文献综述-开关电源的应用——液晶显示器电源的设计

开关电源的应用 液晶显示器电源的设计 一 研究开关电源的意义 电源是电子设备的心脏部分，其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电子设备的故障 60%来自电源，因此，电源越来越受人们的重视。现代电子设备使用的电源大致有线性稳压电源和开关电源两大类。所谓线性稳压电源，就是其调整工作在线性放大区。这种稳压电源的主要缺点是变换效率低，一般只有 35%开关稳压电源的调整工作在开关状态，主要的优越性就是变换效率高，可达 70%因此目前空间技术、计算机、通信、雷达、电视及家用电器中的稳压电源逐步被开 关电源所取代 1 。 开关稳压电源的优越性主要表现在： 由于开关管功率损耗小，因而不需要采用大散热器。功耗小使得电子设备内温升也低，周围元件不会因长期工作在高温环境下而损坏，这有利于提高整个电子设备的可靠性和稳定性。 当开关稳压电源输入的交流电压在 150 250V 范围内变化时，都能达到很好的稳压效果，输出电压的变化在 2以下。而且在输入电压发生变化时，始终能保持稳压电路的高效率，因此，开关稳压电源能适用于电网电压波动比较大的地区。 量轻 开关稳压电源可将电网输入 的交流电压直接整流，再通过高频变压器获得各种不同交流电压，这样就可免去笨重的工频变压器，从而节省了大量的漆包线和硅钢片，使电源体积缩小、重量减轻。 开关稳压电路一般都具有自动保护电路。当稳压电路、高压电路 、负载等出现故障或短路时，能自动切断电源，其保护功能灵敏、可靠 1 。 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管 开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（ 制 成。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开 关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源 的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义 2 。 二 国内外开关电源的发展现状与趋势 目前，国内开关电源自主研发及生产厂家有 300 多家，形成规模的有十多家。国产开关电源已占据了相当市场，一些大公司如中兴通讯自主开发的电源系列产品已获得广泛认同，在电源市场竞争中颇具优势，并有少量开始出口 。他们已经逐步做到功能齐全，质量稳定，并能实行全智能，无人值守，基本上接近国际先进水平的产品 。但由于我国配套工业落后，有些元器件还得依赖进口。目前国外电信电源中实际应用最多的开关整流器是采用 关整流器的发展趋势是向高频大功率智能化发展，现在澳大利亚，加拿大，日本等国家可以生产 200A 的 关整流器（模块）。此外采用谐振变换技术的 48V/200A 开关整流器也是目前典型的新一代大功率开关整流器产品 3 。 开关电源产品的技术发展动向是高可靠、高稳定、低噪声、抗干扰和实现模块化。国外目前都在致力于同步开发新型高智能元器件，特别是改善二次整流管的损耗、变压器 电容器小型化，并同时采用 术在电路板两面布置元件以确保开关电源的轻、小、薄 4 。 高效率。为了使开关电源较、小、薄，高频化是必然发展趋势。而高频化又必然使传统的 关功耗加大，效率降低，噪声也提高了，达不到高频、高效的预期效益，因此实现零电压导通、本电流关断的软开关技术将成为开关电源产品未来的主流。采用软开关技术可使效率达到 85 88%。据悉，美国 关电源公司设计制造了多种 开关换器，其最大输出功率有 800W、 600W、 300W 等，相应的功率密度为 10、17w 率为 80 90%；日本 司刚推出一种采用软开关技术的高频开关电源模块 列（日本人称这种技术为 “ 部分谐振 ” ），开关频率 200 300率密度 27W 同步整流器（即用 替肖特基二级管）使整个电路效率提高到 90%。 高可靠。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。追求寿命的延长要从设计方面着眼，而不是从使用方面着想。美国一公司通过降低给温、减 少器件的电应力、降低运行电流等措施使其 关电源系列产品的可靠性大大提高，产品的达 100 万小时以上。 模块化。无论是 是 是变换器都是朝模块化方向发展。其特点是：可以用模块电源组成分布式电源系统；可以设计成 N 1 冗余电源系统，从而提高可行性；可以做成插入式，实现热更换，从而在运行中出现故障时能高速更换模块插件；多台模并联可实现大功率电源系统。