降壓型PWM_AC-DC開關電源設計

1.2 開關電源的發展簡介[3]

能源在每個國家中的地位都是舉足輕重，關乎興衰的，所以如何開發并合理

利用能源是一個重要的課題。特別對于我國這樣的能源消耗大國和貧乏國，更是

如此。我國、美國和俄羅斯等大國始終把能源技術列為國家關鍵性的科技領域。

能源技術的其中一個重要方面就是電力電子技術，這是一門結合了微電子學、

電機學、控制理論等多種學科的交叉性邊沿學科，它利用功率半導體器件對電網

功率、電流、電壓、頻率、相位進行精確控制和處理，使得電力電子裝置小型化、

高頻化、智能化，效率和性能得以大幅度提高。

開關電源技術屬于電力電子技術，它運用功率變換器進行電能變換，經過變

換電能，可以滿足各種對參數的要求。這些變換包括交流到直流(AC-DC，即整流)，直流到交流(DC-AC，即逆變)，交流到交流(AC-AC，即變壓)，直流到直流(DC-DC)。廣義地說，利用半導體功率器件作為開關，將一種電源形式轉變為另一種電源形式的主電路都叫做開關變換器電路;轉變時用自動控制閉環穩定輸出并有保護環節則稱為開關電源(SwitchingPower Supply)。由于其高效節能可帶來巨大經濟效益，因而引起社會各方面的重視而得到迅速推廣。

電源管理芯片實際上也是指具有自動控制環路和保護電路的DC-DC變換芯片，是開關電源的核心控制芯片。電源管理芯片在90年代中后期問世，由于替換了大部分分立器件，使開關電源的整體性能得到大幅度提高，同時降低了成本，因而顯示出強大的生命力。

我國開關電源起源于1970年代末期，到1980年代中期，開關電源產品開始

推廣應用。那時的開關電源產品采用的是頻率為20 kHz以下的PWM技術，其效

率只能達到60%~70%。經過20多年的不斷發展，新型功率器件的研發為開關電

源的高頻化莫定了基礎，功率MOSFET和IGBT的應用使中、小功率開關電源工

作頻率高達到400kHz(AC/DC)和1MHz(DC/DC)。軟開關技術的出現，真正實現了

開關電源的高頻化，它不僅可以減少電源的體積和重量，而且提高了開關電源的

效率。目前，采用軟開關技術的國產開關電源，其效率已達到93%。但是，目前

我國的開關電源技術與世界上先進的國家相比仍有較大的差距。

1.2.1 開關電源的發展史

開關電源的發展歷史可以追溯到幾十年前，可分為下列幾個時期：

1.電子管穩壓電源時期(1950年代)。此時期主要為電子管直流電源和磁飽

和交流電源，這種電源體積大、耗能多、效率低。

2.晶體管穩壓電源時期(1960年代-1970年代中期)。隨著晶體管技術的發

展，晶體管穩壓電源得到迅速發展，電子管穩壓電源逐漸被淘汰。

3.低性能穩壓電源時期(1970年代-1980年代末期)。出現了晶體管自激式

開關穩壓電源，工作頻率在20kHz以下，工作效率60%左右。隨著壓控率

器件的出現，促進了電源技術的極大發展，它可使兆瓦級的逆變電源設計

簡化，可取代需要強迫換流的晶閘管，目前仍在使用。功率MOSFET的出現，

構成了高頻電力電子技術，其開關頻率可達l00kHz以上，并且可并聯大電

流輸出。

4.高性能的開關穩壓電源時期(1990年代~至今)。隨著新型功率器件和脈

寬調制(PWM)電路的出現和各種零電壓、零電流變換拓撲電路的廣泛應用

出現了小體積、高效率、高可靠性的混合集成DC-DC電源。

1.3 開關電源的發展展望

1.半導體和電路器件是開關電源發展的重要支撐。

2.高頻、高效、低壓化、標準化是開關電源主要發展趨勢：

1)低電壓化

半導體工藝等級在未來十年將從0.18微米向50納米工藝邁進，芯片所需最低電壓最終將變為0.6V，但輸出電流將朝著大電流方向發展。

2)高效化

應用各種軟開關技術，包括無源無損軟開關技術、有源軟開關技術，如ZVS/ZCS諧振、準諧振;恒頻零開關技術;零電壓、零電流轉換技術及目前同步整流用MOSFET代替整流二極管都能大大地提高模塊在低輸出電壓時的效率，而效率的提高使得敞開式無散熱器的電源模塊有了實現的可能。

3)大電流、高密度化

4)高頻化

為了縮小開關電源的體積，提高電源的功率密度并改善其動態響應，小功率

DC-DC變換器的開關頻率已將現在的200～500kHz提高到1MHz以上，但高頻

化又會產生新的問題，如開關損耗以及無源元件的損耗增大，高頻寄生參數以及

高頻電磁干擾增大等。

5)在封裝結構上正朝著薄型，甚至超薄型方向發展

2.降壓型PWM AC-DC開關電源設計的基本要求

設計一款降壓型PWM AC-DC開關電源，設計參數如下：

輸入參數：

1.輸入交流電壓：單相AC220V

2.輸入電壓變動范圍： 20%

3.輸入頻率：50Hz 2Hz

輸出參數：