开关多电源范文

开关多电源范文（精选8篇）

开关多电源 第1篇

直流开关电源核心为电力电子开关电路，适用功率范围可从零点几瓦到数十千瓦，采用占空比控制方法控制开关管的通断，利用反馈控制来调节占空比，保证输出稳压或输出稳流[1]。

本文提供的直流开关电源由TOPSwitch系列新型高频开关电源集成芯片TOP227及相关外围电路构成。以单端反激式为电源电路主拓扑结构，由脉宽调制(Pulse Width Modulation，简称PWM)控制实现DC/DC变换，调节占空比保证输出电压稳定。

1 开关电源电路结构与原理

开关电源一般属于高频电子装置，工作频率目前在20 k Hz到200 k Hz。传统的线性电源电路中，负载改变时无源元件承受的电流也随之改变，突然增加负载或输入电压变化时，因无源元件所消耗功率的变化使整个系统损失的功耗增加。然而开关电源并不是工作在线性区域中，所以即使负载变化很大或输入电压范围变化很大，其效率仍很高[2]。

开关电源的系统基本结构如图1所示。根据图1可知，其组成包括:输入整流与滤波电路、高频直流转换器(DC-DC Converter)、脉冲宽度调制(PWM)控制电路、输出滤波网络。如果考虑电磁干扰(EMI)，则可在电源输入端加入线路滤波器(Line Fitter)[3]。

工作原理:交流电压(AC)流经输入整流以及滤波电路得到近似直流(DC)的高电压，再经高频直流转换器将直流电压转换为接近方波的高频电压信号，此信号经过一个高频变压器降低至所需的电位，最后经过输出滤波网络可以得到稳定直流输出[4]。

TOP227Y芯片用反馈电流IC占空比D进行调节，使输出稳压:当输出电压VO减小，反馈电路使电流IC降低，占空比D增加，升高输出VO，保持输出电压VO稳定[5]。

2 反激式变换器

单端反激变换器电路结构如图2所示，主要用于小功率电路。电路特点是反激变换中的变压器不仅有变压器隔离的作用还有电感的作用[6]。晶体管Q导通，变压器的一次绕组会有一次侧电流通过，并储存能量;晶体管Q截止，储存于变压器的能量经过二极管传送给电容及负载。由于反激式变换器输出端不需使用电感器，所以输出端能及时跟随输入电压以及负载变化进行调整，所以适宜多路输出的场合[7]。

3 开关电源设计

基于TOP227Y的单端反激式开关电源电路如图3所示。电路的核心控制芯片是TOP227Y,TL431芯片为反馈电路提供基准电压，光耦EL-817为反馈电路提供反馈信号。

3.1 开关电源适配器的电气性能指标

(1)输出电压准确度———±1%;

(2)负载调整率———±3%;

(3)电压调整率———≤3%;

(4)效率———85%;

(5)输出纹波———≤1.5 V;

(6)纹波系数———≤10%;

(7)工作温度———-35℃～+80℃;

(8)输入电压频率———50(1±5%)Hz;

(9)输入电压范围———220(1±15%)V;

(10)输出电压/电流———15 V/20 W、5 V/1 W;

3.2 反馈电路设计

如图4所示，电源反馈部分中，反馈信号经过以PC817为核心的线性光耦部分向TOP227Y提供控制电流;反馈电路的基准电压由稳压管TL431来提供。

1)PC817的集电极电流Ic

PC817提供的控制电流Ic直接控制TOP227Y的占空比D，占空比D的计算公式[6]:

其中比例系数:而TOP227Y控制端电流Ic与占空比D的关系如图5所示，由此可以写出占空比D的函数关系为:

图中倾斜直线部分可表示为:

可计算出光耦PC817三极管端电流IC。

2)关于TL431的几个参数

由TL431的技术参数可知，两端电压Uka在2.5 V～37 V之间变化时，电流Ika在1m A～100 m A之间变化，一般选取20m A，能保证工作稳定性，且能提供部分死区负载[8]。

查阅TL431技术手册可知线性光耦TL431的阴极电流Ik范围为1.0～100 m A;参考电压Uref=2.5 V，输入电流Iref:1.8μA(典型值)和6.5μA(最大值)[9]。所以R1、R2组成的分压电路电流值远大于该典型值，取10倍，UO/(R1+R2)≥10×1.8μA，得:

取UO=15 V，则R1+R2≤833 kΩ;取UO=5 V，则R1+R2≤278 kΩ。选出R1+R2的值，然后根据UO=R2/(R1+R2)=2.5V可得R1、R2的值。

在光耦EPC817二极管中，集电极电流Ic由占空比D决定，光耦侧电流If由集电极电流Ic决定。反激式开关电源电路的占空比D一般不会超过0.5[10]，由(3)式可算出其值如表1所示。

集电极电流Ic一般取值在4.5 m A～5.8 m A之间，由此决定PC817二极管侧电流If。PC817的传输曲线如图6所示。由此可以看出上述Ic范围对应的If数值。

由图6可以看出占空比D的范围为0.05～0.3(即IC范围为4.5 m A～5.8 m A,PC817二极管侧电流If大致在1.5 m A～2.5m A，比Ik的1 m A～100 m A要小得多，所以在817的二极管两端并联电阻R4，对Ik分流，使TL-431的Ik相对增大，使PC817的If保持要求值。

既然TL431手册给出了一些电压和电流参数，在设计时应该作为选择元件的依据，现取UO=15 V;UAK=5 V>2.5 V，设Ic=5m A,If=2 m A,PC817二极管电压为ULED=1 V,If=2 m A超出了Ik最小值，不必并联R4。由式(6)可得出:

根据前面的分析推导可得:

实验中取R1=10 KΩ，

则解得R2=50 kΩ，并且两者之和小于833 kΩ可以满足要求。

3.3 高频功率变压器的设计

3.3.1 初级电感匝数N1的确定

计算方法一:由公式可计算电流大小，由磁环大小可计算初级所需线圈匝数。

变压器磁芯的确定:

Ae———截面积;

Ab———窗口面积;

Km———窗口填充系数(一般Km为0.2～0.4);

Kc———磁芯填充系数(对铁氧体，Kc=1);

变压器磁芯用黄白磁环，其中Ap=1.995 84,cm40.98cm4，即可满足设计要求。

若选用D=33 mm,d=17 mm的黄白磁环，其截面积Ae=0.88 cm2，那么有

(单位:Ae为平方厘米;ΔB为高斯，取2 000高斯)

考虑到漏磁以及绕制工艺的问题，实际匝数要大于算得数值，初级选取50匝。

计算方法二:按能量消耗来计算初级电流，先固定磁环大小，再计算所需要的初级线圈匝数。电源频率100 k Hz，设输出功率为30 W，一秒内有30 J的能量传输(能量=功率×时间)，则一秒内开关10万次能消耗完这30 J功率，每次开关传输0.3 m J的能量。根据假设初级电流I最大值是0.5 A，可计算电感然后可以根据所测磁环饱和实验的数据，计算出此型号下初级所需最小匝数，取匝，初级匝数N1实取50匝。

3.3.2 次级线圈匝数计算

匝，实际中，次级线圈为10匝。

3.3.3 辅助线圈匝数计算

辅助线圈的输出需要依靠与次级输出的互感，因此输出电压比值要遵循变压器的匝数之比，即根据次级线圈输出电压15 V，次级线圈匝数为10匝，若要求辅助输出为5 V，可计算出辅助线圈匝数为5匝，实际中辅助线圈匝数为3匝。

3.4 电路调试过程中遇到的几个问题及解决办法

(1)TOP227过压烧坏

在电路调试过程中，TOP管经常烧坏，经分析D-S两端电压可知，TOP芯片导通时加在TOP管两端的电压由于变压器漏感，产生很大尖峰，如果尖峰电压超过TOP管的承压范围时，TOP管会过压损坏。解决方法是在变压器初次侧添加抑制器和二极管组成的抑制电路防止TOP开关管烧坏。

(2)输出震荡问题

输出端产生高频震荡，此震荡频率跟开关管的开关频率相同，幅度都为1 V左右。经观察发现TL431两端有电压震荡，其频率与开关管开关频率相同，经分析是TL431没有工作在正常范围内，所以不能提供基准电压，导致TOP227的控制端C端电流时刻在改变，超过TOP芯片调节范围，导致输出震荡。解决方法为调节与TL431串联电阻的阻值，使431工作在正常范围内，此时能保证输出稳定。

4 实验测试数据

经试验测试，此单端反激式开关电源输入输出电压关系如表2所示。

由表可知，选定电路各元器件参数后，当输入电压在一定范围内波动时，反馈网络能及时将输出反馈给控制电路来控制脉冲宽度，保证电压稳定输出，可见电路符合设计要求。

5 结束语

本文介绍了以TOPswitch芯片和高频功率变压器为核心制作的两路输出单端反激式开关电源电路，并介绍了设计过程中遇到的问题以及解决方法。该电源用于为单片机提供电源，经实际验证，电路设计符合设计指标要求，性能稳定。

参考文献

[1]高佳.适用于LNG船舶的直流电源快速截流保护技术[D].山东:山东交通学院,2016.

