1 开关电源的发展过程

　　开关电源是利用现代电力电子技术，采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关晶体管开通和关断的时间比率（占空比），调整输出电压，维持输出稳定的一种电源。早在20世纪80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机电源换代，进入90年代开关电源已广泛应用在各种电子、电器设备，程控交换机、通讯、电力检测设备电源和控制设备电源之中。开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，两者的成本都随着输出功率的增加而增长，但两者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使的开关电源技术也不断的创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，从而为开关电源提供了广阔的发展空间。

　　开关电源高频化使其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源更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。

　　人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，也有AC/AC DC/AC 如逆变器 DC/DC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，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。

　　2 开关电源技术的发展趋势

　　开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各在开关电源制造商都致力同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体（Mn-Zn）材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（Bs）下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小薄。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的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。对联高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。

　　模块化是开关电源发展的总体趋势，可以用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N+1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化，其噪声也必将随着增大，而用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，使得多项技术得以实用化。电力电子技术的不断创新，开关电源产业有着广阔的发展前景。要加快我国开关电源产业的发展速度就必须走技术创新之路，走出有中国特色的产学研联合发展之路，为我国国民经济的高速发展做出贡献。

　　1955年美国罗耶（GH.Roger）发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957年美国查赛（Jen Sen）发明了自激式推挽双变压器，1964年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了1969年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了25千赫的开关电源。

　　目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的100kHz、用MOS－FET制成的500kHz电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。其中，为防止随开关启-闭所发生的电压浪涌，可采用R-C或L-C缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。不过，对1MHz以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前，世界上许多国家都在致力于数兆Hz的变换器的实用化研究。

　　3 开关电源的分类

　　随着电力电子器件和开关变频技术几乎同步开发的前提下，两者相互促进与推动，开关电源每年以超过两位数字的增长率，向轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源科分为AC/DC和DC/DC两大类。DC/DC变换器现已实现模块化、成熟化和标准化。但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。

　　1.系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如Enea公司的OSE分布式系统，内核只有5K，而Windows的内核？简直没有可比性。

　　2.专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全两个概念。

　　3.系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。

　　4.高实时性的系统软件（OS）是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固态存储，以提高速度；软件代码要求高质量和高可靠性。

　　5.嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和库函数接口，用户必须自行选配RTOS（Real－Time Operating System）开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。

　　6.嵌入式系统开发需要开发工具和环境。由于其本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为的执行机，开发时需要交替结合进行。

　　3.1 DC/DC变换

　　DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有：脉宽调制方式（Ts不变，改变ton）和频率调制方式（ton不变，改变Ts）两种。前者较为通用，后者容易产生干扰。其具体电路有Buck电路（降压斩波器，其输出平均小于输入电压，极性相同）、Boost电路（升压斩波器，其输出平均电压大于输入电压，极性相同）、Buck—Boost电路（降压或升压斩波器，电感传输方式。其输出平均电压大于或小于输出电压，极性相反）和Cuk电路（降压或升压斩波器，电容传输方式。其输出平均电压大于或小于输入电压，极性相反）四种。

　　当今世界软开关技术使得DC/DC变换器发生了质得变化和飞跃。美国VICOR公司设计制造得多种ECI软开关DC/DC变换器，输出功率有300W、600W、800W等，相应得功率密度为（6.2、10、17）W/cm3，效率为（80—90）%。日本NemicLambda公司推出得一种采用软开关技术得高频开关电源模块RM系列，其开关频率为200—300KHz,功率密度已达27W/cm3，采用同步整流器（MOS-FET代替肖特基二极管），使整个电路效率提高到90%。

　　3.2 AC/DC变换器

　　AC/DC变换器是将交流电压变换成直流电压，其功率流向可以是双向的功率六由电源流向负载的称为“整流”，功率六有负载返向电源的称为“有源逆变”。AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准，（如UL、CCE等）及EMC指令的限制（如IEC、FCC、CSA），交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC/DC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，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作效率达到一定的满意程度。

　　AC/DC变换按电路的接线方式右分为，半波电路、全波电路。按电源相数可分为，单相。按电路工袋子和象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。

