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计算机开关电源技术研究 电源技术的发展综述 电气111黄后福xx00307028 1电力电子技术的发展 现代电力电子技术的发展方向,是从传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管和门极可关断晶闸管构成为当时逆变器时代中电力电子器件的主角。并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实 【1】现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。 2电力电子的应用 现代电源技术是应用电力电子半导体器件,综合自动控制、计算机(徽处理器)技术和电磁技术的多学科边缘交叉技术。在各种高质t、高效、高可寒性的电源中起关健作用,是现代电力电子的具体应用。 当前,电力电子作为节能、节材、自动化、智能化、机电一体化的墓础,正朝粉应用技术高颇化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来,电力电子技术将使 【2】电源技术更加成熟、经济、实用,实现用电的高效率和高品质。 3电力电子技术在各行各业中的应用 电力电子技术是目前发展最快的技术之一,在各行各业的诸多领域中得到了广泛的应用,取得了明显的经济效益和社会效益。 80年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进入了电子、电器设备领域。 高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作,开关频率一般控制在50100kHz范围内,实现高效率和小型化。 DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无 【3】轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制。 4电源控制IC及其应用 自从20世纪90年代末期同步整流技术诞生以后,它给开关电源效率的提升做出了重要贡献。当前采用IC控制技术的同步整流方案已经为研发工程师普遍接受。现在的同步整流技术都在努力地实现ZVS及ZCS方式的同步整流。自从xx年美国银河公司发表了ZVS同步整流技术之后,在已经得到了广泛应用。最新问世的双输出式P联M控制IC几乎都在控制逻辑内增加了对副边实现ZVS同步整流的控制端子。在副边的同步整流中,为了实现zVS方式的同步整流,消除MOsFET体二极管的导通损耗和反向恢复时间带来的损耗,德州仪器公司最新的专利技术“预检测栅驱动技术”在控制芯片中增加了大量的数字控制技术,正激电路同步整流的控制芯片UCC2728的诞生使正激电路的效率达到了前所未有的高效率。自从xx年VICOR公司的有源籍位技术专利到期解禁之后,各家公司发表的新型有源籍位控制IC如雨后春笋一样诞生出来,给用户最充分的选择。 最近TI公司新推出的有源籍位控制IcUCC2897,已经将有源籍位的PWM控制做到了完美无缺。美国国家半导体公司刚刚推出的可以交互式工作的有源籍位正激式工作的控制ICLM5034,它可以在输人滤波电容不增加的情况下将输出功率增大一倍,使有源籍位技术达到1kw的功率水平。而台商飞兆公司则给出了最廉价的有源籍位控制lCsD7558和SD7559,极大地降低了有源籍位技术的使用成本。 ICOR公司新推出的MHz级工作频率,每立方英寸l00w超高功率密度的PRM(预稳压模块)和VTM(电压变换模块)的DC/DC仍旧是当今电源技术领域的顶峰。 近年来,非隔离的DC/DC技术上发展迅速。由于目前一套电子设备或电子系统因负载不同,会要求电源系统提供多个电压挡级。因此开发了很多非隔离的DC/DC变换器,它们基本上可以分成两大类。一类是内部含有功率开关器件的称做DC/DC转换器。另一类不含功率开关器件需要外接功率MOSFET的称作DC/DC控制器。按照电路功能划分,有降压的Buck;有升压的Bost;有又能升压又能降压的Buek一Boost或SEPIC;还有正压转成负压的IN-vERTOR等。 目前中国制造的开关电源占了世界市场的80%以上,但是高端市场上几乎没有我们的 【4】份额,这是中国工程师和企业家的一大遗憾,也是值得我们认真地思考的问题。 5开关电源的发展状况和趋势 20世纪60年代末,高耐压、大电流的双极型电力晶体管(亦称巨型晶体管、BJT、GTR)的出现,使得采用高工作频率的开关电源得以问世。 