开关电源的原理与设计范文

导语：如何才能写好一篇开关电源的原理与设计，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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【关键词】管理学原理；教；学

一、管理学课程的教与学的现状

1.开设情况。并不是所有的高校都认为该门课程是基础课程而进行必要的开设。其中，比较好的开设情况是：经济、管理类等相关专业的学生一般在大一上学期或下学期就会完成该门课程的学习，而像理工科专业的学生将在大二下学期或大三上学期完成；较糟糕的情况是除了经济、管理类专业的学生会学习到该门课程，其他专业的学生是接触不到的，所以，很多理工科的学生听也没听过这门课程的名称。通过上述情形的描述，可以发现有些院校并不重视该门基础课程。因此，校方所持的态度势必会影响教师的教与学生的学。

2.教。部分教师并没有有效地结合学生的专业而对管理学原理中的知识有侧重点的进行讲解，面对不同专业和不同年级的学生都是同样授课。实际上，对于管理类专业的学生，教师们应将知识点讲解得深入一些，对于课程中涉及日后所学专业知识的一些基础知识点和术语应着重强调；而对于理工科的学生，就应结合大家所接触的一些日常经济现象的案例给学生讲解，这样可以较好地提高学生学习的兴趣。

3.学。由于学生们普遍认为该门课程是基础课，多数都是为应付考试而在课程考试之前对知识点进行背诵。有的学生认为该门课程学起来十分枯燥，感觉其中的知识与自己的专业根本不相关，对自己的专业基本没什么帮助，于是不愿花时间在该课程的学习与钻研上。学生的学基本是盲目的，都是由教师进行无休止的灌输。因此，教师应采取积极的方式进行引导，让学生带有目的去渴望学习该课程。

二、建议

1.校方的意识。学校应该重视基础课程的开设，因为没有基础知识的铺垫和积累，教师和学生在日后的专业知识的教与学都将十分吃力。因此，校方对于基础课程开设的意识和态度将会影响学生最终的学习效果。

2.教师的教学。教师的教在教与学两者之间占据主导作用，因为往往学生学习的兴趣与效果，都与教师启发和激励息息相关。关于教师的教方面，具体为：

①将管理课程中的一般理论与管理案例相结合，注重理论教学的实用性。传统课堂教学要求教师严格按照教材、大纲的顺序进行讲解，强调理论的逻辑性。因此，这样做的结果不仅不能激发他们的学习兴趣，甚至会引起他们的不满。实际上，当代大学生的特点是思想活跃，乐于接受新鲜事物，喜欢讨论当前社会热点问题。因此，教师们应该从学生比较感兴趣的一些案例入手，通过对案例的思考，从而引出相关理论的讲解；或者从理论的讲解着手，进一步围绕该理论让学生对相关案例进行思考，这样使得学生不再盲目地学习那些枯燥的理论知识，并且通过这种方式可以加强学生对知识点的印象，使得教学效果事半功倍。

②注重培养学生利用管理理论、方法解释、分析和解决实际管理中的问题的能力。培养学生的这种能力，必须强调两点：首先，是要求学生对材料的阅读，特别是一些重要的案例，教师们要给出一定的时间进行课堂阅读，其他的案例可以采取课后阅读。其次，是学生对案例的思考，这种思考可以是独立思考也可以是小组集体讨论。总之，在培养学生利用理论知识解决实际问题能力的同时，也有利于大学生自学能力的培养，而这一点恰恰是大学培养学生的重要目的。

③让学生积极参与案例活动。如情景模仿，让学生担任其中的角色，亲身感受管理相关环节。在这里，笔者要特别强调教师应该在一学期的教学中，尽量保证让每位同学都能够有机会上讲台发言，因为笔者认为作为一名学管理类专业的学生，具备站在大厅广众之下开口讲话的勇气是必须的，其次，是对学生参与活动的能力要求。例如，当讲授关于管理职能——计划时，可以就如何制定大学生创业计划，让班级同学编成小组讨论，每个小组派代表阐述该小组的集体意见，最后再由教师对所发表的意见进行分析、总结。这样做，可以调动学生学习积极性，并且可以培养小组同学的合作精神。

④要根据学生的特点有针对性的讲授。管理学原理基本上在大学一年级的第一个学期开设，对于那些管理类专业的学生而言，应比较强调对理论的掌握，因为他们之后的专业课程学习是需要这些基础课程作为铺垫的，而对于非专业的学生而言，教师应该根据学生具体的专业进行有所重点的讲授。

3.学生的学。教与学是一个互动的过程，因此，学生自觉、主动学习是达到良好学习效果所不可或缺的。它要求学生必须首先要从内心树立对学习基础课程的强烈意识，当然，这在很大程度上要依靠教师的引导作用；其次，学生们应该学会如何自我培养学习理论知识的兴趣与能力，如学生可以适当地参加一些社会活动，通过自己的亲身感受或许能增加对该门基础课程学习的兴趣。

参考文献：

[1]陈永清.关于高校《管理学原理》课程教学的思考[J].经济师，2009（10）.