[2]李洋.汽车测试系统用隔离式开关电源研究[D].山东:山东科技大学,2015.

[3]周志敏,周纪海.开关电源实用技术设计与应用[M].北京:人民邮电出版社,2004.

[4]彭云华,黄土荣.反激式开关电源变压器设计[J].电子设计工程,2014,22(9):31.

[5]张帅,李俊刚,王兴.开关电源设计[J].科技资讯,2011,3(34):82.

[6]李梦奇.开关电源中光耦合器故障监测系统的设计[D].广东:华南理工大学,2013.

[7]潘亚培.基于DSP的高频开关电源设计与实现[D].南京:南京理工大学,2013.

[8]Vorperian.Simplified analysis of PWM converters using model of PWM switch-Patti:Continuous conduction mode[J].IEEE Trans.Aerospace Electron.Syst,2000,26(5):55-56.

[9]张维.单端反激式开关电源研究与设计[D].西安:西安电子科技大学,2011.

开关电源及其软开关技术复习提纲 第2篇

1.高频开关电源由哪几部分组成？（画出原理方框图加以说明）

输入滤波电器→整流滤波→逆变→输出整流滤波→控制电路、辅助电源、检测电路、保护控制电路

第二章

1.串联型线性稳压电源的工作原理，开关型稳压电源的工作原理以及两种电源的优缺点比较。

串联线性调整型稳压电源的基本工作原理：Vo=E-ILRW 开关型稳压电源的工作原理：EAB=ton/T×E

串联型线性稳压电源优点：稳定性好，输出纹波电压小，使用可靠。

缺点：1.体积大且笨重的工频变压器和滤波器。2.功耗大，效率低，需要大功率调整管。3.需要体积很大的散热器。

开关型稳压电源优:1功耗小，效率可达70%-95%。2可靠性、稳定性高。3重量轻，体积小；散热器体积小；不需要电源变压器；工作频率高，滤波电容电感数值小。4对电网输入的适应能力提高。2．TRC控制的方式和特点

方式：脉冲宽度调制方式、脉冲频率调制方式、混合调制方式。

脉冲宽度调制方式:开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方 式。

脉冲频率调制方式：导通脉冲宽度恒定，通过改变工作频率改变占空比。混合调制方式：导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定的方式。3.PWM和PFM型TRC控制变换器型开关电源的工作原理的区别。

PWM开关电源稳压的基本原理：输出电压增大→反馈电路检测该值，与基准电压比较，放大→脉宽-转换电路转换成脉冲宽度的变化（使脉冲变窄，即占空比变小）→输出电压值下降→输出电压稳定。

输出电压减小→控制回路输出脉宽增大→输出电压增大→输出电压稳定 PFM开关电源稳压过程：输出电压上升→控制回路输出脉冲的工作周期增大（频率下降）；输出电压下降→控制回路输出脉冲的工作周期减小。4.PWM型稳压电源的优缺点。

优点：

1、体积小，重量轻。

2、效率高

3、适应性强

4、可防止过电压的危害

5、输入交流突然停电时，输出电压保持时间长。

6、输出电压越低，输出电流越大。缺点：

1、电路复杂，元器件数量多。

2、输出纹波大

3、动态响应差。第三章

1.推挽、全桥、半桥电路的电路结构，工作原理，各自的特点。

推挽工作原理：①开关BG1和BG2交替导通，输入直流电压→高频方波交流电压。⑤当两个开关都关断时，VCE1和VCE2 均为E。电路的缺点：高频变压器利用率太低。

优点：

1、管子数目少。

2、驱动电路和过流保护电路简化、选择余地增大。全桥电路工作原理：①当BG1与BG2开通，截止晶体管(BG3、BG4）上的电压为输入电压E。

②当4个开关都关断时，同桥臂上的每个开关承受电压为E/2。优点：1管子选择方便。

2、适用于大功率输出。缺点：电路复杂，元器件多。

半桥电路工作原理：①当两个开关管BG1和BG2都截止时，电容C01，C02中点A的电压为E/2。

②当BG1导通时，C02充电，C01放电，中点A电位在BG1导通终了，将下降E/2-△E。

③当BG2导通，C01 充电，C02放电，中点A电位在BG2导通终了增至 E/2+△E。优点：

1、管子稳态时，承受最高电压低于输入电压E。

2、管子的数量只有全桥的一半。

3、不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。

缺点：1高频变压器上的电压只有输入电源电压的一半。2电容充放电导致电压脉冲的顶部有倾斜，同时流过跟电路工作频率相同的充放电电流。2．单端反激电路的电路结构，工作原理，电路波形。

工作原理：

1、第一阶段(t0 , t1)。开关管导通→变压器T的初级线圈NP电流IP线性增加→在NP上产生感应电动势(上正下负)→在NS上产生感应电动势(上负下正)→二极管D反向截止，变压器初级线圈电感储存能量。

2、第二阶段(t1 , t2)。开关管截止→iP减小→NP磁通量变小→ NS上产生感应电动势(上正下负)→二极管D导通，给输出电容充电和负载供电。

3.单端正激电路的电路结构，工作原理，电路波形。

工作原理：

1、第一阶段(t0 , t1)。

1、开关Q导通后，NP线圈流

过电流iP。

2、NP线圈的产生感应电动势为上正下负，次级线圈NS感应电动势也是上正下负。

3、D2导通，D3截止，电感L的电流逐渐增长。

2、第二阶段(t1 , t2)。

1、开关Q截止，iP 趋于零，感应电动势反向。

2、D2截止，D3导通，电感L通过D3续流。

3、去磁线圈Nt感应电动势上负下正D1导通续流，使Nt上储存的能量通过D1回送到直流输入回路。起到去磁作用。

4.合闸浪涌电流的起因，危害，限制合闸浪涌电流的方法。

起因；电容输入式整流滤波电路在接通交流电压时，在合闸时，由于电容充电引起的。

危害：1.使开关接点溶接或使输入熔断器熔断。2.浪涌电流干扰相邻用电设备。3.多次反复的大电流冲击，导致整流器、电容性能劣化。方法：在输入整流回路内串入限流电阻。第四章

1．输入滤波电路的作用，三种输入滤波电路的工作原理。

其主要作用：抑制开关电源本身对交流电网的反干、扰抑制交流电源中的高频干扰串入开关电源。

原理：该电容对高频干扰阻抗很低，可将两线之间的干扰通过电容C消除，对工频信号阻抗很高，没有影响。图b，两个电容组成滤波设备。每根线上相同干扰可通过电容入地，滤除共模干扰。图c其中C1，C2滤除共模干扰（纵向），C3滤去常态干扰。使滤波措施全面有效

