開關電源適配器的發展史

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開關電源適配器的發展史

在開關電源適配器出現之前，線性穩壓電源適配器（簡稱線性電源適配器）已經應用了很長一段時間。而后，開關電源適配器是作為線性電源適配器的一種替代產品出現的，開關電源適配器這一稱謂也是相對于線性電源適配器而產生的。圖14是線性電源適配器的結構簡圖。圖中的關鍵元器件是調整管V。工作時檢測輸出電壓得到，將其和參考電壓U進行比較，用其誤差對調整管V的基極電流進行負反饋控制。
這樣，當輸入電壓4發生變化，或負載變化引起電源適配器的輸出電壓a，變化時，就可以通過改變調整管V的管壓降a，來使輸出電壓a，穩定。為了使調整管V可以發揮足夠的調節作用，V必須工作在線性放大狀態，且保持一定的管壓降。因此，這種電源適配器被稱為線性電源適配器。線性電源適配器的直流輸入電路通常是由工作在工頻下的整流變壓器T和二極管整流加電容濾波組成。由于交流電源適配器電壓變化范圍有時較大，因此的變化范圍也較大。此外，二極管整流電路所接的濾被電容C不可能很大，這樣就有一定的脈動。但這些都可以通過調整管V的管壓降來進行調整，使輸出電壓a。的精度和紋波都滿足較高的要求。
圖中整流變壓器T的作用有兩個：一是通過對其電壓比的合理沒計，使n比。高出一個合適的值，確保調整管V可工作在放大狀態二是使輸出電壓和交流輸入電源適配器實現電氣隔離，這一點也很重要。
圖的線性電源適配器雖然可以滿足所需直流電壓的高低和供電質量（精度、紋波等）的要求，但有兩個嚴重的缺點：一是調整管V工作在線性放大狀態，損耗很大，因而使整個電源適配器效率很低；二是需要一個工頻變壓器T，使得電源適配器體積大、重量重。
開關電源適配器就是為了克服線性電源適配器的缺點而出現的，其典型結構見圖12。圖1-2中的整流電路是把交流電源適配器直接經過二極管整流電路和電容C濾波后得到直流電壓u1，再由逆變器逆變成高頻交流方波脈沖電壓。由于人耳可聽到的音頻的范圍大體為20Ha~20kH，因此逆變器的開關頻率大多選在20kH以上，這樣就避免了令人煩躁的噪聲污染。逆變器輸出經高頻變壓器T隔離，并變換成適當的交流電壓，再經過整流和濾波變成所需要的直流輸出電壓u。

當交流輸入電壓、負載等變化時，直流輸出電壓u。也會變化。這時可以調節逆變器輸出的方波脈沖電壓的寬度，使直流輸出電壓。保持穩定。從圖1-2及開關電源適配器的工作原理可以看出，逆變電路較為復雜，它是開關電源適配器的核心部分。
上述電路結構看起來雖然比較復雜，但是比起圖1-1的線性電源適配器來，卻有幾個突出的特點。首先，該電路中起調節輸出電壓作用的逆變電路中的電力電子器件都工作在開關狀態，損耗很小，使得電源適配器的效率可達到90%甚至95%以上。其次，電路中起隔離和電壓變換作用的變壓器T是高頻變壓器，其工作頻率多為20kHz以上。搬運過電子儀器的人都會有這樣的體會，電子儀器往往“一頭沉”，這較重的一頭往往就是電源適配器變壓器所在的一頭。因為高頻變壓器體積可以做得很小，從而使整個電源適配器的體積大為縮小，重量也大大減輕。同時，由于工作頻率高，濾波器的體積也大為減小。由于圖12所示電源適配器中的電力電子器件總是工作在開關狀態，因此相對于線性電源適配器而言，稱之為開關電源適配器。
上述開關電源適配器由于有高頻變壓器隔離，因而屬于隔離型開關電源適配器。還有一種沒有變壓器的電源適配器，它是非隔離型的，也屬于開關電源適配器的范疇。圖1-3就是一種典型的非隔離型開關電源適配器電路。圖中所畫的實際上是一個降壓斬波電路，通過調整輸出脈沖電壓的寬度（即調節開關器件V的導通占空比D）來調節輸出電壓。除圖中的降壓型電路外，還有升壓型電路等多種非隔離型開關電源適配器電路，相關內容將在前面詳述。
還有一大類常見的直流電源適配器，就是圖14所示的晶閘管相位控制電源適配器（簡稱為相控電源適配器）。圖中所示的是單相全控橋式整流電路，它是較常用的相控電源適配器電路之一。有關這類電路，電力電子技術的教科書中有詳細的介紹，這里不再贅述。就圖14所示的單相全控橋式整流電路而言，其輸出的直流電壓中包含100Hz的紋波，如果改為三相全控橋式整流電路，直流輸出電壓中的紋波頻率就變為300Hz。但是不論采用哪一種形式的相控整流電路，其中的電力電子器件（晶閘管）的開關頻率都是以工頻為基礎的，在我國即為50H（單相橋的100H是50Hz的2倍，三相橋的300Hz是50Hz的6倍）。