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摘 要：在用电子技术专业课程体系中，它是一门“行业概貌”类型的课程，开关电源应用相当广泛与普遍，学生通过这门课的学习对自己未来所从事的岗位和专业将会有比较深入的了解，更会对自己未来的行业有生动细致的体验。该文针对《开关电源的应用与维护》这门课整体教学设计进行探讨，突出体现了现在职业教育中以学生为主体的教学理念，通过设计不同的教学项目，来培养学生的动手能力，以适应社会的需求。

关键词：开关电源的应用与维护 整体设计 教学项目考核

中图分类号：G71 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）09（c）-0068-02

1 课程基本信息

《开关电源的应用与维护》是一门应用电子技术专业学生的职业能力必修课，它是学生入学第四学期开设的课程。它的先修课程是《电路基础》《模拟电路的分析与应用》《数字电路的分析与应用》。后续课程有《电子整机电路检修与调试》《供、配电系统的运行与检测》。在应用电子技术专业课程体系中，它是一门“行业概貌”类型的课程，开关电源应用相当广泛与普遍，学生通过这门课的学习对自己未来所从事的岗位和专业将会有比较深入的了解，更会对自己未来的行业有生动细致的体验。

2 课程定位

2.1 岗位分析

应用电子技术专业的学生初次就业可从事：开关电源维修工、流水线装配工、电源设备维护员等。

晋升的岗位有：开关电源产品技术员、设计员、设备主管、生产主管等。

未来的发展岗位有：系统工程师、研发工程师、新型项目研发负责人等。

2.2 课程分析

具体情况见表1。

3 课程目标设计

3.1 总体目标

通过此门课程的学习，使学生了解电子元器件在高频工作状态下的特性，能够对各种不同种类开关电源的结构和工作过程进行分析和调试，能够根据电路图判断开关电源的拓扑结构以及调制方式；使学生能够通过常用工具、仪表进行开关电源的安装、调试、检修；使学生能够胜任各种开关电源电路系统的维护、分析、设计等工作岗位；为学生进一步学习专业知识和职业技能打下良好基础；培养学生的团队意识、创新能力。

3.2 能力目标

（1）学会使用仪表进行开关元器件的识别与检测的方式方法。

（2）能够具备根据电路图进行开关电源的结构种类的判断，分析调制方式的能力。

（3）能够具备使用仪器仪表和工具进行开关电源的日常维护与故障分析处理的能力。

（4）能够按照行业标准和工厂实践要求进行开关电源的安装、调试、检测。

（5）掌握开关电源的设计方法，了解开关电源的新技术。

3.3 知识目标

（1）掌握开关电源的基础知识，知道开关电源的种类。

（2）理解开关电源的基本原理，掌握开关电源的工作方式。

（3）了解掌握开关电源中常用的电子器件及其驱动方式。

（4）理解掌握各种非隔离型DC-DC变换器的拓扑结构和控制方式及工作原理。

（5）理解掌握各种隔离型DC-DC变换器的拓扑结构和控制方式以及工作原理。

（6）掌握软开关与整流技术。

（7）理解掌握开关电源的控制方式以及多种调制芯片的工作原理。

（8）了解整流器和保护电路的工作原理。

（9）掌握开关电源的电路分析方法。

3.4 素质目标

（1）注意日常操作的职业素养，养成正确配戴劳动保护用品的良好习惯，具有自我防护意识。

（2）培养学生勇于探索的科学态度，勇于实践创新的精神。

（3）培养学生养成遵守工作规范、工艺规定及安全操作规程的意识。

（4）培养严肃认真、科学严谨的精神；培养学生的协调能力。

（5）培养学生与客户及应用方的沟通能力。

（6）培养学生将理论应用于实践，彼此互相结合的精神。

4 课程内容设计

《开关电源的应用与维护》这门课程的整体设计由4个项目组成，个别项目包含子项目。教师通过带领学生完成这些项目，使学生能了解开关电源的现状和发展趋势，能熟练使用常用仪器设备和工具进行电脑、充电器和普通用电设备开关电源的维护和一般故障排除。初步使用专业软件和专业外语；学生能够按照行业标准和要求完成相关工作任务；学生能够根据具体用电器的要求进行图纸绘制、进行简单计算、并进行初步分析和设计。具体设计内容见表2。

5 考核方案

此课程改变以往用试卷方式为终结性考核的形式，采用项目过程考核，并将每个项目赋予了不同权重，根据学生对项目的实际操作完成情况，平时课上就给出了实践操作成绩。同时，结合同学的课堂表现、出勤及作业完成情况，最终确定其这门课的成绩。教学项目考核成绩表见表3。