此外，还可以在电源系统建成后，根据发展需要不断扩充容量。 低噪声。开关电源的又一缺点是噪声大，单纯追求高频化，噪声 也随之增大，采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以高频化，又可以低噪声。但谐振转换技术也有其难点，如很难准确地控制开关频率、谐振时增大了器件负荷、场效应管的寄生电容易引起短路损耗、元件热应力转向开关管等问题难以解决。日本把变压器设计成初次级分离阻燃密封，自身具备对体噪声功能的共模无噪声隔离变压器，既节省了噪声滤波器，又减少了噪声。 抗电磁干扰（ 当开关电源在高频下开关时，其噪声通过电源线产生对其它电子设备的干扰，世界各国已有抗 规范或标准，如美国的 国的 ，研究开发抗 开关电源日益显行生要。 计算机辅助计（ 利用计算机对开关电源系统、稳定性分析、电路仿真、印刷电路板、热传导分析、 析以及可靠性等进行 计和模拟试验，十分有效，是最为快速经济的设计方法。 产品更新加快。目前的开关电源产品要求输入电压通用（适用世界各国电网电压规模）、输出电压范围扩大（如计算机和工作站需要增加 一档电压、程控需要增加一电压）、输人端功率因数进一步提高（最有效的方法是加一级 “ 有源功率因数校正器 ），并具有安全、过压保护等功能 4 。 三 可能的研究方法 开关电源主要采用单端正激式、单端反激式、双管正激式、双单端正激式、双正激式、推挽式、半桥、全桥等八种拓扑。单端正激式、单端反激式、双单端正激式、推挽式的开关管的承压在两倍输入电压以上，如果按 60降额使用，则使开关管不易选型。在推挽和全桥拓扑中可能出现单向偏磁饱和，使开关管损坏，而半桥电路因为具有自动抗不平衡能力，所以就不会出现这个问题。双管正激式和半桥电路开关管的承压仅为电源的最大输入电压，即使按 60降额使用，选用开关管 也比较容易。在高可靠性工程上一般选用这两类电路拓扑 5 。 在中小功率的电源中，电流型 制是大量采用的方法，它较电压控制型有如下优点：逐周期电流限制，比电压型控制更快，不会因过流而使开关管损坏，大大减小过载与短路的保护；优良的电网电压调整率；迅捷的瞬态响应；环路稳定，易补偿；纹波比电压控制型小得多。生产实践表明电流控制型的 50W 开关电源的输出纹波在 25右，远优于电压控制型。硬开关技术因开关损耗的限制，开关频率一般在 350下，软开关技术是应用谐振原理使开关器件在零电压或零电流状态下通断，实现开关损耗为零，从而可将开关频率提高到兆赫级 水平，这种应用软开关技术的变换器综合了 换器和谐振变换器两者的优点，接近理想的特性，如低开关损耗、恒频控制、合适的储能元件尺寸、较宽的控制范围及负载范围，但是此项技术主要应用于大功率电源，中小功率电源中仍以术为主 6 。 四 研究成果 1软开关技术 软开关技术的最大优点在于减少开关损耗，提高效率，为进一步提高变换频率提供依据，还能大大减少电磁干扰。该技术常见的实现方法包括：缓冲电路、谐振环路和谐振开关等，其基本思路是利用电感或电容等储能元件，在开关管开通和关断时将电压电流转移或 谐振到零，从而实现零电压或零电流开关。软开关技术已有成熟产品在应用，如零电压零电流（ 桥移相变换器已应用于通信模块电源，效率高达 93；边缘谐振全桥变换电路也已应用于通信电源模块 3 。 2 路 传统的电力电子设备（包括电源），会对周围的电子设备产生危害，并对电网产生谐波污染。一方面，它们会产生二次效应，当电流渡过线路阻抗时，造成谐波电压降，使电网电压产生畸变；另一方面，它们还会造成电路故障，损坏变电设备，如变压器过热、 次谐波电流渡过电容，诱使其过热爆炸。为此，降低 电力电子设备谐波损耗（ 提高功率因数（ 已成为学术界研究的热点，生产厂家也不断推出相关产品。 降低电力电子设备谐波损耗、提高功率因数的方法主要包括无源功率因数校正和有源功率因数校正。单相 术已相当成熟。三相有源 术复杂，成本较高，现基本还处于研究推广阶段。三相 单相 基点相同，通过电流跟踪电压变化，提高功率因数，减小谐波损耗。 在通信电源中，当输出功率在 3下时，一般采用单相输入；当功率在 3上时，一般采用三相输入。目前的研究重点集中在三相 术， 涉及到 电路拓扑、控制技术、软开关技术、单级变换技术、建模与仿真等技术 3 。 参考文献 1 何希才 北京：科学出版社， 2001 2 本刊编辑 2004 年 9 月 3 刘南平，吉红 . 通信电源 西安电子科技大学出版社 4 陈延明，丘水生 当代通信 5 王志强 译 北京 2005 6 周志敏、周纪海、纪爱华 北京：人民邮电出版社， 7 张占松，蔡宣三 子工业出版社， 1999 8 叶慧贞，杨兴渊，新颖开关稳压电源，国防工业出版社， 1999 9 沙占友，张英，黄丽敏 . 片开关电源的原理与应