范天雷 秦书瑞
广州杰赛科技股份有限公司，广州 510310
摘要：电压设计在整个电路设计中非常重要，并且是与电路可靠性和稳定性相关的核心内容。在本文中，我们将全面分析电源技术的发展过程，分析线性电源和开关电源的原理，探索两者之间的区别，对发展趋势进行了展望，并阐明绿色电源的发展潜力。
关键词：电源技术；应用研究；发展前景
前言：电源是提供电能的设备，该电能可以将其他形式的能量转换为电能。电源是任何电子设备的重要组成部分。电源是电路设计的重要组成部分，电源的稳定性极大地影响了电路的稳定性。毫不夸张地说，电路的质量在很大程度上取决于电源的质量。
一、全面介绍电源技术的发展历程
电源类型很多，形状和尺寸也有所不同。根据各种电源电路的实际工作，它主要由线性电源和新型开关电源组成。线性电源已经开发了很长时间，并且已经成为主流电源类型，尤其是在引入集成电路和计算机之前。线性电源包括一个变压器，一个二极管和一个滤波电容器。线性电源的效率不高，发热量明显。线性电源经济，易于制造和维护，并且被广泛使用。开关电源主要用于电子产品领域。
复杂性非常明显，但是电源具有明显的优势。它可以满足高电流需求并适应多种电压环境。它提供的电流明显高于线性电源的电流。同时，鉴于行业竞争激烈，开关电源的价格低廉。开关电源效率高，工作温度低且重量轻。但是，会有一些噪音。因此，设计要求将电源的主体与设备分开。开关电源的缺点是它们具有大量零件，并且难以维护。同时，必须加载电源以实现电源的产生和输出。
二、线性电源与开关电源的比较
（一）线性电源
线性稳定电源是一种先前使用的直流稳定电源。 线性电源主要包括工频变压器，输出整流滤波器，控制电路，保护电路等。主要框图如图1所示。
图 1 线性稳压电源原理框图
线性电源首先使用电源变压器（电源频率为50Hz）转换220V / 50Hz低频交流主电源，然后通过整流电路进行整流和滤波以获得不稳定的直流电压。为了获得高精度的直流电压，需要经过电压反馈调整输出电压。这类电源技术非常成熟，可以实现高度的稳定性，具有低纹波，并且没有开关电源的干扰和噪声。但是，它的缺点是它需要一个大而笨重的变压器，所需的滤波电容器的体积和重量也很大，电压反馈电路以线性状态工作，并且在调节管中存在特定的电压降。而且输出比较大。此时，调节管的功率消耗太大，转换效率很低，因此必须安装大的散热器。这种类型的电源不适合计算机和其他设备的需要，并且逐渐被开关电源取代。
（二）开关电源
如果要在提高效率的同时减小元件尺寸，最直接的方法是将主电源的低频AC转换为高频AC，然后转换为DC。因为高频器件尺寸会小得多（尤其是变压器）。 开关电源使用此想法。通常，开关电源大致由四个主体组成：输入电路，转换器，控制电路和输出电路。
开关电源的工作原理是将220V低频干线直接整流为高压DC，然后在变压器的初级侧添加高压DC，并使用高频脉冲宽度调制。（PWM）信号控制开关管将高压DC信号转换为高频高压方波信号。然后，通过高压变压器将高频和高压方波信号转换为高频和低压AC信号。最后，通过整流和滤波将高频和低压交流信号转换为低压直流信号。由于主电源为单相交流电源，此处的整流为单相半波整流，因此整流后的信号仅保持高频和低压交流信号的上半部分，即只保留正向电压。
该正向电压的宽度是开关管在一个周期内导通的时间，半波整流后的滤波电路为低通滤波，与积分效应相对应。因此，最终的直流输出值取决于半波整流后的正向电压宽度和开关管的接通时间。这意味着实现了PWM调制。最后将输出直流电压反馈到PWM电路，以稳定输出。在这种情况下，光电耦合器在电路之前和之后充当绝缘体。
（三）线性电源和开关电源比较
区分这两个电源电路的关键是检查电路中晶体管的工作状态。如果在放大状态下工作并且该晶体管用作反馈调节器，则它是线性电源。当在开关状态下工作时，晶体管的目的是产生高频信号并且是开关电源。线性电源功率设备以线性状态运行，并且运行效率低。对于良好的线性电源，其工作效率通常为50％至60％。 线性电源操作方法要求将降压器件从高压变为低压。变压器通常用于在整流后输出直流电压。这会导致体积大，笨重，效率低下，产生热量，并间接增加系统的热噪声，但会产生较少的波纹，更好的调节和较少的外部干扰。适用于模拟电路和各种放大器。如今，线性电源产品已广泛用于科学研究，大学，实验室，工矿企业，电解，电镀，充电设备等领域。
开关电源通过功率器件在开关状态下工作。（一开一关，非常快的频率，典型的平板开关电源频率为100-200KHz，模块电源为300-500KHz），这导致了低损耗和高效率。但是，由于对变压器的需求不断增加，并且由具有高磁导率的材料制成，因此变压器的尺寸很小，效率可以达到80％至90％。美国最好的VICOR模块据称高达99％。开关电源比线性电源更高效，更小，但是开关管以及跟随它的半波整流管和恒压管会产生噪声，因此输出信号质量低且纹波大。实际上，需要为不同的应用需求选择不同的电源。例如，笔记本电脑对电能质量有很高的要求，因此使用直流电源（线性电源），这也是电源过热的原因。而台式机功率大且对电源质量要求不高，因此选用高效率的开关电源。线性和开关电源没有谁好谁坏，也不存在谁淘汰谁，但它们有不同的用途。笔记本电脑比台式机需要的功率要少得多，因此它们的功耗也要少。同时，笔记本电脑电源使用了更好的设计和组件，从而进一步减少了电源体积。
三、对电源未来发展趋势的分析
（一）重视电源模块功率密度的提升
在当前的电源开发中，功率模块转换器的开发是一个问题，并且有必要研究效率和功率密度。另外，它促进了低输出功率和高输出电流。另外，负载是预偏压。 需要具备更快的瞬态响应。
（二）切实提升电源转换效率
考虑到电源系统前端的位置，AC-DC转换器的效率和节能需要更加明显。主要影响因素是铁损和电磁干扰。这是材料本身的改进，但与此同时，它与设计密切相关。因此，为了改善电源的性能并发挥谐振转换技术的作用，有必要使用低损耗的装置。
（三）重视器件体积的缩小
如今，新型电源控制集成电路正在迅速发展，从而减小了尺寸，减小了引脚间距并增加了功能。 它采用了全新的控制方法和技术，并增加了高压启动源。 同时，同步整流技术提高了效率。已经开发了功率半导体复合器，其主要特征是高频，高压和大电流。
结语：综上所述，近年来，人力资源需求增加。由于担心资源枯竭和环境退化，人类努力寻找有效和卫生的能源，同时改进现有的能耗设备，以实现能源各个方面的最大效率。由于我国是世界上能耗第二高的国家，因此迫切需要提高人们的节能意识，推广节能技术。
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