参考文献

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【关键词】开关电源；双闭环反馈；稳压；稳流

1.前言

高频开关电源在二十世纪八十年代进入我国后，由于其具有体积小、重量轻、效率高、噪音低等优点，大量地进入我国邮电通讯、电力部门及其它领域，其发展迅速，市场潜力巨大，取代了许多传统的中小功率可控硅整流电源。而在传统的工矿企业，如电解电镀、电化、电火花、电池充电、水处理、热处理、焊接、冶炼等诸多领域，目前还在大量使用传统的可控硅整流电源，不符合国家环保节能的政策。目前市场上的单台高频开关电源功率受到器件的约束及其它因素的限制，难以在大功率（50KW以上）场合实用需要。为了把功率做大，简单的方法就是把许多单台高频开关电源，将其输出简单并联，形成扩流输出。但这种方法有一个局限性，那就是并联后的系统只能是稳流输出，而不能适应稳压输出的应用场合。本文设计思想就是在上述简单并联后的基础上，再单独设计一个输出电压负反馈系统，利用电压反馈系统的输出来控制各台高频开关电源，形成双闭环反馈，从而达到并联系统的稳压输出。由于单台高频开关电源的工作原理众所周知，故以下着重从自动控制系统原理方面介绍并联系统的工作原理。

2.系统控制原理图

并联系统的自动控制原理如图1所示。

在自动控制电机直流调速系统中，有一种转速、电流双闭环反馈系统，又称串级系统。外环是转速反馈，内环是电流反馈。任何系统内外扰动或电网电流变化造成的转速变化，都能通过外环或内环的反馈系统调节，达到稳定的转速输出。本文正是基于此设计思想，设计了如图1的高频开关电源双闭环反馈并联自动控制系统。图中各台高频开关电源本身就是可以独立工作的，且内部形成电压或电流负反馈系统。并联系统电压反馈属于外环，内环由高频开关电源内部形成。这种并联系统之所以简单，就是在单立工作的电源基础上，把输出端简单并联在一起。而输入端的给定由外环统一加到各立的高频开关电源。

图1中虚线框内1#、2#、……、N#为各台高频开关电源，其内部自动控制原理图简化为一阶系统比例积分环节，所以各台高频开关电源的稳流或稳压精度很高。图中它们工作在稳流状态下。

3.系统工作设计原理

3.1 单台高频开关电源设计及总体框图

单台高频开关电源的技术指标：

输入电压：380V，50HZ

输出电压：DC 18V

输出电流：DC 800A

限流值：850A

限压值：18.5V

保护：过流保护、热保护、过压保护、欠压保护

转换效率：>80%

单台高频开关电源总体框图如图2所示。整机电路可分为变换主回路和控制电路两大部分。交流380V电压经输入电源滤波器、输入直流整流滤波得到550V左右的直流电压，供给脉宽调制器，它有两组IGBT模块、高频变压器及输出整流滤波组成。

由PWM控制电路提供交变脉冲经驱动电路来控制IGBT模块的通断，将直流电压变换成交变的20KHZ脉冲电压，经高频变压器隔离变换成所需的电压，再经输出整流二极管全波整流，得到平均幅值为18V的直流电压。

控制电路由PWM控制电路、驱动电路、反馈取样电路、限流限压电路及辅助电源组成。PWM控制电路输出两路彼此相位差180?，并有一定死区的脉冲，经驱动电路放大，控制主回路IGBT模块的通断。为了得到稳定的输出电压或电流，对输出电压或电流进行采样、反馈，与基准值比较、放大，控制PWM电路的脉冲宽度，调整IGBT的占空比来实现稳压或稳流。同时通过软启动、过流过压保护、短路保护及限压限流电路对电源本身实施保护措施。

单台高频开关电源构成一个电流负反馈控制系统，简称内环。自动控制原理如图3所示。

图3中采用了PI调节器的单闭环电流负反馈控制系统，既保证了动态稳定性，又能做到无静差，很好地解决了动、静态的矛盾。其调节原理：在电流给定值不变的情况下，当负载变动或电源内部原因造成了电源输出电流变动时，自动控制调节过程为：

通过以上的调节过程，可以保证单台高频开关电源输出稳定的电流。这样，把各个单独工作的高频开关电源输出并联在一起，且工作在稳流状态下，接受同一的电流给定值，就可保证各台高频开关电源输出同样大小的电流。从而实现并联系统的扩流输出。为了提高系统的整体可靠性，还可根据系统的要求，增加N+1冗于设计。这种简单的组合在一起，当某台高频开关电源出现故障，可立即把其关电退出运行并断开输出连接，把备份的高频开关电源通电投入运行即可。从而把处理故障的时间减少到最小。