20世纪70年代,开关频率终于突破了人耳听觉极限的20kHz,随着电力MOSFET的应用,开关电源和开关频率进一步提高,使得电源体积更小,重量更轻,功率密度进一步提高。20世纪80年代,出现了采用准谐振技术的零电压开关电路和零电流开关电路,也就是我们所说的软开关技术。 开关电源作为电子设备中不可或缺的组成部分也在不断地改进,其高效率、高可靠、低 【5】损耗、低噪声、抗干扰和模块化,是开关电源行业的发展方向。 在软开关变换电路中，有变频控制的PFM，和恒频控制的PWM。 在功率因数校正电路方面，其电路通常采用升压拓扑结构。而较受关注的是PFC的控制技术。目前最为常用的控制技术有三种：平均电流型控制、CCM/DCM边界控制、电流钳位控制。 在控制模式方面，有电压模式控制和电流模式控制。电压模式是单环控制，电流模式控制是双环控制。 【6】在新技术方面，近来开关变换器发展起来的本脉冲控制是最值得注意的方向之一。 开关电源正在高速度继续更新和发展,据统计,到xx年,美国开关电源的市场仍以百 【9】分之十几的年增长率发展,而我国的开关电源技术却比较落后,开关电源市场更远未开拓, 线性电源在我国的电源工业中仍占有相当大的比例。从长远的看,利用开关技术的电源必将在很多方面取代线性电源,这是电源工业发展的必然趋势.因此,加紧研究和发展国产的开关电源,提高我国电力电子行业技术、生产队伍的科技水平和素质,培养这方面的人才己变得特别重要和刻不容缓,在我国高校以及专业技术教育中,加强开关电源技术的科研和人才的培 【10】养,也显得特别有必要。 6高频开关电源技术 高频开关电源是指电压调整功率的器件,是以高频开关方式工作的一种直流稳压电源,它利用高频开关功率器件通过转换技术而制成的高频开关直流稳压电源,简称开关电源。由于科学技术的不断发展，现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。其主要有以 下4种发展方向：高频化、模块化、数字化、绿色化。 开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着开关电源技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋,因此,同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来。还 【7】有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。 7数字开关电源技术发展 数字电源的含义主要包括:一是通过数字接口控制模拟开关稳压器;二是用数字电路取代开关稳压器中的模拟电路。 数字电源系统的特点主要有:一是以数字信息构成智能化开关电源;二是模拟组件与数字组件优化组合;三是电源系统单片集成化;四是数字电源达到高技术指标。 数字电源是一种新技术,其发展趋势:一是增强数字电源的功能,降低成本;二是注重科技创新。 电源设计采用数字控制技术是大势所趋,更大集成度、更小尺寸、更高效率、更高安全 【8】可靠性、更快瞬时响应、更高灵活性,以及更低的成本也将成为数字电源的设计方向。 8电子变压器 电源装置,无论是直流电源还是交流电源,都要使用由软磁磁芯制成的电子变压器(软磁电磁元件)。电子变压器在电源技术中起着重要作用。电源技术要求电子变压器能适应外界使用条件,减少电磁干扰;完成功率传送,电压变换,绝缘隔离和纹波抑制等功能;提高效率, 【11】降低成本。 纳米晶软磁材料和纳米薄膜软磁材料的近年来的研究热潮,将会使高频领域电源技术中的电磁器件发生革命性的变化,成为当代电源技术中应用的软磁材料研究开发的主要方向。非晶和微晶合金在近十年来发展迅速,不但在材料和工艺方面,而且在应用方面都取得了很大的进步。 信息技术是现在发展最为迅速的技术领域。使用便携式信息传播和处理设备的数量,飞快地增长。这些便携式设备的发展趋势是轻薄短小化,其中薄型化尤为突出。因此,原来的三维软磁材料立体式和平面式铁心结构已经不能适应这种高频开关电源的需要,于是薄膜软磁材料应运而生。总之,电源技术是以开发电源产品这样一种商品为目的的,不能脱离市场来考虑选择使用的器件和材料。所以,追求性能价格比的市场规律,是推动电源产品发展的动力, 【12】也是推动软磁材料发展的动力。 参考文献 【1】陈晓东.现代电力电子及电源技术的发展.科技信息.xx年第1期 【2】纪圣勇.现代电力电子及电源技术的发展.安徽电子信息职业技术学院学报.206年第3期 【3】韦和平.现代电力电子及电源技术的发展.现代电子技术(半月刊) 【4】李龙文.开关电源技术的最新进展.电源技术应用.xx年8月第9卷第8期 【5】雷媛媛,吴胜益.试论开关电源技术的发展.通信电源技术.xx年7月25日第25卷第4期 【6】赵军.