开关电源技术综述

计算机开关电源变压供电的研究分析
学院：电气信息工程学院
专业：电气工程及其自动化
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2020 年 10月
开关电源技术综述
摘要：本综述以开关电源为主题，结合计算机方面进一步了解开关电源的原理技术、在生活的实际应用、目前市场的竞争态势还有未来的发展状况。

开关模式电源又称交换式电源。

广义上来说，凡是主要组成部分是开关变换器，并且在转换时，利用PWM或者PFM技术通过闭环模式来控制开关变换器从而可以稳定输出电流或电压的，还具有保护与显示环节的电源就可以称之为开关电源。

当今社会科技水平日益提高，电力电子信息方面的技术飞速发展，开关电源已经被人们广泛应用于家用电脑计算机等各种领域。

其中，老旧版本的台式机电源越来越难以满足人们的需求，所以人们同时进行着开发相关电力电子器件和开关变频技术，使这两者能相互辅助、相互促进，从而使得开关电源的应用以每年超过两位数的速率增长。

电脑电源技术层面上向着小轻薄、抗干扰、低噪声、高可靠的方向发展。

This review takes switching power supply as the theme, combined with computer to further understand the principle and technology of switching power supply, practical application in life, current market competition situation and future development status. In a broad sense, the power supply with protection and display link can be called on-off power supply, which is mainly composed of switching converter, and uses PWM or PFM technology to control the switch converter through closed-loop mode, so as to stabilize the output current or voltage. Nowadays, the level of science and technology is increasing day by day, and the technology of power electronic information is developing rapidly. Switching power supply has been widely used in various fields such as home computers and computers. Among them, the old version of desktop power supply is more and more difficult to meet people's needs, so people are developing related power electronic devices and switching frequency conversion technology at the same time, so that the two can complement and promote each other, so that the application of switching power supply increases at a double-digit rate every year. The computer power supply technology is developing in the direction of small and thin, anti-interference, low noise and high reliability.
一、历史发展
一般用交流电源或者直流电源来作开关电源的输入端，而输出端多半是要直流电源的设备，例如个人计算机电脑，而开关电源就是在两者之间转换电流电压。