3.2 系统自动控制原理

双闭环并联系统自动控制原理如图4所示。

图4中在高频开关电源系统外增加了一个比例积分调节器，用来调节并联系统的电压。把并联系统的输出电压反馈和并联系统给定值进行比较，其差值经信号放大，作为高频开关电源系统电流给定值，而高频开关电源系统根据不断变化的电流给定值来调节自身的输出电压，以此保证自身的输出电流根据给定值变化而变化。从而也保证了并联系统输出电压稳定。从闭环反馈的结构上看，电流调节环在高频开关电源系统内部，是内环；电压调节环在外面，成为外环。二者之间实行串级连接，即以电压调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出作为并联系统输出电压的控制，那么两种调节器作用就能互相配合，相辅相成了。这就形成电压、电流双闭环反馈控制系统。为了获得良好的静、动态性能，两个调节器一般都采用PI调节器。

当由于负载扰动，造成了并联系统电压输出变动，则系统自动控制调节过程为：

上述电压调节过程可以保证并联系统在稳压工作状态下，输出电压稳定。若系统要工作在稳流状态下，只需通过系统内部的选择开关，把外环电压反馈单元关闭，直接把电压给定信号加到各台高频开关电源，由于各台高频开关电源本身工作在稳流状态下，从而可以保证并联系统的每台高频开关电源输出同等大小电流。

从动态稳定性上看，在设计过程中，先把单台高频开关电源设计调整好，使之能稳定的输出额定电流。然后把各台并联连接在一起，加上电压反馈外环，再按系统设计要求并调整外环，使系统输出电压保持稳定。需要注意的是：内环根据其设计指标要逐一开启和外环连调，等所有的内环调整好后，再把所有内环开启，与外环一同调节系统的输出电压和电流。

4.实验与结论

应用以上原理，制作了一台组合式并联的72KW高频开关电源。具体参数为：AC380V±10%，稳压输出18VDC；限流电流4100ADC；稳流输出4000ADC；限压电压18.5VDC。该并联系统由五台单独的高频开关电源并联组合，每台高频开关电源都输出同等的800A/18V。系统在稳压工作时，即使输出短路也能限流在4100A稳定工作；稳流工作时，输出端开路能实现限压而稳定工作。若为了提高并联系统的可靠性，还可增加一台备份。该电源在电镀行业镀铬工艺中现场运行已有近两年，基本上达到了设计要求，用户反应良好。

参考文献

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【关键词】反激式；变压器；开关电源；PI Expert

1.引言

近年来，开关电源的发展非常迅速。相对于线性电源，开关电源有着体积小、重量轻、效率高、抗干扰强、输出电压范围宽和便于模块化等优点。开关电源分为隔离和非隔离两种形式，而隔离式又有正激和反激两种拓扑结构。

一般在中小功率电源场合，反激式开关电源往往最具性价比，因此被广泛应用于家电、工业控制、通讯、LED照明等领域。但设计一款具有高性价比的开关电源并非易事，需要设计人员具备丰富的理论知识和实践经验。按照传统的手工设计方法，开关电源需要计算的参数变量非常多，工作量较大。为配合用户进行开关电源的设计，Power Integrations公司推出了PI Expert电源设计软件，大大地减轻了设计人员的工作量。该软件简单易用，灵活方便，是一种高效的开关电源设计工具。

2.反激式开关电源的基本原理

所谓反激式开关电源，是指当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为反激式开关电源。反激式开关电源中的变压器起着储能元件的作用，可以看作是一对互相耦合的电感。在实际应用中，反激变换器又经常被设计成不连续导通模式（DCM模式）和连续导通模式（CCM模式），以便根据具体的使用情况实现开关电源的最佳性能[1]。

反激式开关电源一般由电源整流滤波电路，开关芯片，高频变压器，漏极箝位电路，反馈电路和输出滤波电路组成。电源滤波电路一方面消除来自电网的干扰，同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散。输入整流电路将电网输入电压进行整流滤波，为高频变压器提供直流电压。开关芯片是开关电源的关键部分，选择一款好的开关芯片对开关电源的性能起着重大的作用。变压器是整个电源的核心，它把直流高电压变换成低电压，并且起到将输出部分与输入电网隔离的作用。漏极箝位电路的作用是当功率开关管（MOSFET）关断时，对由高频变压器漏感所形成的尖峰电压进行钳位和吸收，以防止开关管因过电压而损坏。反馈电路和输出滤波电路也是开关电源不可缺少的部分，其设计的好坏直接关系着输出电压的稳定性和质量。

