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[摘 要]介绍了开关电源的分类、结构、原理。对开关电源的设计问题进行了研究和探讨。包括开关电源设计问题的可靠性、安全性、电磁兼容性等。
[关键词]开关电源 分类 原理 可靠性 安全性
中图分类号：G123 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）07-0315-02
引言
随着许多高新技术的发展，开关电源技术在不断地创新。开关电源的设计要以安全性、可靠性为首要原则，在各种指标满足正常使用要求的条件下，为使电源安全可靠地工作，本文将详细的分析开关电源的分类、结構、原理、设计可靠性、安全性、电磁兼容性等问题以供大家参考。
1.开关电源的分类
顾名思义，开关电源就是利用电子开关器件（如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等），通过控制电路，使电子开关器件不停地“接通”和“关断”，让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现DC/AC、DC/DC电压变换，以及输出电压可调和自动稳压。
开关电源一般有三种工作模式：频率、脉冲宽度固定模式，频率固定、脉冲宽度可变模式，频率、脉冲宽度可变模式。前一种工作模式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换；后两种工作模式多用于开关稳压电源。另外，开关电源输出电压也有三种工作方式：直接输出电压方式、平均值输出电压方式、幅值输出电压方式。同样，前一种工作方式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换；后两种工作方式多用于开关稳压电源。
根据开关器件在电路中连接的方式，目前比较广泛使用的开关电源，大体上可分为：串联式开关电源、并联式开关电源、变压器式开关电源等三大类。其中，变压器式开关电源（后面简称变压器开关电源）还可以进一步分成：推挽式、半桥式、全桥式等多种；根据变压器的激励和输出电压的相位，又可以分成：正激式、反激式、单激式和双激式等多种；如果从用途上来分，还可以分成更多种类。
2.开关电源的结构
开关电源主要由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源4大部份构成。
（1）主电路
冲击电流限幅：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。
输入滤波器：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。
整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。
逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分。
输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。
（2）控制电路
一方面从输出端取样，与设定值进行比较，然后去控制逆变器，改变其脉宽或脉频，使输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对电源进行各种保护措施。
（3）检测电路
提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。
（4）辅助电源
实现电源的软件（远程）启动，为保护电路和控制电路（PWM等芯片）工作供电。
3.开关电源原理
我们的各种电路系统里常常会用到开关电源，主要用于获得一定功率的直流电源（多数是24V），我们常看到的开关电源外观上多数象一个小主箱，通过表面开出的很多散热孔可以看到里面的电路板。
高频开关电源由以下几个部分组成：
1）主电路从交流电网输入、直流输出的全过程，包括：①、输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。 ②整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。③逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越大。④输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。
2）控制电路一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。
3）检测电路 除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表数据。
4）辅助电源提供所有单一电路的不同要求电源。 开关控制稳压原理开关K以一定的时间间隔重复地接通和断开，在开关K接通时，输入电源E通过开关K和滤波电路提供给负载RL，在整个开关接通期间，电源E向负载提供能量；当开关K断开时，输入电源E便中断了能量的提供。可见，输入电源向负载提供能量是断续的，为使负载能得到连续的能量提供，开关稳压电源必须要有一套储能装置，在开关接通时将一部份能量储存起来，在开关断开时，向负载释放。
