gè)電源室加裝隔離裝置約需八千元。，無(wú)論從經(jīng)濟的角度還是從可靠性的角度來(lái)看，加裝防塵隔離裝置都是必要的，有條件的還應配裝空調設備。

   
    4及時(shí)實(shí)施集中監控

   
    隨著(zhù)通信設備的擴容，電源設備越來(lái)越多，其分布點(diǎn)越來(lái)越分散，維護的人員越來(lái)越多，與減員增效形成矛盾。矛盾的一條重要途徑實(shí)施集中監控。實(shí)施集中監控可根據現有條件逐步進(jìn)行，不必強求一步到位。實(shí)行集中監控做到減人增效，又故障的時(shí)效性，還能減少備品備件數量，可謂一舉數得，是值得大力推廣的。