3.PI Expert的主要功能和特点

PI Expert是一个自动化的图形用户界面（GUI）程序，通过接收用户输入的电源规格参数，自动生成基于PI系列IC设计的电源方案。PI Expert提供了构建和测试工作原型所需的一切信息，其中包括输入电路、器件选择、器件特性利用、箝位电路以及反馈电路在内的完整示意图和BOM。PI Expert还提供完整的磁特性设计，也可生成用于机械装配的详细绕制说明。PI Expert的最新版本为V9.0。

运用PI Expert设计开关电源有以下几个步骤：

第一步：用设计向导新建一个设计。在向导中我们需要分别选择开关电源的拓扑结构，开关芯片、开关频率、外壳、反馈类型、输入电压类型，输出参数和优化参数。

第二步：选择主输出绕组的匝数范围和磁芯选择范围，之后点击完成设计便可生成一个初步的开关电源电路图和设计参数列表。

第三步：补充参数。在PI Expert窗口左侧的“设计树试图”中补充设置一些未设置过的参数，如主输出电压，输出绕组叠加方式，EMI滤波结构等，设置完毕后点击“开始优化”即可完成。

第四步：手动调整。由于软件根据自身的算法计算元器件的值，所以存在非标或不常用的问题，这会给物料采购带来麻烦，这时候需要在合理的范围内调整器件的值。

设计完成后，PI Expert自动生成电路图、设计结果表单、电路板布局、材料清单和变压器构造示意图，非常方便。

4.设计实例

本文基于PI Expert设计了一款两路输出（+5V/250mA，+12V/1A）的反激式开关电源，其输入电压为通用宽电压85～265V。此电源采用PI公司TinySwitch-III系列产品中的TNY280PN作为开关芯片，高频变压器使用EE19磁芯，具有输出过载和短路保护功能。

4.1 电路设计

PI Expert会根据用户输入的规格参数自动生成电路原理图，其中，较为关键的参数有：

（1）输出叠加方式：因为交流叠加式可提供较佳的交叉稳压和工作效率，故输出绕组采用交流叠加的方式进行互连。

（2）反馈类型：为了得到较佳的稳压效果，此处选择使用TL431作为反馈，并使用偏置绕组进一步减少开关电源的空载功耗。反馈电路的选择直接决定着输出电压的稳压精度，反馈电路一般有初级反馈和次级反馈，次级反馈又有次级稳压管和次级TL431两种电路形式。使用齐纳二极管作为参考的次级侧反馈电路在温度变化时通常可提供约±7%的输出调整率，而带TL-431的次级侧反馈通常可为线电压和负载漂移提供优于±5%输出电压稳压精度[2]。

（3）漏极箝位电路：PI Expert提供了三类不同的箝位电路。软件会根据电源的总输出功率自动选择最佳的箝位电路。由于此电源输出功率在20W以下，故采用简单的稳压二极管箝位电路。

PI Expert设计完成再手工调整后的开关电源原理图如图1所示。

4.2 高频变压器设计

设计高频变压器是设计开关电源最关键的一步。PI Expert在生成原理图的同时自动生成变压器的构造图。调整PI Expert左侧“设计树视图”中的“变压器”和“绕组结构”参数即可调整变压器的参数和结构。设计变压器时需要注意以下两点：

（1）为了减低漏感，功率最高的次级绕组应离变压器的初级绕组最近。若某个次级绕组的圈数较少，则该绕组要横跨绕线区域的整个宽度，以便改善耦合。

（2）由于此电源采用次级侧的稳压方式，偏置绕组应位于初级绕组和次级绕组之间。当偏置绕组位于初级和次级之间时，它相当于一个连接至初级返回端的EMI屏蔽层，降低了电源产生的传导EMI。

高频变压器的最终设计参数[3]如下：

磁芯型号：EE19

初级电感：880uH

初级绕组：漆包线，Φ0.2mm，87匝

偏置绕组：漆包线，Φ0.25mm，10匝

次级绕组1：三层绝缘线，Φ0.4mm，4匝

次级绕组2：三层绝缘线，Φ0.4mm，5匝

绕组顺序（由里向外）：初级绕组，次级绕组2，次级绕组1，偏置绕组。

5.试验结果及分析

根据以上的设计参数实际制作硬件进行试验。

在额定负载情况下，当输入电压为220V时，实测开关电源的输出电压波形如图2所示。从图上可以看出，开关电源的输出特性良好，电压波动非常小。再测输出的纹波波形如图3所示，由图上可以看出，5V的纹波普遍在±100mV左右，12V的纹波在±100mV以下，效果理想。额定负载情况下，当输入电压为85V时，测试输出电压的波动和纹波均在允许范围内，未出现电源复位重启现象；当输入电压为265V时，测试输出电压的波动和纹波均在允许范围内，未出现电源复位重启现象；再对电源作保护功能的测试。使开关电源的输出过载或短路时，开关电源进入2.5s间隔的自动复位重启保护；输出负载正常时开关电源恢复正常工作。

6.结语

试验证明本文基于PI Expert设计的反激式开关电源具有良好的工作性能和高可靠性。该电源结构简单，具有输出过载和短路等保护功能。PI Expert是一款高效的设计工具，借助PI Expert软件可以大大缩短开关电源的开发周期。

参考文献

[1]周志敏，周纪海，纪爱华.开关电源实用电路[M].北京：中国电力出版社，2006.