开关电源技术的发展.船电技术.xx年第5期 【7】张晶宇.高频开关电源技术的意义及发展 【8】刘志春，苏震，李世诚，袁文.数字开关电源技术的发展分析.舰船电子工程.xx年第1期 【9】刘胜利.现代高频开关电源技术Ml.北京:电子工业出版社.xx 【10】郑耀添.直流电源技术的发展方向.韩山师范学院学报.xx年6月.第26卷第3期 【11】徐泽玮.电源技术与电子变压器.电源技术应用.xx年1月.第7卷第l期 【12】徐泽玮.电源技术中应用的软磁材料发展回顾和分析(二).金属功能材料2001年12月第8卷 浅谈开关电源技术 前言如今，电力电子技术的不断发展，电力电子设备融入人的生活的各方各面，电力电子设备都不能脱离电源工作。二十世纪80年代，自从计算机电源开始使用开关电源，完成了计算机的电源改革；二十世纪90年代，开关电源逐渐进入电力检测、电子、通讯、电器领域，控制设备的电源也开始使用开关电源，促进了开关电源技术的发展。开关电源利用电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源由脉冲宽度调制（pwm）控制IC和MOSFET构成。 随着电力电子技术的不断进步，开关电源技术也在不断地进步，成本反转点日益向低翰出电力端移动，为开关电源提供了宽广的发展平台。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，能让开关电源进入更大的应用领域。尤其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。而且开关电源的进步，在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有十分重要的意义。关键字：开关电源高频化模块化 一、开关电源的分类 开关电源可以从拓扑结构进行分类，分为隔离和非隔离两类，隔离包括推挽式、半桥、全桥、正激、反激等，非隔离包括Buck、Boost、Buck-boost、Cuk等。 在开关电源技术发展过程中，人们是一边开发相关电力电子器件，一边研究开关变频技术。两者相互促进、相互进步。开关电源可分为ACDC和DCDC两大类。DCDC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内、外均已成熟和标准化并得到用户的认可；但ACDC的模块化，因其自身的特性，使得在模块化的过程中遇到比较复杂的技术和产品制造问题。 1.1DCDC变换 DCDC变换是将一定的直流电压变换成可控的直流电压，也称为直流暂波。直流暂波器的工作方式有两种，一是脉冲宽度调制，开关周期T不变，改变开关导通时间ton；二是频率调制方式，开关导通时间ton不变。改变开关周期T，具体的电路有以下几类： （1）BUCK电路-降压暂波器，其输出平均电压Vo小于输入电压Vt，极性相同。 （2）BUCK电路-压暂波器，其输出平均电压v0大于或小于输入电压，极性相同。 （3）BUCK电路-升降压暂波器，其输出平均电压Vo大于或小于输入电压v0，极性相反，电感传输。 （4）BUCK电路一降压或升压变压器，其输出平均电压v0大于或小于输入电压U极性相反，电容传输。 当今软开关技术的发展，使DCDC产生了质的提升，美国VCOR公司设计制造的EC软开关DODO变换器，其最大输出功率有300W、600W、800W等，相应的功率密度为6、2、10瓦每立方厘米，效率为xx00kHz，功率密度为27瓦每立方厘米，采用整流器（M0SFET代替肖特基二极管），使整个电路功率提高到90%。 1.2ACDC变换 ACDC变换是将交流转变为直流，其功率方向是双向的，功率流向由电源流向决定，流经负载电流的称为“整流”。功率从负载返回电源，称之为“有源逆变”。ACDC变换器输入为50Hz的交流电，由于经整流滤波，因此必须需要容量较大的滤波电容，同时因遇到安全标准（如UI、CCE等）及EMC指令的限制（如IEC、FCC、CSA），交流输入侧必须加EMC率波电及使用符合安全标准的元件，这样就能够限制ACDC电源体积的小型化。另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得处理EMC电磁兼容问题难度加大，对内部高密度安装电路设计有了较高的要求；高电压、大电流开关使电源损耗增大，限制了很高的要求；高电压、大电流开关使很多电源工作损耗增大，限制了ACDC变换器模块化的进程。因此必须采用电源系统优化方法，使其工作效率达到一定符合要求的程度。 ACDC变换按电路可分为全波电路和半波电路，按电源相数可分为单相、三相和多相，按电路T作象限分为第一象限、第二象限、第三象限和第四象限。 