2．共模扼流线圈的工作原理。

共模扼流圈：L1，L2是绕在同一闭路磁环中的匝数相同，在同名端输入同向电流，产生相同磁通的线圈。

当流入方向相同的纵向噪声电流，两线圈产生的磁通是同方向的，电感呈现高阻抗，阻止共态噪声进入开关电源。同时也阻止开关电源内产生的噪声向公共电网扩散。

3.工频滤波电路的工作原理。

图中工频滤波器：

1、L1,C5,C6为共模滤波

2、其余电容和L2为常态滤波元件

3、C3为大容量电解电容，C4为无感电容。

C3等效电路：

1、电感L是由引线和构成电容的卷片形成。

2、R2为并联泄漏电阻，是介质材料电阻率的函数。

5.辐射干扰的种类，产生的原理，危害。

种类：静电干扰，噪音干扰。

原理：静电干扰—来自开关电源中的高压切换，导致开关管，散热器与机壳及机内引线之间的分布电容产生瞬变电压 噪音干扰—来自大的脉冲电流

危害：回路出现很大的短路电流，损坏管子，产生较大的噪声。6.各种防止辐射干扰的方法、措施。

1.采用肖特基或者快恢复二极管。减小反向恢复时间。

2.在输出端加多级滤波器，使流过二极管中的电流减少，减小恢复时间。3.在每个开关二极管两端并接RC网络改善其恢复特性

4.在二极管回路中串联电感L抑制二极管的反向恢复尖峰电流。简单的方法：串一个小磁环。第五章

1．控制电路的功能。

1.获得规定的输出电压值以及调节范围。2.实现输出电压的软启动。3.实现输入电压的软启动。4.远距离操作功能。5.程序供电功能。6.并联运行功能。

2．脉宽调制集成芯片的基本组成以及各部分的工作原理。

1、PWM信号产生电路：实现脉宽调制

2、功率电路的故障保护：使op1输出电平或很窄的PWM脉冲，从而起保护功能。

3、软启动：使op1输出很窄的PWM脉冲

4、干扰抑制：使S端状态变化不影响锁存器输出。

5、死区时间控制：设置死区时间

3.PWM信号产生的原理以及波形。

1、放大器输出直流误差电压VC加到比较器的反相输入端。

2、固定频率振荡器产生的锯齿波加到比较器的同相输入端比较器输出一方波信号。

3、此方波信号的占空比随误差信号VC变化而变化。实现脉宽调制。

4、分相电路由触发器Q及两个与门组成，将PWM信号分成两组信号。

5、触发器的时钟信号对应锯齿波 的下降沿。

6、产生PWM信号是集成PWM控制器的基本功能。

4.SG1525/ SG1527集成PWM控制器的组成以及各部分的功能。1.基准电源：作为内部电路的供电电源。2.振荡器：实现脉冲信号与外电路同步3.误差放大器4.PWM比较器及琐存器：能实现软启动功能。5.分相器：实现PWM脉冲分相。6.欠压琐定：封锁PWM脉冲7.输出级：输出级作为电流源：向负载提供电流。输出级作为电流汇：吸收负载电流。5.软启动电路的种类以及工作原理。

1、输入电网电压分段启动。在合闸时，先接入限流电阻R，将合闸浪涌电流制在设定范围，待输入电容充满后，将该电阻短接。

2、输出电压软启动。一般PWM低电压大电流稳压电源的输出滤波电容较大。输出电压突然建立形成很大的电容充电电流。

6.过流保护电路的形式、工作原理，特点。1.切断式保护

工作原理：检测电流信号→电流-电压转换电路→电压信号→经过比较电路进行比较。

特点：属于一次性动作，对保护电路中电流检测或电压比较电路要求低，容易实现。2.限流保护

工作原理：当负载电流达到设定值时，保护电路工作，使V/W电路输出脉宽变窄→稳压源输出电压下降→ 输出电流被限制在某设定范围以内。特点：抑制稳压电源启动时输出的浪涌电流。3.限流—切断式保护

工作原理：当负载达到某个设定值，保护电路动作，输出电压下降。负载电流被限制。如果负载继续增大至第二个设定值或输出电压下降到某个设定值，保护电路进一步动作，将电源切断。特点：分段保护。

7.过压保护电路的工作原理。

过压保护电路工作原理：当输出电压升高→达到稳压管击穿电压与触发电压之和→晶体管触发导通→输出过流→过流保护动作，切断电源输出。（图5-26（a））过压保护电路工作原理：过电压→晶体管导通→阳极输出低电平→V/W电路停振或整个控制电路停止工作，→使高压开关管截止。（图5-26（b））第六章

1．比较恒流驱动电路和比例电流驱动的特点。

恒流源驱动：高压开关管的正向基极驱动电流大致保持恒定数值，不随集电极电流的增减而相应地发生变化。

比例电流驱动电路：控制IB值，使晶体管在所有集电极电流下保持准饱和状态。2．反向驱动电路的工作原理，特点

无偏驱动电路：限制感应电动势在被驱动晶体管的基极开启电平以下 电容储能式驱动电路：工作原理：当变压器副边出现正脉冲压Vg，正向基极电流 IB1流过BG1的基极,使晶体管导通，电阻R1将电流IB1限制在额定值。

当副边电压Vg=0，充满电的电容C使BG2基极电阻R1、R2承受正向偏压，并使BG2导通，把BG1的基极接到负极性，提供反向基极电流IB2。特点：用一个脉冲变压器获得反偏

3.电压型驱动电路的种类以及各自的工作原理，特点。

种类：隔离型驱动电路（磁隔离和光隔离）和不隔离型驱动电路。原理P75—76

4、驱动电路作用：将控制电路的驱动脉冲放大到足以激励高压开关。第二章、第三章 软开关

1．硬开关的工作原理，存在的问题；软开关的，优点。硬开关：开通和关断时，电流和电压有交叠区，都会产生损耗。软开关优点：1.零电流开通 2.零电压开通3.零电流关断4.零电压关断 3.零电流谐振开关的工作原理、零电压谐振开关的工作原理。

零电流谐振开关的工作原理：S1开通前，Lr的电流为零；S1开通时，Lr限制S1中电流的上升率→实现S1的零电流开通。S1关断时，Lr和Cr谐振，Lr电流回零→实现S1的零电流关断。

零电压谐振开关的工作原理：S1导通时，Cr上的电压为零；S1关断时，Cr限制S1上电压的上升率→实现S1的零电压关断。S1开通时，Lr和Cr谐振，Cr电压回零→实现S1的零压开通。

4.零电流开关准谐振变换器（半波模式、全波模式）的工作原理，每个阶段的特点。

半波模式： S1由开关管Q1、二极管DQ1串联构成。

工作原理：DQ1使电流只能单向流动→Lr的电流只能单向流动。全波模式：S1由开关管Q1、二极管DQ1反并联构成。

工作原理：DQ1提供反向电流通路→Lr的电流双向流动→Lr，Cr自由谐振。5.零电压开关准谐振变换器（半波模式、全波模式）的工作原理，每个阶段的特点。

半波模式：S1由开关管Q1、二极管DQ1反并联构成。

工作原理： DQ1提供反向电流通路，S1可双向流过电流→Cr的电压被DQ1箝位为零→Cr的电压只能为正。

全波模式：S1由开关管Q1、二极管DQ1串联构成。

工作原理： DQ1使S1电流只能单向流动→Cr上的电压既可正，也可负→Lr，Cr自由谐振。

开关多电源 第3篇

电磁兼容的英文简写是EMC。它是指功能类型各异的各种设备能在同一电磁的环境下的共同存在的一种方式。就是说在运行中产生的辐射要有一定的限制, 还有必须一定的抗干扰的作用, 更重要的是具有像敏感体和耦合通路以及干扰源这三个基本的组成。这可以说是设备的研究探索电磁兼容这个问题解决的关键。

2、开关电源的电磁兼容性的现状

由于开关电源所处的复杂的工作环境, 所以电磁的各种兼容性的问题就相应的多了。比如电场耦合和线间的耦合还有磁场耦合等等几种情况是从整机在有关电磁性能方面上产生的问题。线间的耦合是指各种产生干扰的电压和对应的电流的各种功能的导线因为两条线路或者多条并行同步所以产出了相互的耦合;电场耦合指因各种电位差而使对应的感应电场受到了干扰体的一定的影响, 最终产生的一种场耦合;关于磁场耦合指的是在大电流的各种脉冲的电源线周围, 从而引起低频磁场面对干扰体所产生的一种耦合。开关的电源中, 因为开关电压和电流都无限类似方波的形式, 因此富含高次的谐波。而且, 因为开关各种器材像变压器还有电容以及其他的器件都可能处于一种不理想的状态中, 所以在高频情况下进行开或者关时, 经常会出现处于尖峰状态的高次状态下的谐波振荡, 这个谐波可以经过散热器和开关管之间存在的不同功能的电容传入系统的内部的各种电路, 也可能通过其他相关器件往空间进行辐射。另外导致有关高频干扰其他重要原因是开关二极管处于整流和续流过程中产出的。二极管的各式引线可以保存电感, 还有结电容所产生的影响, 因为不断变化的电压电流, 易激起高频形式下的自激振荡, 激起的高频干扰可以经过输出线轻松的往外传。这些状况有可能使电容器本省的特性参数发生变化, 最终产出电磁干扰现象。此外, 还有各种不同种功能特性线路的布局不合理, CPU和测定电路的各种不合理设计, 都可能使系统产生毛病, 不能处于正常的工作状态[1]。