　　4.开关式稳压电源的工作原理

　　4.1开关式稳压电源的基本工作原理

　　开关式稳压电源接控制方式分为调宽式和调频式两种。调宽式开关稳压电源在实际开发和应用的中使用得较多，因此，就以调宽式开关稳压电源为例说明其基本工作原理：调宽式开关稳压电源的基本原理可参见图1。对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。直流平均电压Ｕ当Um与T不变时，直流平均电压Uo与脉冲宽度T1成正比。这样，只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，即可达到稳定电压的目的。

　　Um为矩形脉冲电压值；T为矩形脉冲周期；T1为矩形脉冲宽度。

　　4.2 开关式稳压电源的原理电路

　　开关式稳压电源的基本电路框图如图2所示。交流电压经整流、滤波电路整流滤波后，输出一个含有一定脉动成份的直流电压，再经高频变换器被转换成所需电压值的方波，再经整流滤波变为所需要的直流电压。

　　控制电路由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路组成（目前已集成化）。主要起控制高频开关元件的开关时间比，即脉冲宽度的占空比，以达到稳定输出电压的目的。开关电源的典型电路主要有单端反激式开关电源、单端正激式开关电源、自激式开关稳压电源、推挽式开关电源、降压式开关电源、升压式开关电源、反转式开关电源。

　　5 开关电源在医学仪器中的应用

　　近二十年来，开关电源已广泛应用在心电图机、超声诊断仪和CT等医疗仪器设备之中。本文以美国GE公司专门为CT机设计的CT MAX640型脉宽调制开关稳压电源为例加以介绍。该电源由软启动控制电路、220/110V自动识别电路、晶体管开关电路（辅助电源）、脉宽调制（PWM）、驱动电路等部分组成。

　　5.1软启动控制电路

　　由TR104、TRC101、THF101、R113、R114、R116等组成。开机瞬间TRC101截止，电流流过THF101、限流电阻R113、R114，辅助开关电源开始接入直流300V时，光电耦合器PC101导通。同时，振荡波形经T101耦合，D106整流、C128滤波，输出一直流电压，TR104饱和导通。当R116上的直流压降达到可控硅TEC101触发电压时而导通，此时THF101、R113、R114失去作用，从而实现了启动时减少整流桥和滤波电容冲击电流的作用，即软启动

　　5.2 自动识别电路

　　由IC101、TRC102、TR101、SS102、R101、R112等组成。当输入220V交流电时，TRC102截止，220V经硅桥SS101整流，滤波后输出A、B两组电压，TR103集电极输出300V直流电压；当输入110V交流电压时，IC1013脚的输出电压使可控硅TRC102导通，K点与硅桥的110V输入端相连接，再经倍压整流电路（SS101、C109-112、R120、R121）输出300V直流电压。为辅助开关电源及脉宽调制驱动电路供电。

　　5.3 晶体管开关电路又称辅助电源

　　由TR103、T101、TR102等组成。由T1015、6脚耦合过来的交变信号，经D108整流、C127滤波后输出C、X正压，为脉宽调制电路、风扇检测电路、+5V误差放大负反馈控制电路供电。

　　5.4 脉宽调制（PWM）及驱动放大电路

　　由IC201、T103、TR206、T201、PC202、TR203、TR204、TR211等组成。IC201的14脚是+5V基准电压，IC601的输出控制光电耦合管PC202，然后再控制IC201的2脚，通过改变脉冲宽度的占空比，从而获得稳定的+5V电压。R211、C205分别接在5、6脚，再与IC201内部振荡电路产生频率为200KHz、电流1.2A的三角波，经互补驱动电路（TR204-207）放大，驱动晶体管放大器（TR208-211），经变压器T201输出。D205、D206、C212和T201的P、Q端组成缓冲电路，起降低驱动管功耗的作用。+5V电压再经大型整流滤波电路（SS501-508、L501、L502、C501-525）整流、滤波后输出。风扇检测电路由D701、C701、TR702-704、PC701等组成。当风扇出现故障时，PC701的光传感器截止，PC202上的光传感器也截止，IC201的2脚无控制电压，此时整机无+5V电压输出。IC601、IC602、PC701、PC201、T101、D601、C601等组成+5V误差放大负反馈控制电路。