開關電源開始進入技術變換的新時代
電子設備特別是計算機的不斷小型化，要求供電電源的體積隨之小型化，因而開關電源開始替代以笨重的工頻變壓器為特征的線性穩(wěn)壓電源，同時電源效率得到明顯提高。電源體積的減小意味著散熱能力的變差，因而要求電源的功耗變小，即在輸出功率不變的前提下，效率必須提高。
高效率功率變換：開關電源設計追求的目標
相同體積的電源的功率耗散基本相同，因此，欲得到更大的輸出功率，必須提高效率，同時，高的電源效率可以有效地減小功率半導體器件的應力，有利于提高其可靠性。
開關電源的損耗主要為：無源元件損耗和有源元件損耗
開關損耗一直困惑著開關電源設計者，由于功率半導體器件在開關過程中，器件上同時存在電流、電壓，因而不可避免地存在開關損耗，如果開關電源中開關管和輸出整流二極管能實現零電壓開關或零電流開關，則其效率可以明顯提高。
開關過程引起的開關損耗大致會占總輸入功率的5%～10%，大幅度降低或消除這一損耗可使開關電源的效率提高5%～10%。最有效的方法是軟開關技術或零電壓開關或零電流開關技術。
在眾多軟開關的方案中，比較實用的有大功率的全橋變換器，通常采用移相零電壓開關的控制
方式，這種控制方式要求在初級側需附加一續(xù)流電感以確保開關管在零電壓狀態(tài)下導通，由于較大的有效值電流流過，這個附加電感將發(fā)熱(盡管比RC緩沖電路小得多)，因而在低壓功率變換中并不采用。
無源無損耗緩沖電路的特點是不破壞常規(guī)PWM控制方式，設計/調試簡單。盡管如此，無源無損耗緩沖電路和準諧振/零電壓開關工作方式也存在一些缺點，如僅能實現關斷軟開關以及在反激式變換器中不太適于大負載范圍變化。軟開關中有源箝位是提高單管正/反激變換器效率的有效方法，最初的專利限制現在已失效，可以普遍應用。
功率半導體器件的進步：高效率功率變換的根本
功率半導體器件的進步特別是PowerMOSFET的進步引發(fā)出功率變換的一系列的進步：PowerMOSFET的極快的開關速度，使開關電源的開關頻率從雙極晶體管的20kHz提高到100kHz以上，有效地減小了無源儲能元件(電感、電容)的體積。低壓PowerMOSFET使低壓同步整流成為現實，器件的導通電壓從肖特基二極管的0.5V左右，降低到同步整流器的0.1V甚至更低，使低壓整流器的效率至少提高了10%。高壓PowerMOSFET的導通壓降和開關特性的改善，提高了開關電源的初級效率。功率半導體器件的功耗的降低也使散熱器和整機的體積減小。
電源界有一個不成文的觀點：不穩(wěn)壓的比穩(wěn)壓的效率高、不隔離的比隔離的效率高、窄范圍輸入電壓的比寬范圍輸入的效率高。Vicor的48V輸入電源模塊的效率達到97%。交流輸入開關電源需要功率因數校正，由于功率因數校正已具有穩(wěn)壓功能，在對輸出紋波要求不高的應用(如輸出接有蓄電池或超級電容器)，可以采用功率因數校正加不調節(jié)的隔離變換器電路拓撲，國外在1986年已有產品，效率到達93%以上。
在DC48V輸入電壓的電源模塊中，效率在93%以上的模塊幾乎無一例外地采用前級穩(wěn)壓、后級不調節(jié)隔離的方案，并且將第一級的輸出電容和第二級的輸出電感取消，簡化了電路結構。
國內的很多開關電源在設計上對結構設計的關注相對不夠，有時會出現電源內的各部分溫升不均，有的地方過熱，有的地方幾乎沒有溫升，甚至PCB上產生較大的損耗。一個好的開關電源應該是產生熱的元件均勻分布在PCB上，而且發(fā)熱元件的溫升基本一致，PCB應有盡可能小的損耗，這在模塊電源和塑料外殼的Adapter的設計中尤為重要。
效率提高的同時：電源的電磁干擾得到減小
在開關電源的各種損耗中，電磁干擾所產生的損耗，在電源效率高到一定水平后將不容忽視。一方面電磁干擾本身消耗能量，特別是電源效率的提高往往需要軟開關技術或零電壓開關或零電流開關技術(無論是專門設置還是電路本身固有)，應用這些技術減緩了開關過程的電壓、電流的變化速率或消除了開關過程，電磁干擾變得很小，不需要像常規(guī)開關電源電路中需要專門設置抑制電磁干擾的電路(這個電路是存在損耗的)。