3、开关电源电磁兼容性的处理方案

对于如何解决开关电源电磁兼容性的问题, 主要可以从以下的要点分析, 首先可以通过对干扰源进行处理;其次也可以在干扰信号进行传播的途中进行处理;最后还可以通过加强受干扰体本身的内在特点。在处理开关电源关于兼容行问题时, 使用上述的方法可以减低开关电源本身的内在干扰的问题, 最终使其更具有兼容性、稳定性和可靠性的各种特点。就比如在开关的电源激起干扰源的问题上, 像在电源线的谐波电流和传播、解决磁场辐射的干扰等等问题只可以靠处理干扰源来解决, 调整各电路的机构特点, 如适当的减小开关管口径, 二极管两端的电压以及电流的变化率, 在应用各式不同的软开关的电路并且以多种方案去掌控操作时, 应强化机外壳的屏蔽作用, 还要适当的改良机壳的外在特点, 以便于更好的进行接地的处理。至于外部最好能做到抗浪涌和雷击的特性, 系统各元件也要有较好的防雨防雷等抗外界干扰的能力。对于应付那种小型能量的雷击, 运用一定的方法将含氧化锌材质的压敏电阻和其他有效地材料合理的设计出抗雷的元件。至于静电的放电方面, 可以应用TVS管在通讯的端口和监控端口信号的电路中, 来达到接地以便于进行保护[2]。而且可以利用可以适当的调节电路和机壳之间的距离来处理, 更好的方法还可以选择具有各种不同种功能类型的元件。甚至还可以在短时间内改变信号的方式, 由于频谱本身的特定原理, 应用共模的形式运行于控制的电路中, 同时可以利用和防静电类似的做法并去改变共模电感在电路中的电容的分布、增强电路中共模信号的滤波等等一系列的措施来对系统的抗干扰性能力进行改善。

现在分析一下关于开关电源的内在干扰的问题, 根据开关电源的自身特点确实在电磁的兼容性、稳定性能方面有所欠缺, 为了解决这些方面的问题我们可以注重分区好各功能线路的不同布线, 数字电路应该注意正确的去耦, 至于模拟电路要着重关于接地的问题, 取样各类型电流和电压的电路进行正确的单点方式的接地, 这有力于减少多种内在的影响。在进行布线时, 不同类型的线间要控制好距离和信号的调节, 来避免同性相吸等等各种电学现象产生的干扰。还有可以通过对各开关旁变压器周边的回路的正确调节和调整在电源中电容回路周边的面积的大小来控制。方法确实较多, 还可以通过对开关的变压器周边的漏电检查、电感旁分布的电容量的大小, 利用谐振滤波等等类型的电容器来加以解决。在开关电源的内和外的各种干扰情况下, 和各功能器件的运行特点有着较为复杂的关系, 如散热器性能是否良好, 主板和机壳的连接状况是否良好等等方面, 不同种信号在特殊的状况下可以进行一定的转变。这些各种不同类型的方法, 都是有根有据的, 根据不同的现象, 慢慢的堆出其内在机理, 找到解决问题的引线, 在跟着线索加以研究和探讨解决的方案, 来最终达到正确处理有关开关电源电磁兼容性所出现的各种存在的问题。

4、结语

开关电源电兼磁容的技术越来越受到关注导致其迅猛的发展, 很多现代化的领域都有所覆盖, 关于开关电源电磁兼容的技术的问题, 无论是通信、航天、还是计算机领域以及医疗领域等等都要面临的巨大挑战[3]。近年来电源电磁兼容技术已经成为是电力研究一个重要的一个课题。关于这个对兼容性的研究, 至今关于此项技术还远远没有得到一定程度的完善, 所以说这就需要有关技术人员以及我们每个人共同努力。

参考文献

[1]陈卫东, 钱牛牛.电力远动测试系统在电力自动化的应用[J].电子技术, 2011, 38 (12) :59-60.

[2]刘连浩, 亮华, 沈增晖.基于IEC104规约的电力远动测试系统的设计与实现[J].现代计算机, 2008, (5) :107-109.

开关电源系统设计 第4篇

电磁干扰滤波器的设计

电路是简易EMI滤波电路, 电路中包含共模扼流圈 (或共模电感) L, 滤波电容器C1~C4, L对串模干扰不起作用, 但当出现共模干扰时, 由于两个线圈的磁通方向相同, 经过耦合后, 电感量迅速增大, 因此对共模信号呈现很大的感抗, 食指不易通过。他的两个线圈分别绕在低损耗、高磁导率的氧化体磁环上。当有共模电流通过时, 两个线圈产生的磁感就会相互增强。

C1~C2采用薄膜电容器, 容量的大致范围是0.01~0.47uf, 主要用来滤除串模干扰。C3~C4跨接在输出端, 并将电容器的中点接通大地, 能有效的抑制共模干扰, 范围2200PF~0.1UF, 耐压值600v以上。

2 输入整流滤波电路的设计

此次设计采用成品整流桥KBPC610, 它是将四只硅整流管接成桥路形式, 再用塑料封装成半导体器件, 它具有体积小使用方便, 各整流管的参数一致性好等优点, 可广泛用于开关电源整流电路。整流桥共有四个输出端, 交流输出端和直流输出端各两个。其最大耐压可达1000v, 允许通过电流10A。工作状态时, 交流电经过共模电感的滤波后, 输入整流桥的1端和3端, 2端和4端输出直流, 经过滤波电容后, 变为直流电。

3 高频变压器的设计

3.1单端反激式开关电源变换器:

单端反激式变压器又称电感储能式变压器, 当高压开关管VT1被脉宽调制Pulse Width Modulation, PWM) 脉冲信激励而导通时, 直流输入电压施加到高变压器T的原边绕组上, 在变压器次绕组上感应出的电压使整流管VD1反偏置而阻断, 此时电源能量以磁能形式储在初级电感中;当开关管VT1截止, 原边绕组两端电压极性反向, 副边绕上的电压极性颠倒, 使D1导通, 储存变压器中的能量释放给负载。

(1) 变压器磁芯的选择:

开关电源输出功率:

4) 这里取窗口面积利用系数Kw=0.4;电流密度J=400A/cm^2;磁感应强度Bm=0.25;脉动电流和峰值电流比例系数为Krp=0.7;由于骨架需要, 这里选择EI40磁芯, EI40参数:A=40mm, B=26.8mm, C=11.8mm, D=11.8mm, E=20.3mm, F=27.3mm;其磁芯截面积为:Ac=1.2*1.2=1.44cm^2;窗口面积为:Am=0.8*2.03=1.62cm^2;磁路长度为:L=9.2*10^-2m磁芯面积乘积:App=Ac*Am=1.44*1.62=2.33cm^2;综合以上计算, EI40型铁芯满足设计要求。

(2) 原边绕组匝数Np的计算

根据公式 代入计算可得Np=48.4匝, 实际取值为50匝;

(3) 输出绕组匝数的计算

有公式 其中, Uf是整流管的电压, 大小取0.4V;代入公式可得:N2=9.76匝, 这里取10匝。

(4) 反馈绕组匝数的计算

根据公式 (6) 可得, 反馈绕组匝数N2’=8.5匝, 这里取N2’=9匝。

(5) 磁芯气隙宽度的计算:

在单端反激式开关电源中, 高频变压器磁芯的气隙对电源性能影响较大。为防止变压器磁芯发生磁饱和现象, 要在磁芯中留有气隙。原边电感计算公式为: (7) 其中Emin这里取300v, Pin=150w, Dmax=0.5;代入公式可得, Lp=750u H;其中, 原边电流最大值为: (8) 将Lp, 代入公式可得, Ip=2A;根据公式: (9) 其中, Ae是有效磁芯面积, 大小为1.44cm^2, 将Lp代入得, δ=0.06cm。

(6) 绕组线径的计算:

A.初级电流有效值Irms

B.二次侧电流有效值

根据一二次侧电流关系式子:

4 输出整流滤波电路设计

开关变压器次级输出的低压脉冲经过D3、D4整流, 得到脉动直流电, 经C13, C14电容滤波, 输出稳定的复合要求的直流电源给负载。

5 总结

目前, 开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备, 是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