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【关键词】开关电源节能 现网节能改造 通信

一、前言

改革开放以来，我国的经济成就举世瞩目，但环境问题也越来越严重，引起大家的高度重视 ，2007年世界经济论坛《全球风险报告》 中指出：21世纪全球面临的最严重挑战之一就是气候变化。2014年11月12日中美两国在京共同《中美气候变化联合声明》，中国计划到2030年将非化石能源比重提高到20%左右。十一五 期间，中国政府在节能减排上要求国内能耗降低20%，主要污染物排放总量减少10%。同样在严峻的节能减排压力下，各通信行业运营商越来越重视设备的节能，将节能作为首要的发展方向。在这个背景下，对开关电源提出了极高的节能要求，努力开发节能的产品和寻找现网设备的节能改造方法。

二、开关电源节能原理分析

（一）开关节能的原理

通信开关电源节能的关键是要提高系统的整体效率。通常开关电源的节能主要在两个原理：第一个最直接的节能原理是提高整流器的效率。通过技术改进提高整流模块的整体效率特性、降低模块功耗等措施，从最初至今，整流器的效率已经在原有的基础之上提高了百分之十，达到96%。随着技术的进一步成熟和器件成本的下降，相信不久以后，规模应用将成为现实。开关电源节能的另一个节能原理是通过电源模块的休眠管理，提高运行模块的负载率可以提升系统实际的工作效率。

（二）开关节能的具体方法

如今，越来越多的行业开始广泛应用开关电源，其具体发展要求是，轻量化、小型化、高频化等。但是，随着开关电源的频率迅速提高，所产生的损耗也逐渐加大，因此需要考虑相关节能的方法。首先应该对开关电源的损耗进行系统的分析，要想达到上述发展要求，需要将开关电源的工作频率由低频转向高频。例如采用硬开关技术，这种技术损耗量小于线性电源采用串联电阻改变电压的方式，但随着工作频率的提高，相应的损耗依然会增加。其次，采用软开关技术，能有效提高开关电源的频率，也能降低开关电源的损耗，提高整体效率。软开关技术是使用电感谐振及电容，将变压器中的开关器件中电压按照准正弦规律进行变换，让开关管在电流为零的情况下立即关断，在电压为零的情况下立即开通的方法。最后，采用零开关技术，其主要在电路中增加电容或电感等相关储能元件，具体分为零电流、零电压开关。零电流开关指的是当开关管关断或开通的时候，让电流为零。零电压开关指的是当开关管关断或开通的时候，让电压为零。这样可以最大程度降低开关损耗，起到节能的作用。

二、现网设备节能的必要性

随着世界经济特别是发展中国家经济的快速发展，全球能源消耗总量不断攀升。根据全球能源机构统计，近些年来，全球能耗高达82%，造成二氧化碳排放量高达80%，远远超过预想的估计，因此，节能是现阶段的主要任务。如何采取有效的方法使现网设备最大程度的节能非常必要。能源的消耗一方面导致了温室效应和一系列的自然灾害，另一方面其与制造业、工业等成本的价格息息相关。所以，环境问题及气候变化问题成了人类面临的重要的挑战，全社会也越来越重视节能。从全球范围来看，通信行业与煤炭、有色、钢铁等行业相比，虽然不是能耗、排放问题最突出的行业。但一些数据显示，一些通信行业的能耗也很大，某些运营商在全国企业能耗排行榜中排名靠前。政府在国际组织上的节能承诺，社会、公众的重视形成对运营商的节能压力越来越大。由于全球资源价格持续上涨，新的市场逐渐开阔继而大大提高了网络的扩容性。而我国通信企业整体仍处于发展阶段，在增大网上运行设备容量的时候必然导致能耗需求也扩大，给运营商带来了长期的财务压力。为了应对气候及能耗的挑战，电信行业各主流运营商、设备商先后启动节能减排计划。近10年来已经取得了很大的进步，技术的进步与产品的更新换代使单位能耗持续下降，领先的运营商取得了超过50%的节约。

三、现网设备节能手段

（一）通信网络中基站设备节能

基站设备分基带、射频和馈线三部分，其中能源消耗量占首位的是射频部分，超过能源消耗量的百分之八十。但是，在射频部分中，功放耗能几乎占射频部分的一半，因此，提升基站设备能效的关键点就是提高功放效率。而提高功放效率的方式有多种，比如，有智能减压、智能匹配、新型高效功放等，但多载波技术是提高功放效率的最直接的办法之一。