和開關電源適配器相同，相控電源適配器中的電力電子器件也是工作在開關狀態，只是其工作頻率是工頻，而不是高頻。相比之下，相控電源適配器的一個顯著優點是電路簡單，控制方便。它的主要缺點是也要使用一個工頻變壓器T，使得整個電源適配器的體積大、重量重，這一點和線性電源適配器類似。另外，相控電源適配器的直流輸出電壓紋波頻率僅是工頻的幾倍（單相全控橋為2倍，三相全控橋為6倍），需要較大的濾波器才有較好的濾波效果。而開關電源適配器直流輸出電壓的紋波頻率很高，常在20kHz以上，因此只需要很小的濾波器就可以了。由于相控電源適配器的開關頻率低其對控制的響應速度也比開關電源適配器要慢。
按照目前的習慣，開關電源適配器專指電力電子器件工作在高頻開關狀態下的直流電源適配器，因此，開關電源適配器也常被稱為高頻開關電源適配器，而相控電源適配器則不包括在開關電源適配器之內。因此可以說，開關電源適配器是高頻直流開關電源適配器的簡稱，其中“高頻”排除了相控電源適配器，而“直流”排除了交流電源適配器（如UPs等電力電子器件處于開關狀態，但它是交流電源適配器）。
上面簡單介紹了線性電源適配器、開關電源適配器和相控電源適配器三種直流電源適配器，表12比較了它們的主要特點和適用范圍。
就電源適配器而言，除上述直流電源適配器外，還有一大類是交流中規電源適配器。例如，UPS提供的是恒頻恒壓（ Constant Voltage Constant Frequency，CvCF）電源適配器，變頻器提供的是變頻變壓（ Variable Voltage Variable Frequency，wwVF）電源適配器，它們中的電力電子器件都工作在開關狀態，工作頻率也較高，但它們都不屬于開關電源適配器。
綜上所述，同時具備三個條件的電源適配器可稱之為開關電源適配器。這三個條件就是：開關（電路中的電力電子器件工作在開關狀態而不是線性狀態）、高頻（電路中的電力電子器件工作在高頻而不是接近工頻的低頻）和直流（電源適配器輸出是直流而不是交流）。