摘要：开关电源是利用现代电力电子技术, 控制开关管开通和关断的时间比率, 维持稳定输出电压的一种电源, 开关电源一般由脉冲宽度调制 (PWM) 控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新, 使得开关电源技术也在不断地创新。

直流开关电源维护浅析 第5篇

一、直流开关电源基本工作原理

开关电源一般大致由输入电路、变换器、控制电路、输出电路四个主体组成。它包括：输入滤波、输入整流、开关电路、采样、基准电源、比较放大、震荡器、V/F转换、基极驱动、输出整流、输出滤波电路、保护电路、功率因素校正电路、同步整流驱动电路及其它一些辅助电路等。下图是典型的直流开关电源原理图

它的基本工作原理：

1．输入电路：

线性滤波电路、浪涌电流抑制电路、整流电路。

作用：把输入的交流市电进行滤波(抑制谐波、噪声、浪涌电流等)，再通过整流电路转化为符合要求的直流电。

2．逆变电路：

含开关电路、输出隔离(变压器)电路等，是开关电源电源变换的主通道，完成对带有功率的电源波形进行斩波调制和输出，可以在输出端得到一个在一定范围内可调节的输出电压值，同时还可以起到一定的稳压的效果。

3．控制电路：

向驱动电路提供调制后的矩形脉冲，达到调节输出电压的目的。

基准电路：提供电压基准。

采样电路：采取输出电压的全部或部分。

比较放大：把采样信号和基准信号比较，产生误差信号，用于控制电源PM电路。

V/F变换：把误差电压信号转换为频率信号。

振荡器：产生高频振荡波。

基极驱动电路：把调制后的振荡信号转换成合适的控制信号，驱动开关管的基极。

4．输出电路：整流、滤波。

把输出电压整流成脉动直流，并平滑成低纹波直流电压。

二、直流开关电源维护：

1.直流开关电源一般为模块式结构。他的每一个模块可带一定的负载量。一般在选购开关电源时要根据设备负载以及蓄电池容量选择模块数量做N+1备份并联。模块共同分担负荷，考虑到模块损坏情况，每个模块带负荷后宜工作在60%负载量左右，这样可以在某一模块损坏后由其他模块分担他的负荷。

此外，在开关电源及设备间加装一个列头柜可以对开关电源起到一定的保护作用以及在市电断电的情况下更灵活有效的利用蓄电池的电量。

2.开关电源通过监控模块，对设备开关量、模拟量的采集设定与控制、上下线值设定等，并通过通讯接口实现交流、直流、模块单元的数据采集上传到动力监控中心。

由于通讯直流设备一般采用-48V正极接地系统供电模式，正常工作状态是开关电源模块输出的DC53.5V。电源给负载供电的同时，还要给电池组进行浮充(电池的自放电的原因)浮充电压设定值是参照电池组单体电池提供的浮充电压值计算得出的，一般为：2.23V×24=53.5V, (2.23V为单体电池电压浮充值)平时蓄电池处于全浮充状态，此种充电模式只是为了弥补电池组自身放电的损失，电流很小一般几个安培以下，由模块输出电能供给负载。根据电池的要求还应要每季度给电池组进行一次放电均充，来提高电池的性能。

3.当市电停电时，负载由并联在直流输出母线上的电池组保持不间断供电，电池组的能量随时间逐渐的下降，开关电源模块处于停机状态。一段时间后，市电恢复，模块单元自动投入，而此时模块所带的负载是负载上的电流和由于电池组放电需要给电池组充电的电流，因此这时的负载电流比正常值大许多，会对配电系统产生很大的电流冲击。此时模块组并不是立即向负载输出电流，而是首先跟踪电池组电压值与电池组共同分担负载供电，按着一定设定时间比例逐渐平滑的转为模块供电输出，从而避免了对市电配电系统的冲击。

4.模块单元自身拥有完善的控制与保护功能：短路、过载、超限、自动均流等。同时依照电池组的要求，从监控模块进行参数设定：如均充时间、一次下电、二次下电、电池组电压终结保护(单体电池电压为1.8V)、温度补偿(75mv/℃).

5.开关电源因工作频率较高，并且使用了大量的电子元器件, 在工作过程中会产生一定的热损耗，使模块温度上升。过高的温度不仅会影响模块的寿命，而且会导致模块的性能和可靠性降低。因此开关电源对环境的要求很苛刻。不仅要选择合适的散热方式，还要定时清理散热孔和防尘网;定期检查电子元件的外观、性能，及时更换。

6.铅酸蓄电池组的定期巡检也十分必要。蓄电池组是通讯直流不间断供电系统最重要的保障。过温、过充、过放都会缩短电池的正常的使用寿命。维护工作中定期使用电池内阻测试仪(或直流电压万用表)进行检测，对在浮充状态下电压超出规格的或者存在漏液现象的电池进行更换，更换的电池要保证在浮充和均充状态下电压与其他电池的电压一致。

7.合理的布线、三点接地保护、必要的屏蔽、对抗电磁干扰都能起到不错的效果。

蓄电池组是设备体系的第二颗“心脏”，而开关电源就是这颗心脏的主动脉。为了不让它发生“栓塞”，一定要对它进行合理的维护，保障整套设备的稳定安全运行。

参考文献

[1]《技师论文直流开关电源》

开关多电源 第6篇

开关电源被誉为高效节能型电源,它代表着稳压电源的发展方向,现已成为电子仪器仪表、自控装置的电源类主流产品[1]。开关电源是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装置,其核心为电力电子开关电路,根据负载对电源提出的输出电压或稳流特性等要求,利用反馈控制电路,采用占空比控制的方法,对开关电路进行控制。随着控制技术和元器件技术的不断发展,开关电源的各方面的性能都在不断提高,容量也在不断扩大。

本文主要介绍了应用PI公司生产的Tiny Switch-Ⅲ系列开关芯片TNY277P的多路输出开关电源,并结合该款开关芯片的性能特点和原理结构,对整个开关电源的设计方式进行了解释。该款开关电源主要应用于网络仪表等电力电子监控设备,具有很高的性价比。

1 TNY277P芯片介绍

1.1 芯片性能特点及优势

TNY277P为PI公司所开发的新型Tiny Switch-Ⅲ系列产品,与TOPSwitch、Tiny Switch-Ⅱ等其它同类产品相比,该芯片具备高灵活性、高可靠性、高效率等优势,是一款高效离线式开关IC[2]。

高灵活性主要体现在以下几个方面:开/关控制简单,无需环路补偿;电流限流点可调;可高效利用MOSFET及磁芯材料的功率输出能力,降低最大过载功率,具备自偏置,从而降低了功率器件成本;导通时间延长,降低了输入电解电容的容值;减少频率抖动,降低了EMI滤波成本。

高可靠性则主要体现以下几个功能:精确的迟滞热关断保护并具备自动恢复功能;自动重启动功能在短路及开环故障状况下实现小于3%的最大输出功率;使用齐纳管可实现输出过压关断;高带宽提供快速的无过冲启动及出色的瞬态负载响应;扩大了漏极与其它引脚间的爬电距离,并大大减少外围元件数目,提高了制板的可靠性。

而高效率则主要体现在其节能特点上,在265 V AC输入时,无偏置绕组下的空载能耗小于150 m W,有偏置绕组时空载能耗小于50 mW,同时开关控制可在负载极轻时具备恒定的效率。

1.2 芯片内部结构及工作原理

TNY277P集成了一个高压功率MOSFET开关和一个电源控制器,它使用简单的开/关控制方式来稳定输出电压。芯片在内部结构上主要由振荡器、使能电路、限流状态调节器、5.85 V稳压器、旁路/多功能引脚欠压及过压电路、电流限流选择电路过热保护、电流限流电路、前沿消隐电路及700 V的功率MOSFET管等功能块构成,能够控制MOSFET关断的电路有以下几种:BP端欠压比较器、过流比较器、过热保护电路、前沿闭锁电路、最大占空比信号Dmax和EN/UV控制端。它们之间呈“逻辑或”的关系,任何一路均可单独将MOSFET关断。

TNY277P一般工作在极限电流的模式下。启动时,在每个时钟周期开始时刻,芯片对EN/UV控制端进行取样,再根据取样结果来决定是否跳过周期以及跳过多少个周期,同时确定适当的极限电流阈值。当漏极电流ID逐渐升高并达到ILIMIT值或者占空比达到最大值Dmax时,使MOSFET关断。满载时芯片在大部分周期内导通;中等负载时则要跳过一部分周期并开始降低ILIMIT值,以维持输出电压稳定。轻载或空载时,则几乎要跳过所有周期,并且进一步降低ILIMIT值,使功率MOSFET仅在很少时间内导通,以维持电源正常工作所必需的能量。

