1、 第 1 页 共 30 页 第 1 章 绪论 1.1 开关电源的产生与发展 随着大规模和超大规模集成电路的快速发展， 特别是微处理器和半导体存储 器的开发利用，孕育了电子系统的新一代产品。显然，那种体积大而笨重的使用 工频变压器的线性调节稳压电源已经过时。取而代之的是小型化、重量轻、效率 高的隔离式开关电源1。 隔离式开关电源的核心是一种高频电源变换电路。 它使交流电源高效率地产 生一路或多路经调整的稳定直流电压。 早在 70 年代，随着电子技术的不断发展，集成化的开关电源就已被广泛地 应用于电子计算机、彩色电视机、卫星通信设备、程控交换机、精密仪表等电子 设备。这是由于开关电源能够满足现代电
2、子设备对多种电压和电流的需求。 随着半导体技术的高度发展， 高反压快速开关晶体管使无工频变压器的开关电源 迅速实用化。 而半导体集成电路技术的迅速发展又为开关电源控制电路的集成化 奠定了基础，适应各类开关电源控制要求的集成开关稳压器应运而生，其功能不 断完善，集成化水平也不断提高，外接元件越来越少，使得开关电源的设计、生 产和调整工作日益简化，成本也不断下降。目前己形成了各类功能完善的集成开 关稳压器系列。近年来高反压 Mos 大功率管的迅速发展，又将开关电源的工作 频率从 20kHz提高到 150200kHz，其结果是使整个开关电源的体积更小，重量 更轻，效率更高。开关电源的性能价格比达到了
3、前所未有的水平，使它在与线性 电源的竞争中具有先导之势。当然开关电源能被工业所接受，首先是它在体积、 重量和效率上的优势。在 70 年代后期，功率在 100w 以上的开关电源是有竞争 力的。到 1980 年，功率在 50w 以上就具有竞争力了。随着开关电源性能的改善， 到 80 年代后期，电子设备的消耗功率在 20w 以上，就要考虑使用开关电源了。 过去，开关电源在小功率范围内成本较高，但进入 90 年代后，其成本下降非常 显著当然这包括了功率元件，控制元件和磁性元件成本的大幅度下降。此外，能 源成本的提高也是促进开关电源发展的因素之一2。 开关电源技术属于电力电子技术，它运用功率变换器进行电
4、能变换，经过变 换电能，可以满足各种用电要求。由于其高效节能可带来巨大经济效益，因而引 起社会各方面的重视而得到迅速推广。 随着技术的不断发展和完善，开关电源得到了广泛的应用，以往开关 电源的设计通常采用控制电路与功率管相分离的拓扑结构， 但这种方案存在成本 高、系统可靠性低等问题。美国功率集成公司。Power Integration Inc 开发的 第 2 页 共 30 页 TOP Switch系列新型智能高频开关电源集成芯片解决了这些问题， 该系列芯片将 自启动电路、功率开关管、控制电路及保护电路等集成在一起，从而提高 了电源的效率，简化了开关电源的设计和新产品的开发，使开关电源发展到一个
5、 新的时代。 现在有很多的设计方法就是用 TOP Switch的第三代产品 TOP249Y 开 发变频器用多路输出开关电源3。 开关电源问世后，在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。 早期出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管工 作于开关状态。随着脉宽调制（PWM）技术的发展，PWM 开关电源问世，它的 特点是用 20kHz的载波进行脉冲宽度调制，电源的效率可达 65%70%，而线性 电源的效率只有 3040。因此，用开关电源替代线性电源，可大幅度节约能 源，从而引起了人们的广泛关注，在电源技术发展史上被誉为 20kHz 革命。随 着超大规模集成（ultr
6、a-large-scale-integrated-ULSI）芯片尺寸的不断减小，电源 的尺寸与微处理器相比要大得多；而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池的便 携式电子设备（如手提计算机、移动电话等）更需要小型化、轻量化的电源。因 此，对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量也要小。 此外，还要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。这一切高新要求 便促进了开关电源的不断发展和进步。 1.2 开关电源的研究现状 国际发展状况： 1955 年美国的科学家罗耶首先研制成功了利用磁芯来进行自激振荡的晶 体管直流变换器。20 世纪 60 年代末，由于微电子技术的快速发展，高反压、 大电流的功率开关晶体管出了，从此直流变化器就可直接由工频电网电压经整 流、滤波后输入供电，体积大、重量重、效率低的工频降压变压器终于给甩掉， 这迅速扩大了晶体管直流变压器的应用范围，并在此基础上诞生了无工频变压 器的开关稳压电源。20 世纪 70 年代以后，与这种技术有关的高频率、高反压， 大电流的功率开关晶体管，高频率、高温电容、高反压、快恢复肖特基二极管