在1946年，人们成功创造了世界上第一台电子计算机，但是对于开关电源的研究和应用是从于20世纪50年代才开始。

回顾历史，为开关电源的研制与发展提供了理论基础的是美国于1955年首创的脉冲宽度调制技术(PWM)。

到60年代，人们关于开关电源下属包含的基本电路拓扑结构的认知已经逐渐成型。

相较于其他元件，其逐渐显露出小体积、轻质量和高效率的优点。

同时期的计算机也在硬件上开始了革新。

之后，开关电源正式进入快速发展时期，大规模集成电路计算机也开始广泛应用。

70年代，高频电力开关的发明使开关电源可以以20 kHz的频率工作，更加人性化的是开关变换时不再会产生刺耳的噪声。

到了20世纪80年代，技术又一次得到了突破，在中大功率直流电源中也得以使用原来仅能在于小功率场合适用的开关电源。

这段时期也是微型计算机新时代的来临。

转眼到了20世纪90年代，人们发展与完善了软开关控制技术，这标志着高频开关电源技术开发上的又取得了一个重大成果。

这一时期开关电源的工作频率已可达到500 kHz-1MHz。

由于实际生活运用中人们的各种需求需要提高电源的工作频率，所以相应的开关损耗随之增加。

但是软开关技术的出现有效的降低了损耗，使高频开关电源在频率越来越高的同时还能保持着高效率工作，从而带来巨大的经济效益。

计算机也是这一技术革新的受益者之一。

当下进入21世纪，随着数字与模拟电路技术、电子信息控制技术的发展以及在电力电子设备上的应用，高频开关电源正式进入数字时代，并且随着社会潮流发展的势头愈来愈迅猛。

现今的开关电源正在朝着高效化、微型化、大众化的道路走。

二、现状评测
21世纪是电子信息化的时代，是产业数字化的时代。

依托于科技的快速发展，人们对电子产品的需求与依赖越来越大，而电源是这些电子设备的核心基础。

普通的线性电源功能受限，而开关电源具有高效率、小体积、低重量等各方面的优势。

目前，开关电源是当今电力电子信息产业飞速发展必不可少的一种电源选择，被广泛应用于以计算机为主导的各种电子设备，但其频率有待进一步提高。

所以高频开关电源应运而生。

开关电源设备能小型化轻量化，并且能进入更广
泛的领域都要归功于高频开关电源的实际应用。

此外，开关电源的开发和应用对资源的节约和环境的保护也有着良好影响。

与线性电源不同，开关电源利用的晶体管的切换模式都有低耗散的特点，比较节省能源。

相反的，产生输出电压时，线性电源的晶体管在放大区工作，本身也会消耗电能。

而且因为开关电源工作频率比线性电源高，可以使用小尺寸的变压器，因此会更加轻巧。

而与之息息相关的计算机经过几十年的发展，已经从最开始一个庞然大物变成如今便携的体型，同时运行效率越来越快，功能种类越来越多。

能有这些变动，开关电源技术的进步也是功不可没的。

不过目前开关电源也有一些缺点，比如相较线性电源，它由于存在两套变换方式而在原理上更加复杂，另外开关电源还容易出现电磁干扰的问题。

这就需要我们继续加强技术的革新。

三、发展前景预测
如大多数电子元件一样，向集成化方向发展是开关电源未来的主要趋势，那么对应的对技术的要求会越来越高。

但是这就需要人们在半导体器件和磁性材料方面有新的突破。

重大的科学创新与技术进步非一朝一夕之功，可能目前很难实现。

所以当下的研究重点将集中在开关电源效率的提高和体积重量的减小上面。

因此，工艺水平将在制造电源中占据越来越高的地位。

如今市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管，这样电源的开关频率能有几十千赫。

而采用MOSFET 的开关电源转化频率却是前者的数倍，可以达到几百千赫。

因此高速开关器件的运用能使开关频率有效地提高。

相对于计算机这种电子设备，人们当然希望它的工作变得稳定高效的同时外观上也能越来越轻便。

所以不难看出来，今后开关电源的发展方向和技术追求可以概括为小轻薄、高频率、高可靠、低噪声。

储能元件的大小决定着开关电源的体积重量。

因此要让开关电源小轻薄，其实就是减小储能元件的体积。

而在一定范围内，提高电源的开关频率，就能有效的减小储能元件的尺寸，而且还有着提高系统性能、抗干扰的作用。

所以我们说，开关电源的主要发展趋势之一就是高频化。

对比连续工作电源，开关电源使用的元器件数量要少很多。

而电源的寿命由电力电子器件的寿命掌控。

所以，从设计方面来看，我们需要尽可能使用较少的器件，提高电源的集成化程度，加强复杂电路的可靠性。

不过开关电源有一个重大的缺点就是噪声大。

单纯地追求高频化，噪声也会随之增大。

试想人们使用电脑时，虽然较以前的老式计算机更加方便快捷，但是
伴随着的是巨大的噪声，这给我们日常生活与工作带来极大的不便。

为解决这一问题，就不得不提到部分谐振转换回路技术。

这项技术的运用在原理上可以提高频率的同时又能降低噪声。

所以，开关电源的又一发展方向就是将噪声影响尽可能地降低。

另外如今电脑市场的主要变革体现在人们绿色节约意识的提高，对于节能环保的需求增多。

目前计算机功能日益完备的同时也有着越来越高的损耗，所以要求电源的输出功率也越来越高。

而另一方面计算机各种核心部件都离不开电源的有效作用，电源的质量好坏直接影响了整机电脑工作是否安全稳定。

因此开发更加适应市场，技术更加完善的电源是势在必行的。

所以说开关电源的发展促进了计算机的革新，而将计算机融入到设备设计和控制之中又使开关电源能在有着最简单的形体结构同时又具
有最佳的工作状况。

因而人们总讲，开关电源的发展与其它电力电子元件的发展密不可分。

发展新式器件、开发优质材料、设计改良元件的新结构，对于开关电源高频化小型化趋势始终起着重要的促进影响。

总的来说，在开关电源技术领域里，同时进行开发相关电力电子新的器件和提高开关变频技术水平，让这二者相辅相成，从而使得开关电源的使用以每年超过两位数的速率增长。

电子电源技术层面上向着小轻薄、高频率、低噪声、高可靠的方向发展，效益上朝着高收益、低成本、节能环保的目标前进。

小结
当今社会科技水平日益提高，电力电子信息方面的技术飞速发展，高频化、数字化的开关电源已经被人们广泛应用于家用电脑计算机等各种领域。

本文综合叙述了开关电源的基本概念、发展历史、技术特点，并结合开关电源在计算机上的具体应用，展望了其在未来的研究方向与以后发展趋势。

所以为了更好地与时代接轨，提高理论学习与实践结合的水平，从小处入手就台式计算机与开关电源的实际应用做了一次设计报告。