目前，小功率直流电源已得到飞速发展，而国内外研制生产的在电子市场可以买到的直流稳压电源一般都是基于饱和模式，尽管这种设计的电源转换率较高，但它在噪声性能方面牺牲较大，从而产生很多严重的副作用。比如，大地和空气之间会产生暂时的开关电压脉冲的电磁渗漏，这对于灵敏放大器的低噪操作以及高精度传感器电路都是非常有害的。本课题简述了利用目前DC/DC变换的现有技术和发展情况，设计了基于非饱和模式的移相稳态电源电路。
1、高精度直流电源的现状与发展
随着生产和技术进步，作为能量转换环节的开关电源在各种电子产品中获得广泛应用。由于应用场合的不同，开关电源的种类就很多。按变换器的种类，可以分为交流/直流（AC/DC）变换电源、直流/直流（DC/DC）变换电源、直流/交流（DC/AC）和交流/交流（AC/AC）变换电路，并以DC/DC变换电源用的最为广泛。所以DC/DC变换技术依然是开关电源技术中的重点，也是开关电源技术发展的基础。DC/DC变换是开关电源的基本单元，其他各种形式的变换电路都是DC/DC变换电路的演变。DC/DC变换技术的发展伴随着开关电源技术发展，也是发展最快的电源变换技术之一。
基于非饱和模式，通过DC/DC转换器设计的直流开关电源，与以往的开关电源有着工作模式上的不同，即电路工作在线形放大模式。为获得很低的脉动干扰，提高噪声指标，设计出一种全新的开关电源，为设计高性能高精度的放大器、传感器及低噪声高精度的电路提供纯净的电源。本课题针对了市场的需求，是非常新颖且具有市场效应的。
2、开关电源电路简介
§2.1正弦信号发生电路
由于移相电路对正弦信号的频率及幅度的稳定性有很高的要求，所以正弦信号发生电路选用带有稳幅电路的RC震荡电路。正弦波振荡电路就是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路。电路由三部分组成，即放大电路、选频网络、稳幅电路。为了改善输出电压幅度的稳定问题，在放大电路的负反馈回路里需采用非线性元件来自动调整反馈的强弱以维持输出电压恒定。
§2.2跟随电路
为了提高带载能力，我们需要加一个跟随电路。跟随电路是一个共集电极电路。它的特点是输入电阻很高、输出电阻很低，电压增益小于1而接近于1。它可以减小放大电路对信号源所取的信号电流。同时，它的输出电阻低，可减小负载变动对电压增益的影响。跟随电路的另一个重要作用是对正弦波发生电路产生的正弦波电流做进一步放大。在实验中，为了追求更大的电流放大系数，也可以用复合管电压跟随器。复合管电压跟随器是由两个NPN型三极管组成，共用一个射极电阻。复合管的等效电流放大系数是两管电流放大系数的乘积，等效输入电阻亦比以前提高很多。
§2.3 阻抗变换及90°移相电路
饱和模式转换器的最大问题在于电磁辐射，输入到转换器中的直流电源首先被转换为含有谐波脉冲的方波序列，然后再被反馈到升压变压器作进一步处理。有傅立叶分析不难看出谐波的功率随频率变化衰减得很慢，这表明DC/DC转换器所生成的脉冲序列对于DC/DC转换器附近的低噪声电路来讲是一个很严重的污染源。因为其宽频带使得电路很难从噪声电路的参考地中除谐波。如果DC/DC转换器工作于非饱和模式，它就不会生成这样的宽频带的脉冲序列。单频正弦波振荡器要在保证良好性能的前提下经分相90度满足双相滤波整流器的需要。
图1 经移相后的两路波形
§2.4功率放大电路
放大电路实质上都是能量转换电路。从能量控制的观点来看，功率放大电路和电压放大电路没有本质的区别。但是，功率放大电路和电压放大电路所要完成的任务是不同的。对电压放大电路的主要要求是使负载得到不失真的电压信号，讨论的主要指标是电压增益、输入和输出阻抗等，输出的功率不一定大。而功率放大电路则不同，它主要要求获得一定的不失真的输出功率，通常是在大信号状态下工作。功率放点电路要求输出功率尽可能大，同时，效率要高，非线性失真要小。
§2.4逆变电路
逆变电路是将正弦信号发生电路发生的正弦波经移相和放大后，重新转为直流信号。逆变电路利用IGBT，可避免失真产生，电路回路持续可控。利用IGBT实现逆变电路，拓扑结构简单，电流谐波小，优势明显。
§2.5直流稳压电路
直流稳压电路可以在输入电压、负载、环境温度等发生变化时仍能保持恒定的输出电压。稳压电路由调整元件、基准电压电路、取样电路、比较放大电路组成。调整元件可以使用功率管，复合管或用几个功率管并联取样电路取出输出电压的值与基准电压进行比较，然后通过调整元件来调整输出电压，以保持输出电压的稳定。
3、结论
随着芯片技术和超大规模集成技术的快速发展，现在对电源的要求越来越高了，要求电源体积小，功率密度大，这将是电源工程师极大的挑战。非饱和模式的DC/DC转换电源是以牺牲功率来提高精度的，所以要使它的效率很高，设计出来的电源工作频率必须达到很高，否则就不利于提高它的功率密度；另外也可以从封装技术方面着手考虑，若封装技术提高了对增加功率密度也是有帮助的。
本课题研究的高精度开关电源在高精度传感器电路，精密的测试仪器等方面会有相当大的用武之地，它一定会取代一些关键电子器件常用电池供电的方法，采用集成工艺会使转换器形成产业化，低噪声电源在电源行业还有很大的研究必要。
4、展望
本文对基于非饱和式DC/DC转换而设计的开关电源进行了一定分析，对它的工作原理和特性等有了一定的了解，但是这些还是不够的，为了进一步发挥它的优点和增加它的应用场合，必须进一步完善它的特性。
§4.1磁芯元件的集成
在隔离式非饱和DC/DC转换器中，磁芯元件相对来说比较多。如果这些磁芯元件能够集成，那么对提高变换器的功率密度将有很大帮助。在变换器中，功率密度的提高主要是限制电感、变压器和电容的体积。根据现有的生产工艺，要减小电容的体积和单独减小感性元件的体积非常有限，若把元件集成了，那么将大大减少它的体积，
§4.2温度变化率
直流开关电源工作时内在温度不断积累，可能会形成特别的热点，如果在设计阶段未能采取正确的防范措施，就会使控制电路和变压器的性能大幅退化，并且会由于过热而导致老化。最好的解决方法是设计更好的正弦波发生器。使正弦波发生器产生一个高达几百千赫兹的低失真振荡器，它能够校正由于温度变化和元件老化所造成的频率漂移。
参考资料
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