（二）通信网络中站点节能

一般来说，通信网络的节能主要是站点的节能。站点的节能可以从两方面来分析：网络拓扑和网元。网络拓扑的节能就是通过减少站点来提升单位话务量能效。以下为通信领域中减少站点两个有效的手段：⑴规划网络，降低无效的系统开销，以最少的站点服务最多的用户来提高覆盖效率。⑵使用Transmitting Diversity、High Receive Sensitivity及 PBT等关键技术增加设备本身的覆盖半径提高，从而提升基站设备本身的覆盖能力。在现实中，将适宜的网络规划和较强覆盖能力的设备配合使用通常能大幅度实现广覆盖场景下四分之一以上的能源消耗节约，无疑不是一种进步。

（三）通信网络中新能源节能

减少碳排放最直接方法就是开发新能源。如：太阳能、核能、风能、潮汐能、生物能源等。企业减少碳排放的最有效途径就是选择无排放能源或者低排放能源。通常在一些边远地区，风能、光能资源比较丰富，可以根据当地气候因素建一些风、光能源的小型站点。这些新能源小型站点也可能在市电不稳定的城区作为补充能源使用。而对于这些偏远的小型站点来讲，通常面临的问题有以下三个方面：第一是引电困难；第二是电网公司引电价格可能过高；第三是小型站点本身的能耗不高，因此，通信运营商往往使用油机系统来解决能耗问题。

只有重视开关电源节能及现网设备节能的改造，才能有效的利用固有的能源材料，开创新的可再生能源。才能与环境和谐相处，共同促进社会经济的发展。继而带动了通信网络的节能开拓，发展新用户、开拓新市场。使用新领域的节能设计补充带网络建设的需求，减少开关电源、现设备带来的排放压力。同时设备厂商及运营需要积极的投入到可持续发展、高效节能的研究当中。

参考文献：

[1]郭忠银.一种绿色模式开关电源的研究与设计[D].南华大学，2010.

篇6

开关K 以一定的频率重复的接通或断开。在开关K 接通时，输入电源通过开关K 和滤波电路向负载提供能量；当开关K断开时，输入电源便中断了能量的供给。开关电源的示意图如图2-1所示。

为了使负载能够得到连续的能量，开关电源就必须有一套储能装置，以便在开关K 接通时将一部分能量储存起来，当开关K 断开后再将储存的能量提供给负载。图2-1中的电感L、电容C和二级管D 组成的电路就具有这样的功能。当开关K 接通时，电感L 用以储存能量，开关K 断开时，储存在电感L中的能量通过二级管D 释放给负载，从而使负载得到连续而又稳定的能量。

当电子开关K按一定的频率开关时，导通时间越长，输出电压越高；导通时间越短，输出电压越低。通常，开关电源就是这样在开关频率一定的情况下，通过调整开关时间的长短。控制输出电压的高低。目前，也有的开关电源采用开关时间长短恒定，通过改变开关频率来改变输出电压的高低。

图2-1 开关电源示意图

开关电源的形式有很多种，其中尤其以脉冲宽度调制型（PWM）最为盛行，现在就以此种形式的开关电源介绍以下开关电源的工作原理。

采用PWM技术的开关电源原理机构如图2-2所示，从电网将能量传递给负载的回路称为主回路，其余称为控制回路。

工频电网交流电压经过输入整流滤波电路，得到高波纹未调直流电压，在经功率转换电路，变换成符合要求的矩形波脉动电压，最后经过整流滤波电路将其平滑成连续的低波纹直流电压。

图2-2 PWM方式开关电源框图

控制回路在提供高压开关T管基极驱动脉冲的同时，需要完成输出电压稳压的控制，而且还必须能对电源或负载提供保护。它通常由检测比较放大电路、电压-脉冲宽度转换电路（V/W电路）、时钟震荡电路，以及自用电压源等基本电路构成。

对于PWM方式而言，将频率固定的震荡源称为时钟震荡器，这种电源利用检测电路反映输出电压值，通过和给定参考电压比较并产生误差信号，在经过V/W电路调制脉冲宽度——调节输出电压。例如，由于某种原因（负载电流减小或电网电压上升）使高频变压器副边输出电压的平均值增大，电源输出电压也将随之提高，反馈检测电路将提高了输出电压和基准电压进行比较，并产生负积极性的误差电压，V/W电路根据该误差电压及时减小输出脉宽，这样使输出电压平均值减小，接近原来的数值，从而实现稳压的作用。