改变接通时间TON和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比，这种方法称为“时间比率控制”
（TimeRatioControl，缩写为 TRC）。 按TRC控制原理，有3种方式：
1）脉冲宽度调制（PulseWidthModulation，缩写为PWM）开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。
2）脉冲频率调制（PulseFrequencyModulation，缩写为PFM）导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。
3）混合调制导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的混合。
4.开关电源的技术性和可靠性
电子产品的质量是技术性和可靠性两方面的综合。电源作为一个电子系统中重要的部件，其可靠性决定了整个系统的可靠性，开关电源由于体积小，效率高而在各个领域得到广泛应用，如何提高它的可靠性是电力电子技术的一个重要方面。
我们知道，供电方式的选择供电方式一般分为：集中式供电系统和分布式供电。现代电力电子系统一般采用采用分布式供电系统，以满足高可靠性设备的要求。 电路拓扑的选择开关电源一般采用单端正激式、单端反激式、双管正激式、双单端正激式、双正激式、推挽式、半桥、全桥等八种拓扑。其中双管正激式、双正激式和半桥电路的开关管承压仅为输入电源电压，60%降额时选用600V的开关管比较容易，而且不会出现单向偏磁饱和的问题，这3种拓扑在高压输入电路中得到广泛的应用。功率因数校正技术开关电源的谐波电流污染电网，干扰了其它共网设备，还可能会使采用三相四线制的中线电流过大，引发事故，解决途径之一是采用具有功率因素校正技术的开关电源。
元器件的选用因为元器件直接决定了电源的可靠性，所以元器件的选用是非常重要。元器件的失效主要集中在以下四点：制造质量问题、器件可靠性的问题、设计问题、损耗问题。在使用中应对此予以足够重视。保护电路为使电源能在各种恶劣环境下可靠地工作，应在设计时加入多种保护电路，如防浪涌冲击、过欠压、过载、短路、过热等保护电路。
5.电磁兼容性（EMC）设计技术
开关电源多采用脉冲宽度调制（PWM）技术，脉冲波形呈矩形，其上升沿与下降沿包含大量的谐波成分，另外输出整流管的反向恢复也会产生电磁干扰（EMI），这是影响可靠性的不利因素，这使得系统具有电磁兼容性成为重要问题。产生电磁干扰有3个必要条件：干扰源、传输介质、敏感接收单元，EMC设计就是破坏这三个条件中的一个。
对于开关电源而言，主要是抑制干扰源，干扰源集中在开关电路与输出整流电路。采用的技术包括滤波技术、布局与布线技术、屏蔽技术、接地技术、密封技术等。EMI按传播途径分为传导干扰和辐射干扰。传导噪声的频率范围很宽，从10kHz～30MHz，我们虽然知道产生干扰的原因，但从效率上来讲，通过控制脉冲波形的上升与下降时间来解决未必是一个好办法，解决办法之一是加装电源EMI滤波器、输出滤波器及吸收电路。
良好的布局和布线技术也是控制噪声的一个重要手段。为减少噪声的发生和防止由噪声导致的误动作，应注意以下几点：①尽量缩小由高频脉冲电流所包围的面积。②缓冲电路尽量贴近开关管和输出整流二极管。③脉冲电流流过的区域远离输入输出端子，使噪声源和出口分离。
④控制電路和功率电路分开，采用单点接地方式，大面积接地容易引起天线作用，所以建议不要采用大面积接地方式。⑤必要时可以将输出滤波电感安置在地回路上。
对于辐射干扰主要应用密封屏蔽技术，在结构上实行电磁封闭，要求外壳各部分之间具有良好的电磁接触，以保证电磁的连续性。目前为减少重量大都采用铝合金外壳，但铝合金导磁性能差，因而外壳需要镀一层镍或喷涂导电漆，内壁贴覆高导磁率的屏蔽材料。外壳永久连接处用导电胶粘牢或采用连续焊缝结构，需拆卸的可以用导电橡胶条压紧来保证电磁连续性。导电材料要求导电性能高、有弹性、具有最小的宽厚比。
6.安全性设计技术
对于电源而言，安全性历来被确定为最重要的性能，不安全的产品不但不能完成规定的功能，而且还有可能发生严重事故，甚至造成机毁人亡的巨大损失。为保证产品具有相当高的安全性，必须进行安全性设计。电源产品安全性设计的内容包括防止电危险、过热危险。对于商用设备市场，具有代表性的安全标准有UL、CSA、VDE等，内容因用途而异，容许泄漏电流在0.5～5mA之间，我国用军标准GJB1412规定的泄漏电流小于5mA。电源设备对地泄漏电流的大小取决于EMI滤波器的Y电容的容量。
7.结束语
以上建议只是适用于工业品和军品电源，对于商业级产品可以在某些方面作出不同的选择。总之电源设备可靠性的高低，不仅跟电气设计，而且跟装配、工艺、结构设计、加工质量等各方面有关。可靠性是以设计为基础，在实际工程应用上，还应通过各种试验取得反馈数据来完善设计，进一步提高电源的可靠性。
参考文献
[1] 林晓伟.单端反激开关电源原理与设计[J].电子工程师，2007，33（5）.
