降压型PWM_AC-DC开关电源设计

1.2 开关电源的发展简介[3]

能源在每个国家中的地位都是举足轻重，关乎兴衰的，所以如何开发并合理

利用能源是一个重要的课题。特别对于我国这样的能源消耗大国和贫乏国，更是

如此。我国、美国和俄罗斯等大国始终把能源技术列为国家关键性的科技领域。

能源技术的其中一个重要方面就是电力电子技术，这是一门结合了微电子学、

电机学、控制理论等多种学科的交叉性边沿学科，它利用功率半导体器件对电网

功率、电流、电压、频率、相位进行精确控制和处理，使得电力电子装置小型化、

高频化、智能化，效率和性能得以大幅度提高。

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能变换，经过变

换电能，可以满足各种对参数的要求。这些变换包括交流到直流(AC-DC，即整流)，直流到交流(DC-AC，即逆变)，交流到交流(AC-AC，即变压)，直流到直流(DC-DC)。广义地说，利用半导体功率器件作为开关，将一种电源形式转变为另一种电源形式的主电路都叫做开关变换器电路;转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称为开关电源(SwitchingPower Supply)。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。

电源管理芯片实际上也是指具有自动控制环路和保护电路的DC-DC变换芯片，是开关电源的核心控制芯片。电源管理芯片在90年代中后期问世，由于替换了大部分分立器件，使开关电源的整体性能得到大幅度提高，同时降低了成本，因而显示出强大的生命力。

我国开关电源起源于1970年代末期，到1980年代中期，开关电源产品开始

推广应用。那时的开关电源产品采用的是频率为20 kHz以下的PWM技术，其效

率只能达到60%~70%。经过20多年的不断发展，新型功率器件的研发为开关电

源的高频化莫定了基础，功率MOSFET和IGBT的应用使中、小功率开关电源工

作频率高达到400kHz(AC/DC)和1MHz(DC/DC)。软开关技术的出现，真正实现了

开关电源的高频化，它不仅可以减少电源的体积和重量，而且提高了开关电源的

效率。目前，采用软开关技术的国产开关电源，其效率已达到93%。但是，目前

我国的开关电源技术与世界上先进的国家相比仍有较大的差距。

1.2.1 开关电源的发展史

开关电源的发展历史可以追溯到几十年前，可分为下列几个时期：

1.电子管稳压电源时期(1950年代)。此时期主要为电子管直流电源和磁饱

和交流电源，这种电源体积大、耗能多、效率低。

2.晶体管稳压电源时期(1960年代-1970年代中期)。随着晶体管技术的发

展，晶体管稳压电源得到迅速发展，电子管稳压电源逐渐被淘汰。

3.低性能稳压电源时期(1970年代-1980年代末期)。出现了晶体管自激式

开关稳压电源，工作频率在20kHz以下，工作效率60%左右。随着压控率

器件的出现，促进了电源技术的极大发展，它可使兆瓦级的逆变电源设计

简化，可取代需要强迫换流的晶闸管，目前仍在使用。功率MOSFET的出现，

构成了高频电力电子技术，其开关频率可达l00kHz以上，并且可并联大电

流输出。

4.高性能的开关稳压电源时期(1990年代~至今)。随着新型功率器件和脉

宽调制(PWM)电路的出现和各种零电压、零电流变换拓扑电路的广泛应用

出现了小体积、高效率、高可靠性的混合集成DC-DC电源。

1.3 开关电源的发展展望

1.半导体和电路器件是开关电源发展的重要支撑。

2.高频、高效、低压化、标准化是开关电源主要发展趋势：

1)低电压化

半导体工艺等级在未来十年将从0.18微米向50纳米工艺迈进，芯片所需最低电压最终将变为0.6V，但输出电流将朝着大电流方向发展。

2)高效化

应用各种软开关技术，包括无源无损软开关技术、有源软开关技术，如ZVS/ZCS谐振、准谐振;恒频零开关技术;零电压、零电流转换技术及目前同步整流用MOSFET代替整流二极管都能大大地提高模块在低输出电压时的效率，而效率的提高使得敞开式无散热器的电源模块有了实现的可能。

3)大电流、高密度化

4)高频化

为了缩小开关电源的体积，提高电源的功率密度并改善其动态响应，小功率

DC-DC变换器的开关频率已将现在的200～500kHz提高到1MHz以上，但高频

化又会产生新的问题，如开关损耗以及无源元件的损耗增大，高频寄生参数以及

高频电磁干扰增大等。

5)在封装结构上正朝着薄型，甚至超薄型方向发展

2.降压型PWM AC-DC开关电源设计的基本要求

设计一款降压型PWM AC-DC开关电源，设计参数如下：

输入参数：

1.输入交流电压：单相AC220V

2.输入电压变动范围： 20%

3.输入频率：50Hz 2Hz

输出参数：