EN/UV控制端通常使用光耦合器驱动,光耦合器中接收管的集电极连到EN/UV端,发射极则接源极。光耦合器与稳压管串联在稳压输出端,输出电压Uo就等于光耦合器内部发光二极管(LED)正向压降UF与稳压管稳定电压UZ之和。当Uo上升时,LED开始导通,将EN/UV脚电压置成低电平,使功率MOSFET关断,通过减小占空比来使Uo下降,最终达到稳压目的。为改善稳压性能,也可用可调式精密并联稳压器TL431来代替普通的稳压管。

1.3 芯片管脚使用说明

芯片主要由漏极(D)引脚、旁路/多功能(BP/M)引脚、使能/欠压(EN/UV)引脚和源极(S)引脚等四类管脚构成。

漏极引脚为MOSFET的漏极连接点,在开启及稳态工作时提供内部操作电流。旁路/多功能引脚则具备了多项功能:当一个外部旁路电容连接此脚时可生成内部5.85 V的供电电源;作为外部限流点设定时,可根据所使用电容的容值来选择电流限流值;输入过流或输出过压时提供关断功能。使能/欠压引脚具有两项功能:输入使能信号和输入线电压欠压检测。在正常工作时通过此引脚可以控制功率MOSFET的开关,而在此引脚和DC电压间连接一个外部电阻时则可以用来感测输入电压的欠压情况。源极引脚内部连接到MOSFET的源极,作为高压功率的返回节点及控制电路的参考点。

2 TNY277P在多路输出开关电源中的应用

2.1 多路输出开关电源基本原理及电路介绍

本文以三路输出开关电源的设计为例,其中主回路输出为+5 V(4 W),辅助回路输出分别为+5 V(1 W)和+12 V(2 W),总功率约为7 W,其电路图如图1所示。交流电源电压经过整流和滤波后,产生高压直流电压加至高频变压器T1的初级线圈一端,变压器初级线圈另一端接TNY277P的漏极引脚。用瞬态电压抑制器VD1和超快恢复二极管VD2来箝位变压器漏电感引脚的脉冲前沿尖峰,将漏极的漏感关断电压尖峰控制在安全值范围以内,这里选定瞬态电压抑制器为P6KE200A,超快恢复二极管为UF4005,该箝位保护电路不仅优化了EMI,更大大提高了效率。高频变压器T1两路辅助回路次级线圈经过次级整流管、电解电容和贴片电容的整流滤波后,再经稳压三极管模块L7812CV和78L05稳压后,即可直接得到隔离的+12 V和+5 V直流输出电压。而高频变压器主回路次级线圈经过次级整流管、电容和电感等元件的整流、滤波和稳压后即可得到稳定的+5 V直流输出电压,同时经过次级线圈输出电压经过VD4和C13的整流滤波后,提供了TNY277P所需的反馈电压。该开关电源的反馈电路选用了配TL431器件的精密光耦反馈电路,图中电阻R1起到限流保护的作用,TL431代替稳压管构成外部误差放大器,利用R3、R4获得基准电压值,并通过C1的频率补偿,最后通过光耦合器对主输出电压进行精细调整,可使电压调整率和负载调整率均达到±0.2%左右,能与线性稳压电源相媲美。当主回路反馈电压超过光耦PC817的LED正向电压降之和时,电流将流向光耦LED,从而下拉光耦中晶体管的电流。当此电流超出TNY277P的使能(EN/UV)引脚阈值电流时,将抑制下一个开关周期。当下降的输出电压低于反馈阈值时,会使能一个开关周期。通过调节使能周期的数量,可对输出电压进行调节。随负载的减轻,使能周期也随之减少,从而降低有效的开关频率,根据负载情况减少开关损耗。因此能够在负载极轻时提供恒定的效率,易于满足能效标准的要求。

2.2 主要元件的选择与设计

2.2.1 开关芯片的选型

本开关电源的交流电输入范围较广,同时其总输出功率为7 W,本设计中选用了TNY277P。

2.2.2 高频变压器的设计

针对系统的要求,高频变压器采用EE20型卧式铁氧体磁芯,初级电压输入范围为AC 85～265 V,初级电感量Lp=1 951×(1±0.1)μH,初级漏感不大于3%Lp,各绕组之间绝缘强度为2 500 V/1 mA(1 min内无打火、无击穿、无飞弧)。而变压器输出则分为3路,其中主回路次级绕组为5 V/4 W,辅助回路次级绕组为9 V/1 W和18 V/2 W,变压器绕组的具体分布如图2所示。次级绕组的绕制采用堆叠式绕法[3],并将电压最高的次级绕组靠近初级绕组,采用此种绕制方法不仅能节省导线,减少绕组体积和降低成本,还能增加绕组间的互感量,加强耦合程度,同时还能改善轻载时的稳压性能。

2.2.3 其它重要元件的选择

VD1在箝位保护电路中需要有足够的功率,在大电流输出的条件下,其峰值电压应比反向输出电压高30～80 V,这里选择P6KE200A型号,峰值电压为287 V。整流桥输出电压至变压器初级绕组的电路为高压电路,所选的滤波电容需要较高的耐压,故C2选用了高压瓷片电容CC81-2 k V-103。

3 电磁兼容的抑制及开关电源效果评估

为提高所设计的开关电源的电磁抗扰度,在交流电压输入端额外安装了扼流圈、安规电容和EMI滤波器三个元件,对于输入交流电压进行了初步的低频滤波,同时对于整个电源系统进行了共模和差模干扰的保护。而交流输入端熔断器F和压敏电阻器RV1的安装更为电源系统增添了过流保护和过压保护功能,熔断器安装保险丝或者正向热敏电阻以防止大电流冲击,而安装压敏电阻以进行过压保护。

为使系统得到更稳定,纹波更小的输出电压,对主回路和辅助回路的输出电压分别进行了二级滤波,第一级滤波安装于变压器次级绕组与稳压器之间,第二级滤波则安装于最后输出端,通过电解电容和贴片电容的组合对高频信号和低频信号分别进行有效滤波,大大降低系统输出时的电压纹波。

本开关电源的直流电压输出具备较好的纹波,通常开关电源输出的纹波电压均较大,一般为输出电压的1%左右,较好的为输出电压的0.5%左右,如图3所示,当示波器一格单位为50.0 mV时,测量可见主回路+5 V/4 W输出电压的纹波峰-峰值仅为96 mV,偶尔出现的尖峰跨度范围接近两格,而平均值和均方根值分别为6.4 m V和9.95 m V,均优于输出电压的0.5%,可见该开关电源能有效应用于各种高精度的测量仪表或者控制仪器。

4 结语

该电源采用在工业环境下具有高可靠性的TNY277P开关模块,利用反馈控制电路,采用占空比控制的方法,实现对开关电路进行控制。该开关电源具有体积小、重量轻、抗干扰性能强、输出电压稳定、电压动态响应快、性价比高、使用方便等优点,经生产验证,其性能完全满足市场要求,可广泛应用于各类仪器仪表的供电系统。

参考文献

[1]沙占友.新型单片开关电源的设计与应用[M].北京:电子工业出版社,2001.

[2]沙占友.新型单片开关电源的设计与应用技术[M].北京:电子工业出版社,2004.