[2] 张厚升，赵艳雷.新型多功能反激式开关电源设计[J]. 电力自动化设备，2011，3（11）.
[关键词]开关电源 分类 原理 可靠性 安全性
中图分类号：G123 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）07-0315-02
引言
随着许多高新技术的发展，开关电源技术在不断地创新。开关电源的设计要以安全性、可靠性为首要原则，在各种指标满足正常使用要求的条件下，为使电源安全可靠地工作，本文将详细的分析开关电源的分类、结構、原理、设计可靠性、安全性、电磁兼容性等问题以供大家参考。
1.开关电源的分类
顾名思义，开关电源就是利用电子开关器件（如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等），通过控制电路，使电子开关器件不停地“接通”和“关断”，让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现DC/AC、DC/DC电压变换，以及输出电压可调和自动稳压。
开关电源一般有三种工作模式：频率、脉冲宽度固定模式，频率固定、脉冲宽度可变模式，频率、脉冲宽度可变模式。前一种工作模式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换；后两种工作模式多用于开关稳压电源。另外，开关电源输出电压也有三种工作方式：直接输出电压方式、平均值输出电压方式、幅值输出电压方式。同样，前一种工作方式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换；后两种工作方式多用于开关稳压电源。
根据开关器件在电路中连接的方式，目前比较广泛使用的开关电源，大体上可分为：串联式开关电源、并联式开关电源、变压器式开关电源等三大类。其中，变压器式开关电源（后面简称变压器开关电源）还可以进一步分成：推挽式、半桥式、全桥式等多种；根据变压器的激励和输出电压的相位，又可以分成：正激式、反激式、单激式和双激式等多种；如果从用途上来分，还可以分成更多种类。
2.开关电源的结构
开关电源主要由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源4大部份构成。
（1）主电路
冲击电流限幅：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。
输入滤波器：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。
整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。
逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分。
输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。
（2）控制电路
一方面从输出端取样，与设定值进行比较，然后去控制逆变器，改变其脉宽或脉频，使输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对电源进行各种保护措施。
（3）检测电路
提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。
（4）辅助电源
实现电源的软件（远程）启动，为保护电路和控制电路（PWM等芯片）工作供电。
3.开关电源原理
我们的各种电路系统里常常会用到开关电源，主要用于获得一定功率的直流电源（多数是24V），我们常看到的开关电源外观上多数象一个小主箱，通过表面开出的很多散热孔可以看到里面的电路板。
高频开关电源由以下几个部分组成：
1）主电路从交流电网输入、直流输出的全过程，包括：①、输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。 ②整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。③逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越大。④输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。
2）控制电路一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。
3）检测电路 除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表数据。
4）辅助电源提供所有单一电路的不同要求电源。 开关控制稳压原理开关K以一定的时间间隔重复地接通和断开，在开关K接通时，输入电源E通过开关K和滤波电路提供给负载RL，在整个开关接通期间，电源E向负载提供能量；当开关K断开时，输入电源E便中断了能量的提供。可见，输入电源向负载提供能量是断续的，为使负载能得到连续的能量提供，开关稳压电源必须要有一套储能装置，在开关接通时将一部份能量储存起来，在开关断开时，向负载释放。