如前所述，開關電源適配器是從線性電源適配器發展而來的，這就是它被稱為“開關”電源適配器的原因。由于其前身是線性電源適配器。因此它是各種電子裝置、許多電氣控制設備都采用的電源適配器。在開關電源適配器出現之前，這些裝置的工作電源適配器都采用線性電源適配器。由于計算機等電子裝置的集成度不斷增加，功能越來越強，體積卻越來越小，因此迫切需要體積小、重量輕、效率高、性能好的新型電源適配器，這就成了開關電源適配器技術發展的強大動力。
新型電力電子器件的發展給開關電源適配器的發展提供了物質條件。20世紀60年代末，垂直導電的高耐壓、大電流的雙極型電力晶體管[BJT，亦稱巨型晶體管（GTR）]的出現，使得采用高工作頻率的開關電源適配器得以問世，那時確定的開關電源適配器的基本結構一直沿用至今。
開關頻率的提高有助于開關電源適配器體積減小、重量減輕。早期的開關電源適配器的開關頻率僅為數千赫，隨著開關器件以及磁性材料性能的不斷改進，開關頻率也逐步提高。但當頻率達到10kH左右時，變壓器、電感等磁性元件發出的噪聲就變得很刺耳。為了減小噪聲并進一步減小體積，在20世紀70年代開關頻率終于突破了人耳聽覺極限的20kH。這一變化甚至被稱為“20kH革命”。后來隨著電力 MOSFET的應用，開關電源適配器的開關頻率進一步提高，使得電源適配器體積更小，重量更輕，功率密度更進一步提高。
由于和線性電源適配器相比，開關電源適配器在絕大多數性能指標上都具有很大的優勢。因此，目前除了對直流輸出電壓的紋波要求極高的場合以外，開關電源適配器已經全面取代了線性電源適配器。計算機、電視機、各種電子儀器的電源適配器幾乎都已是開關電源適配器的一統天下。
作為電子裝置的供電電源適配器，線性電源適配器主要用于小功率范圍。因此，在20世紀80年代以前，作為線性電源適配器的更新換代產品，開關電源適配器也主要用于小功率場合。那時，中大功率直流電源適配器仍以晶閘管相控電源適配器為主。但是，80年代起，由于絕緣柵雙極型晶體管（GBT）的出現打破了這一格局。IGBT可以看成是 MOSFET和BT復合而成的器件。和BJT相同，它們都主要應用于中等功率場合。但是和B相比，GBT工作頻率更高，且屬于電壓驅動型器件，易于驅動，具有突出的優點而沒有明顯的缺點。因此，LGBT迅速取代了縣花一現的B，而成為中等功率范圍的主流器件，并且不斷向大功率方向拓展其生存空間。

IGBT的出現使得開關電源適配器的容量不斷增大，在許多中等容量范圍內迅速取代了相控電源適配器。在通信領域，早期的48V基礎電源適配器幾乎都是采用的晶閘管相控電源適配器，現在已逐步被開關電源適配器所取代。電力系統的操作用直流電源適配器以前也是采用晶閘管相控電源適配器，目前開關電源適配器已經成為其主流。

此外，電焊機、電鍍裝置等傳統的晶閘管相控電源適配器的應用范圍，也逐步被開關電源適配器所蠶食。如前所述，開關頻率的提高可以使電源適配器體積減小、重量減輕，但卻使得開關損耗增大，電源適配器效率降低。另外，開關頻率的提高也使得電源適配器的電磁干擾間題變得突出起來。為了解決這一問題，20世紀80年代出現了采用準諧波技術的零電壓開關電路和零電流開關電路，這種技術被稱為軟開關技術。采用軟開關技術，在理想情況下可使開關損耗降為零，提高效率，同時也使電磁干擾大大減小，因而也有助于進一步提高開關頻率，使得電源適配器進一步向體積小、重量輕、效率高、功率密度大的方向發展。經過近30年的發展，對于軟開關技術的研究至今仍十分活躍，它也已經成為應用于各種電力電子電路的一項基礎性技術但是，迄今為止，軟開關技術應用較為成功的領域仍然是在開關電源適配器領域。

如圖1-2所示，開關電源適配器和交流電網連接的電路通常都是二極管整流電路，這種電路的輸人電流已不再是正弦波，而含有大量的諧波，這也使得電源適配器的功率因數很低。當公用電網上接有大量的開關電源適配器負載時，就會對電網產生嚴重的諧波污染。較近幾年經常聽到綠色電源適配器”這個名詞。這里所說的“綠色”其標志主要就是對電網不產生諧波污染，對環境不產生電磁干擾，當然也包括不產生噪聲。為了降低開關電源適配器對電網的諧波污染，提高開關電源適配器的功率因數在20世紀90年代出現了功率因數校正（ Power Factor Correction，PC）技術，并在各種開關電源適配器中大量應用。目前，單相PFC技術已比較成熟，并廣泛用于各種開關電源適配器中，而三相PFC技術則還有很長的路要走。

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| 發布時間：2018.10.17 來源：電源適配器廠家

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