开关多电源 第7篇

开关电源主要有反激、正激、推挽3种电路设计方法。设计功率为50 W～500 W的单路或多路输出电源一般选用单端正激变换器,因为在同等功率输出下,正激变换器集电极峰值电流要小得多。相反,反激和推挽变换器虽然不需要电感,但有开关管和滤波电容纹波电流大的不足,所以,正激变换器适用于低压、大电流、功率较大的场合。但正激变换器面临一个问题,就是变压器的复位。尽管有很多广为使用的技术可以完成变压器复位,但目前为止有源钳位法被认为是比较简单和优化的方法。有源钳位复位技术可以实现零电压启动,降低开关电压应力,扩大占空比范围,降低电磁干扰和提高效率[1,2]。

有源钳位的缺点之一是需要一个精确的钳位控制。如果不在占空比时钳位,增加占空比就可能导致如变压器饱和或主开关上有附加的电压应力,这些都是极具破坏力的。另一个缺点就是需要一个高级的控制技术来同步有源钳位和主开关门限驱动之间的时延。高速PWM(脉码调制)控制器UCC2891的众多特性中的一个就是可设计的最大占空比钳位精确在±3%以内。当UCC2891用做控制IC时,可以实现钳位开关与主开关之间的延时,这样以前关于使用有源钳位技术的缺点就不存在了。

1 有源钳位开关的基本原理

在功率设计阶段前,首先介绍基本的定时。这是有源钳位复位技术的基本特征。低位端有源钳位结构的一个完整的开关循环T0→T4,可以用4个开关时间波形图简单地说明[1]。

1.1 T0→T1 功率传输

在这个阶段QM导通,功率传输到次级绕组。当其体二极管预先导通,在合适的条件下,QM在零电压启动控制下开通。由变压器磁化电流和刺激反馈电流组成的初级电流流过QM的沟道电阻在次级回路中,正激同步整流器QF导通并承受着所有的负载电流。在上一个阶段,负载电流无阻碍地通过反相同步整流器QR的体二极管,因为QF是硬开关,所以会产生开启损耗。功率传输拓扑如图1所示。

T0→T1功率传输时段如图2所示。

1.2 T1→T2谐振

这是正激变换器一个开关周期中的第1次谐振。在这期间QM在零电压启动控制下关闭,初级电流仍然连续,但是改从钳位开关QAUX的体二极管DAUX流过。因为初级电流流过DAUX的方向,在低端有源钳位变换器应用中QAUX一定是一个P沟道MOS管。因为次级负载电流是平稳的,它不会在初级线圈中产生感应电流,因此从DAUX流过的就只有变压器磁化电流。所以QAUX上体二极管的传输损耗就达到了最小,此时也在为零电压启动QAUX做准备,QM的关闭与QAUX开启之间的时延也被认为是谐振期,这就使有源钳位变压器与其他单端变压器复位方法分开来,在次级回路上,在硬开关作用下QF已被关闭,所有的输出负载电流都从DR流过,因此在大电流应用中DR上体二极管的电流损失是整个电路功率损失的主要部分,而且这也往往是高频运行的主要难题。但是,DR导通是在零电压下启动QR所必须的。尽管这在同步整流器中不可能实现,但我们将DR减小到零的理想状态,并仍然允许QR在ZVS(零电压开关)的控制下开启。T1-T2谐振时段如图3所示。

1.3 T2→T3有源钳位

这是初级回路已经复位的钳位阶段,T2→T3有源钳位复位时段如图4所示。图中所示的初级回路电流突然反向。从正向电流到反向电流其实是一个平滑的过程,而这其实在上一个状态中当励磁电流达到正向最大峰值时就开始了。在初级回路,QAUX由于输入电压和初级回路上的钳位电容电压的差值而完全导通。QAUX现在只有最小的传输损耗,因为只有励磁电流流过其沟道电阻。相反,在次级回路,所有负载电流都流过QR并产生大量的传输损耗。

1.4 T3→T4谐振

这是在整个周期内的第2次谐振。在此期间,QAUX在ZVS的控制下关闭,并且初级回路的电流仍然是连续的,从QM的体二极管DMAIN中流过。现在的电流虽然还是在反向流通,但是实际上在这个开关期间电流开始再次反转过来。因为在励磁电流的波形中,可以看到它到达了其负相最大值。QM的体二极管导通来开始为ZVS启动QM做准备。不过,需要注意的是某些情况下QM不会启动。在次级回路中,DR在QR截止前导通。因此,QR在ZVS控制下截止,但和T1→T2一样,不可避免地在其体二极管上产生传输损耗。T4完成后,整个周期又从T1开始。如图5所示。

2 电路设计及测试结果

表1为采用UCC2891有源钳位PWM控制器设计的100 W的输出为30 A/3.0 V的正激变换器技术要求参数,变换器输入电压范围是18 V

设计框图如图6所示。

完整的电路设计包括功率部分设计、反馈回路设计、UCC2891的IC编程设计。由于本文篇幅有限,这里不再阐述具体的设计方法,仅给出设计框图(见图6)和测试结果。

测试参数如下:输入电压为28 V;效率为92%;最大占空比为0.6;输出电压为3.0 V;输出电流为30 A;工作频率为275 kHz。

3 结束语

本文基于电流控制型芯片UCC2891设计出了一种3.0 V/30 A的同步整流有源箝位正激变换器开关电源。实验证明,采用ZVS技术的电源具有较好的稳定性和较高的转换效率。尽管设计最后并没有完全的用零电压启动主MOSFET,但在很宽的输入电流和输出电压的范围内效率仍可高于90%。

参考文献

[1]张占松,蔡宣三.开关电源原理与设计[M].北京:电子工业出版社,2005:1-376.

[2]LI Q M,LEE F C.Design considerations of the active-clamp forward converter with current mode control during large-signal transient[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2003,18(4):958-965.

[3]杨素行.模拟电子技术基础简明教程[M].北京:高等教育出版社,1998.

[4]刘光跍,饶妮妮.模拟电路基础[M].成都:电子科技大学出版社,2001:164-192.

小型可调开关稳压电源设计 第8篇

①功耗小,效率高。开关电源电路中,晶体管工作在开关状态,转换速度很快,频率一般为50kHz左右。国外实验表明,最快可达几百到1000kHz。这使得开关晶体管的功耗很小,电源的效率可以大幅度地提高,其总体效率已经超过了80%。②体积小,重量轻。开关电源替代了传统的铁心变压器电源,因而大幅度减小了体积和重量。③稳压范围宽,调控方法多。开关稳压电源的输出由激励信号的占空比来调节,输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿。这样,在工频电网电压变化较大时,其仍能保证有较稳定的输出电压,所以开关稳压电源的稳压范围宽,稳压效果好。此外,改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。因此,开关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点,而且调节稳压的方法也较多,设计人员可以根据实际要求,灵活的实现开关电源。④滤波效率高,纹波较小。由于滤波效率的提高,使滤波电容的大为减小。开关稳压电源的工作频率是线性稳压电源的1000倍左右。在相同的纹波输出电压的要求下,开关稳压电源的滤波电容只是线性稳压电源的电容容量的1/500～1/1000。⑤电路形式灵活多样。开关稳压电源的实现形式有自激式、他激式、调宽型、调频型、单端式、双端式等。设计者可以根据各种类型的特点,满足各种不同应用场合的稳压电源。另外,开关电源虽然还有一定的开关干扰现象,但这一缺点已经在工程上得到了一定的克服,所以开关稳压电源的应用越来越广泛。

1 开关电源原理

常用弱电电子设备所需稳压电源一般要求,输出电压5V到十几伏,输出功率一般在几十瓦,系统有一定的保护功能,在输入电压发生变化时仍能稳定输出。综合各种因素,本文将设计完成一个输出电压12V,功率30W的直流开关稳压电源。

开关电源由五大部分组成:输入电路、功率因数校正、功率转换、输出电路、控制电路,原理框图如图1所示。第一部分输入电路,它包含有低通滤波和一次整流环节。220V交流电直接经低通滤波和桥式整流后得到未稳压的直流电压,此电压送到第二部分进行功率因数校正,其目的是提高功率因数,它的形式是保持输入电流与输入电压同相。功率因数校正的方法有无源功率因数校正和有源功率因数校正两种。所谓有源功率因数校正APFC(Active Power Factor Correction),是指电源在校正过程中常采用三极管和集成电路。开关电源电路常采用有源功率因数校正。第三部分功率转换,它是由电子开关和高频变压器来完成的,是把高功率因数的直流电压变换成受到控制的、符合设计要求的高频方波脉冲电压。第四部分输出电路,用于将高频方波脉冲电压经整流滤波后变成直流电压输出。第五部分控制电路,输出电压经过分压、采样后与电路的基准电压进行比较、放大,再通过控制芯片调整高频脉冲宽度来达到稳定输出的目的[2]。

2 系统设计

2.1 ICE2A365简介

Infineon Technologies 公司的ICE2A365芯片是新型COOLMOS器件,该器件是PWM控制器和MOSFET开关管组合为一体的功率器件,它的主要特点如下:FET耐压为650V,导通电阻低;无需散热器即可输出较大的功率;具有过、欠压保护,过热保护,过流保护和自恢复功能;待机状态及空载时能自动降低工作频率,从而降低损耗;最低工作频率为21.5kHz,可以避免可闻噪声;电路结构简单,所需外部电路元件少,可大大减少开关电源的体积和重量,提高系统的可靠性。