改变接通时间TON和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比，这种方法称为“时间比率控制”
（TimeRatioControl，缩写为 TRC）。 按TRC控制原理，有3种方式：
1）脉冲宽度调制（PulseWidthModulation，缩写为PWM）开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。
2）脉冲频率调制（PulseFrequencyModulation，缩写为PFM）导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。
3）混合调制导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的混合。
4.开关电源的技术性和可靠性
电子产品的质量是技术性和可靠性两方面的综合。电源作为一个电子系统中重要的部件，其可靠性决定了整个系统的可靠性，开关电源由于体积小，效率高而在各个领域得到广泛应用，如何提高它的可靠性是电力电子技术的一个重要方面。
我们知道，供电方式的选择供电方式一般分为：集中式供电系统和分布式供电。现代电力电子系统一般采用采用分布式供电系统，以满足高可靠性设备的要求。 电路拓扑的选择开关电源一般采用单端正激式、单端反激式、双管正激式、双单端正激式、双正激式、推挽式、半桥、全桥等八种拓扑。其中双管正激式、双正激式和半桥电路的开关管承压仅为输入电源电压，60%降额时选用600V的开关管比较容易，而且不会出现单向偏磁饱和的问题，这3种拓扑在高压输入电路中得到广泛的应用。功率因数校正技术开关电源的谐波电流污染电网，干扰了其它共网设备，还可能会使采用三相四线制的中线电流过大，引发事故，解决途径之一是采用具有功率因素校正技术的开关电源。
元器件的选用因为元器件直接决定了电源的可靠性，所以元器件的选用是非常重要。元器件的失效主要集中在以下四点：制造质量问题、器件可靠性的问题、设计问题、损耗问题。在使用中应对此予以足够重视。保护电路为使电源能在各种恶劣环境下可靠地工作，应在设计时加入多种保护电路，如防浪涌冲击、过欠压、过载、短路、过热等保护电路。
5.电磁兼容性（EMC）设计技术
开关电源多采用脉冲宽度调制（PWM）技术，脉冲波形呈矩形，其上升沿与下降沿包含大量的谐波成分，另外输出整流管的反向恢复也会产生电磁干扰（EMI），这是影响可靠性的不利因素，这使得系统具有电磁兼容性成为重要问题。产生电磁干扰有3个必要条件：干扰源、传输介质、敏感接收单元，EMC设计就是破坏这三个条件中的一个。
对于开关电源而言，主要是抑制干扰源，干扰源集中在开关电路与输出整流电路。采用的技术包括滤波技术、布局与布线技术、屏蔽技术、接地技术、密封技术等。EMI按传播途径分为传导干扰和辐射干扰。传导噪声的频率范围很宽，从10kHz～30MHz，我们虽然知道产生干扰的原因，但从效率上来讲，通过控制脉冲波形的上升与下降时间来解决未必是一个好办法，解决办法之一是加装电源EMI滤波器、输出滤波器及吸收电路。
良好的布局和布线技术也是控制噪声的一个重要手段。为减少噪声的发生和防止由噪声导致的误动作，应注意以下几点：①尽量缩小由高频脉冲电流所包围的面积。②缓冲电路尽量贴近开关管和输出整流二极管。③脉冲电流流过的区域远离输入输出端子，使噪声源和出口分离。
④控制電路和功率电路分开，采用单点接地方式，大面积接地容易引起天线作用，所以建议不要采用大面积接地方式。⑤必要时可以将输出滤波电感安置在地回路上。
对于辐射干扰主要应用密封屏蔽技术，在结构上实行电磁封闭，要求外壳各部分之间具有良好的电磁接触，以保证电磁的连续性。目前为减少重量大都采用铝合金外壳，但铝合金导磁性能差，因而外壳需要镀一层镍或喷涂导电漆，内壁贴覆高导磁率的屏蔽材料。外壳永久连接处用导电胶粘牢或采用连续焊缝结构，需拆卸的可以用导电橡胶条压紧来保证电磁连续性。导电材料要求导电性能高、有弹性、具有最小的宽厚比。
6.安全性设计技术
对于电源而言，安全性历来被确定为最重要的性能，不安全的产品不但不能完成规定的功能，而且还有可能发生严重事故，甚至造成机毁人亡的巨大损失。为保证产品具有相当高的安全性，必须进行安全性设计。电源产品安全性设计的内容包括防止电危险、过热危险。对于商用设备市场，具有代表性的安全标准有UL、CSA、VDE等，内容因用途而异，容许泄漏电流在0.5～5mA之间，我国用军标准GJB1412规定的泄漏电流小于5mA。电源设备对地泄漏电流的大小取决于EMI滤波器的Y电容的容量。
7.结束语
以上建议只是适用于工业品和军品电源，对于商业级产品可以在某些方面作出不同的选择。总之电源设备可靠性的高低，不仅跟电气设计，而且跟装配、工艺、结构设计、加工质量等各方面有关。可靠性是以设计为基础，在实际工程应用上，还应通过各种试验取得反馈数据来完善设计，进一步提高电源的可靠性。
参考文献
[1] 林晓伟.单端反激开关电源原理与设计[J].电子工程师，2007，33（5）.
[2] 张厚升，赵艳雷.新型多功能反激式开关电源设计[J]. 电力自动化设备，2011，3（11）.