二开关电源的选用 由于其自身电路的多极串联的特点，开关电源在输入抗干扰性能上，一般的输入干扰如浪涌电压难以通过。在输出电压稳定度这一技术指标上，输出电压稳定度可达051%，因此，与一般线性电源相比开关电源具有较大的优势。 2.1输出电流的选择 由于关电源工作效率较高，可达到80%以上，因此在开关电源输出电流的选择上，需要准确测量或计算电器设备的最大电流，可以使选用的开关电源具有较高的性价比。 2.2接地 因其特性，开关电源比使用时会比线性电源会产生更多的干扰，对共膜干扰敏感的用电设备，需要采用接地和屏蔽方案。按ICEIO00、FCC等EMC限制，开关电源均采用EMC电磁兼容措施，因此开关电源一般情况下带有EMC电磁兼容滤器。如利华技术的HA系列开关电源将其FG端子接大地或接用户机壳，能够满足电磁兼容性的要求。 2.3保护电路 开关电源在设计过程中，要求具有过电流和过热短路保护的功能。在设计时应优先保护功能齐全，并且其保护电路的保护范围应与用电设备的工作特性相匹配，以避免保护功能无法使用，从而损坏用电设备或开关电源。 三开关电源技术的发展方向 开关电源的发展方向是高频化、高可靠、抗干扰强、低耗、低噪音和模块化。由于开关电源轻、小、簿的关键技术是高频化，因此，世界各大开关电源制造商都致力于开发新型智能化的元器件，尤其是该变二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体（MnZn）材料上加大科技创新，以提高在高频和较大磁通密度（Bs）下获得高磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。 SMT技术应用使得开关电源取得了很大的进展，在电路板两面布星，元器件以确保开关的轻、小、簿。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新。实现ZVS、ZCS的开关技术已成为开关电源的主流技术。并大幅度提高了开关电源的工作效率。对于可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流和温度等措施以减少器件的应力，使得开关可靠性大大提高。 模块化是开关电源发展的总体趋式，可以采用模块化电源组分布式电元源系 统，可以设计成N+I亢余电源系统，并实现联系方式的容量扩展。采用部分谐板转换电路技术，在理论上既可以降低噪声又能够实现高频化，部分谐振转换电路技术，在理论上既可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术应用问题，故仍需在理论上既可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，所以仍需在这一领域开展大量研究，以使得该项技术得以推广。 可以认为，开关电源是一种节能、绿色而且环保的技术，开关器件占据着十分重要的位置，一个理想的开关器件应该能满足 （1）导通时导线内阻非常小，通态电阻要低； （2）导通时电流控制能力要强； （3）关断时要求断路良好，耐压要高； （4）不会发生误动故障，不会因为环境改变而误导通和误关断； （5）做到随开随关，开关速度要迅速。 随着电力电子技术的不断进步，让开关电源的发展前景越来越宽广。要加快我国开关电源的发展就必须加快电力电子技术创新，走出有中国特色的自主研究、自主生产的发展之路。 参考文献 1王兆安，黄俊.电力电子技术M.5版.北京：机械工业出版社，xx. 2李国峰，王宁会.电源技术M.大连：大连理工出版社.xx. 3张乃国.电子电源技术与应用M.北京.机械工业出版社，xx. 4刘胜利.高频开关电源实用新技术M.北京.机械工业出版社，xx. 5李定宣.开关稳压电源设计与应用M.中国电力出版社，xx 湖南科技大学 毕业设计（论文） 题作学专学 目者院业号 电脑开关电源电路设计 刘奇 物理与电子科学学院电子信息科学与技术 09080xx9周达林 二一三年五月二十日 指导教师 湖南科技大学毕业设计（论文）任务书 院系（教研室） 系（教研室）主任:（签名）年月日 学生姓名:刘奇学号:09080xx9专业:电子信息科学与技术 1设计（论文）题目及专题：电脑开关电源电路设计2学生设计（论文）时间：自xx年2月15日开始至xx年5月30日止3设计（论文）所用资源和参考资料： 1陈纯锴,开关电源原理、设计及实例M，电子工业出版社，xx.52辛伊波,陈文清.开关电源基础与应用M.西安电子科技大学出版社，xx3陆治国.使用电源技术手册开关电源分册M沈阳辽宁科学技术出版社4侯建军.数字电子技术基础M,北京:高等教育出版社,xx,44-92 5康华光.电子技术基础（模拟部分）M,北京:高等教育出