開關電源進入：高效率功率變換時代
仔細分析，高效率功率變換看起來是很簡單的，甚至有些電路拓撲在20多年前就有介紹(如兩級變換拓撲結構，早在UNITRODE82/83年數據手冊的ApplicationNote的AN19中就有介紹、TEK2235示波器中也采用了這種功率變換拓撲結構)，但受當時的技術水平，特別是人們認識的限制(總是認為兩級變換的效率比單級低，而事實上兩級變換可以實現事實上的固有的零電壓開關，單級變換則需要特殊的附加電路和控制方式)而并沒有得到承認和應用。器件的性能和人們認識的提高已經使兩級變換作為高效率功率變換的主要方式之一。
結語
如今對于開關電源設計工程師和制造廠商而言，先進的功率半導體器件可以方便得到，先進的電路拓撲和控制方式已經開始應用，他們所剩下的就是想辦法提高自己的技術水平，同時創(chuàng)造更好的應用機會和市場份額。
開關電源是利用現代電力電子技術，采用功率半導體器件作為開關，通過控制開關晶體管開通和關斷的時間比率（占空比），調整輸出電壓，維持輸出穩(wěn)定的一種電源。早在20世紀80年代計算機電源全面實現了開關電源化，率先完成計算機電源換代，進入90年代開關電源已廣泛應用在各種電子、電器設備，程控交換機、通訊、電力檢測設備電源和控制設備電源之中。開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOSFET構成。開關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上，反而高于開關電源，這一點稱為成本反轉點。隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新，使的開關電源技術也不斷的創(chuàng)新，這一成本反轉點日益向低輸出電力端移動，從而為開關電源提供了廣闊的發(fā)展空間。
開關電源高頻化使其發(fā)展的方向，高頻化使開關電源小型化，并使開關電源更進入更廣泛的應用領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了高技術產品的小型化、輕便化。另外開關電源的發(fā)展與應用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。
開關電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。由于開關電源輕、小、薄的關鍵技術是高頻化，因此國外各在開關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關鍵技術。SMT技術的應用使得開關電源取得了長足的進展，在電路板兩面布置元器件，以確保開關電源的輕、小薄。開關電源的高頻化就必然對傳統的PWM開關技術進行創(chuàng)新，實現ZVS、ZCS的軟開關技術已成為開關電源的主流技術，并大幅提高了開關電源的工作效率。對聯高可靠性指標，美國的開關電源生產商通過降低運行電流，降低結溫等措施以減少器件的應力，使得產品的可靠性大大提高。
模塊化是開關電源發(fā)展的總體趨勢，可以用模塊化電源組成分布式電源系統，可以設計成N+1冗余電源系統，并實現并聯方式的容量擴展。針對開關電源運行噪聲大這一缺點，若單獨追求高頻化，其噪聲也必將隨著增大，而用部分諧振轉換電路技術，在理論上即可實現高頻化又可降低噪聲，但部分諧振轉換技術實際應用仍存在著技術問題，故仍需在這一領域開展大量的工作，使得多項技術得以實用化。電力電子技術的不斷創(chuàng)新，開關電源產業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。要加快我國開關電源產業(yè)的發(fā)展速度就必須走技術創(chuàng)新之路，走出有中國特色的產學研聯合發(fā)展之路，為我國國民經濟的高速發(fā)展做出貢獻。
| 【上一個】 分析中國電源產業(yè)迎難而上 | 【下一個】 智能化帶動開關電源市場迅猛發(fā)展 |
| ^ 開關電源開始進入技術變換的新時代 |