ICE2A365采用双列直插式结构,其封装形式为DIP-8,各管脚功能:1脚,软启动设置端,设计者可通过改变外围电路参数自行设置所需的软启动时间;2脚,反馈信号输入端,在启动瞬间,通过输出取样电路可控制光耦的输出电流,从而改变反馈信号的大小,进而控制PWM控制器的输出占空比,其最大输出占空比为0.72;3脚,MOSFET工作电流检测端,该器件可对输出电流的大小进行实时监测,以便在输出电流过大时切断PWM信号的输出,从而实现过流保护。4脚和5脚为MOSFET的漏极;6脚为空脚;7脚,为内部PWM控制器供电电源端,输入电压范围为8.5～21V;8脚为电源地端[3]。

2.2 系统整体设计

基于ICE2A365的开关稳压电源电路原理如图2所示。220V交流电压先经过电源噪声滤波,该部分电路的目的是减少电磁干扰;再通过桥式整流和电容C7滤波后得到直流高压。该高压供给高频变压器的初级绕组,在高频脉冲的作用下,电路处于开关状态,从而使电压通过变压器耦合到次级,副绕组给控制芯片电源提供电压,次级再经过肖特基二极管MBR20100整流和滤波电路L2、C10、C12滤波,最后通过TL431给输出提供一个2.5V的基准电压。输出电压VOUT:

为了能够稳定地输出12V的直流稳压电源,输出信号与12V的电压进行比较,再通过光电耦合器反馈到控制电路,从而进行脉冲宽度的调制。当电压超过12V时控制芯片便压窄脉冲宽度,反之则增加脉冲宽度,以期达到稳定输出电压的目的[3,4]。

2.3 控制电路设计

开关电源要求主电路与控制电路隔离,隔离的目的是保证电路安全和提高电路抗干扰的能力。一般采用的隔离方式是用脉冲变压和额光电耦合器进行隔离,这里采用的是光电耦合器进行电信号传递,如图3所示。光电耦合器所传递的电信号是毫安级的电流,这种信号不能直接驱动开关管,必须在控制脉冲的作用下才能达到脉冲调制驱动的目的。

ICE2A365控制器内部集成了开关功率管和脉冲发生器等,脉冲发生器通过给开关功率管提供脉冲的方式改变开关功率管的导通与截止来控制电路的开关状态。而光耦通过ICE2A365的反馈脚适时地提供输出信息,输出电压会与12V的基准电压进行比较,如果输出电压偏高时则光耦里的发光二极管发光强度增强,反馈脚的电流也会相应地增加,控制器便通过压窄其脉冲宽度的方式使输出电压减小;反之输出电压降低时,则光耦里的发光二极管发光强度降低从而使反馈脚的电流减小,控制器则相应地通过增加其脉冲宽度的方式使输出电压升高。但是光电耦合器在传递信号时有较大的时间延迟,这样会使传递信号造成波形失真甚至畸变,不能准时触发或误触发,工作的频率也不能太高,限制了开关电源的小型化。所以在制作开关电源时,应正确选用光电耦合器的型号及参数,选取的原则是:①电流传输比CTR的允许选取范围是80%～250%。当CTR为80%时,光电耦合器中的发光二极管需要较大的工作电流,大于5.0mA,才能控制电路的占空比。这样做的结果是增加了光电耦合器的功耗。当CTR>250%时,若启动电流或输出负载发生突变,有可能发生误触发,即误关断,影响正常工作。②要采用线性良好的光电耦合器。因为光电耦合器具有良好的线性时,电源控制调整十分有序,输出稳定可靠。此次电路设计所选用的光耦型号为NEC2501[3,5]。

2.4 低通滤波回路设计

低通滤波回路如图4所示,是开关电源输入的“大门”[2]。 其有两个作用:第一,防止输入电源窜入噪声干扰,同时还要抑制浪涌电压、尖峰电压的进入,第二,阻止、限制开关电源所产生的噪声,高频电磁干扰信号通过输入电线反馈进入电网。因为不同波段的电磁波所产生的感抗是不一样的,因此设计电路所选用的电容和电感也就不同。对衰减电磁干扰的能力按照设计要求而定。从理论上说,电路的电抗是阻抗、感抗和容抗的矢量和,即

要想使电磁干扰不大于8dB/μV,必须选用合适的电感、电容,以最大限度地提高电路抗干扰的能力。

2.5 整流滤波回路设计

开关电源一般采用电容输入型整流滤波电路,整流方式一般采用全波桥式整流。整流滤波回路如图5所示。

输入电容是由输出保持时间以及直流输入电压要求的纹波大小决定,且流经电容的纹波在电容允许值范围内。由于滤波电容大多采用电解铝作为电解质,故纹波电流对电容寿命有很大影响。开关电源的整流桥是由4只二极管组成的,每只二极管串联起来完成电压半周整流。因此,每只二极管中流过的电流只有整个电流平均值的一半,每个二极管所承受电压是最大反向电压的一半,输入回路的峰值为0.5A,输入回路的最大输入峰值直流电压为750V。

整流回路选用二极管1N4007,其最高反向工作电压VRM为1000V,额定整流电流IF为1A,正向不重复峰值电流IFSM为30A,完全能够满足本次设计对整流二极管的要求。

2.6 吸收回路设计

吸收回路如图6所示,它是利用电阻、电容和阻塞二极管组成的钳位电路,可有效地保护开关功率管不受损坏[2]。当开关功率管导通时变压器的磁通量增大,这时便将电能积蓄起来。当开关功率管截止时,便将积蓄的电能释放,变压器初级绕组中便有剩磁的产生,并通过D5反馈到次级。剩磁释放完毕后,初级绕组NP的电压VP为120V～340V功率管能够承受的最大峰值电压Vdsp为650V。吸收时间最小为2μs,则吸收回路的电阻:

时间常数RC比周期T大得多,一般取5倍左右。

因为电路工作在高频状态,故必须使用超快速恢复二极管(Superfast Recovery Diode)。这种二极管具有开关特性好、耐压高、正向电流大、体积小等优点,常用在整流、续流、限流等电路中。超快速恢复二极管在开关电源中可作为阻塞二极管和次级输出电压的整流管。超快速恢复二极管的反向恢复时间在20ns～50ns之间;整流电流为最大输出电流的3倍以上;最高反向工作电压为最大反向峰值电压的2倍以上。此处二极管选用Motorola公司的MUR460,其耐压600V以上,电流值在4A以上。

3 系统测试与分析

控制电路是开关电源的心脏,故在系统整体测试前先测试控制电路部分。按照所带负载的轻重测试了功率开关管漏极跟源极之间的波形,如图7所示,测试结果正常。

当负载为15Ω,当输入电压为320V时,峰值电压为320V,频率为100kHz,波形如图7(a)所示;当输入电压为100V时,峰值电压为200V,频率为100kHz波形如图7(b)所示;所带负载为5Ω,峰值电压为320V,当输入电压为220V时,频率为100kHz波形如图7(c)所示;当输入电压为100V时,峰值电压为220V,频率为100kHz,波形如图7(d)所示。

检查电路进行系统整体测试。①全部连线接好以后,仔细检查一遍。电源线与地线在内的所有线是否有漏接线和错接线,是否有两个以上输出端错误地连接在一起等。②使用万用表的“Ω×1”档,测量交流输入端,实验电路电源端与地线之间的电阻值,排除电源与地线的开路与短路现象。③再使用万用表测量直流稳压电源输出端,排查是否短路或者断路的现象。④确认检查一切无误之后,上电调试,使输出电压稳定在12V。完成上述调试步骤,测试系统性能指标,如表1所示。

4 结束语

开关电源是非常实用的电路模块。以ICE2A365为核心设计了开关稳压电源,并进行了综合系统测试。实验证明,此设计方案,具有设计方便、功能完善、性能良好等特点,对于开关稳压电源的设计开发具有普遍的参考意义。开关电源的改进方向是,带载能力并尽量去除纹波。

参考文献

[1]赵同贺.开关电源设计技术与应用实例[M].人民邮电出版社,2007.

[2]童诗白.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社,1998.

[3]Infineon technologies.ICE2A365 datasheet[EB/OL].(2001)http://www.infneon.com.

[4]刘胜利.高频开关电源实用技术[M].2003.