开关电源的分类

在电子技术和应用飞速发展的今天, 对电子仪器和设备的要求是, 在性能上更加安全可靠, 在功能上不断增加, 在使用上自动化程度要越来越高, 在体积上日趋小型化。这使采用具有众多优点的开关电源就显得更加重要。所以, 开关电源在计算机、通信、航天、彩电等方面都得到了越来越广泛的应用, 发挥了巨大的作用, 这大大促进了开关电源的发展, 从事这方面研究和生产的人员也在不断地增加, 开关电源的品种和类型也越来越多。常见的开关电源的分类方法有下列几种:

1.按激励方式划分 分为他激式和自激式。他激式开关电源电路中专设激励信号振荡器；自激式开关功率管兼作振荡管。该形式的开关电源电路结构简单, 元器件少, 可以做成低成本的开关电源。

2.按调制方式划分 分为脉宽调制型、频率调整型和混合调整型。脉宽调制型保持振荡频率保持不变, 通过调节脉冲宽度来改变输出电压的大小；频率调整型保持占空比保持不变(脉冲宽度保持不变) , 通过改变振荡频率来改变输出电压大小；混合调整型是脉冲宽度和振荡频率均可进行调节的开关电源。

3．按开关管电流的工作方式划分 分开关型和谐振型。开关型用开关晶体管把直流变成高频标准方波, 其电路形式类似于他激式；谐振型用开关晶体管与LC谐振回路将直流变成标准正弦波, 其电路形式类似于自激式开关电源。

4．按开关晶体管的类型划分 分为晶体管型和可控硅型。晶体管型采用晶体管(包括场效应管)作为开关功率管；可控硅型采用可控硅作为开关功率管。这种电路的特点是直接输入交流电压, 不需要一次整流部分。

5．按储能电感与负载的连接方式划分 分串联型和并联型。串联型储能电感串联在输入与输出电压之间；并联型储能电感并联在输入与输出电压之间。

6．按晶体管的连接方法划分 分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式。单端式仅使用一个晶体管作为电路中的开关管。这种电路的特点是价格低、电路结构简单, 但输出功率不能提高；推挽式使用两个功率开关管, 将其连接成推挽功率放大器的形式。这种电路的特点是可以工作在电源电压较低的场合, 一般逆变器多采用这种形式的电路, 但它的缺点是开关变压器的初级必须具有中心抽头；半桥式使用两个功率开关管, 将其连接成半桥形式。它的特点是适应于输入电压较高的场合；全桥式使用四个功率开关管,将其连接成全桥的形式。它的特点是输出功率较大。

7．按电路结构划分 分为散件式和集成电路式。散件式整个开关电源电路都是采用分立式元器件组成的。这种电路的缺点是电路结构较为复杂；集成电路式整个开关电源电路或电路的一部分是由集成电路组成的。这种集成电路通常被称为厚膜电路,有的厚膜集成电路中包括功率开关管, 有的则不包括。这种形式的电源的特点是电路结构简单、调试方便、可靠性高。这种电路被广泛地应用于彩色电视中。

以上五花八门的开关电源品种都是站在不同的角度, 以开关电源不同的特点命名和划分的。不论是激励方法、输出直流电压的调节手段、储能电感的连接方法、功率开关管的器件种类以及串并联结构, 还是其他的电路形式,它们最后总可以归结为串联型和并联型开关电源这两大类[4]。

开关电源优缺点

开关电源的优点

1．功耗小、效率高 开关电源结构原理方框图中的晶体管在激励信号的驱动下,其工作状态处于导通—截止和截止—导通的开关状态,转换速度很快, 频率一般为50kHz左右。在一些技术先进的国家, 可以做到几百或者上千kHz。晶体管V饱和导通时,虽然电流较大,但管压降很小;截止断开时, 虽然管压降很大,但通过的电流几乎为零。这就使得开关晶体管V 在其整个工作过程中的功耗很小,电源的效率可以大幅度地提高。

2．体积小、重量轻 没有了笨重的工频降压变压器。由于调整管上的耗散功率大幅度地降低, 因而省去了体积和重量都较大的散热片。由于这两方面的原因, 故开关电源的体积小、重量轻。

3．稳压范围宽 开关电源的输出电压是通过激励信号的占空比来调节的, 输入电压的波动变化, 可以通过改变占空比的方式来进行补偿, 这样在输入电压变化或波动较大时, 它仍能保证有较稳定的输出电压。所以, 开关电源的稳压范围很宽, 稳压效果较好。此外,改变占空比的方法有脉宽调制型、频率调制型和混合调制型三种。这样开关电源不仅具有稳压范围宽的优点, 而且实现稳压的方法也较多较灵活,设计人员可以根据实际应用的需要和要求, 灵活选用各种形式的稳压方法。

4．滤波效率高,不需要较大容量的滤波电容 开关电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz 左右, 是线性电源的1000倍, 这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。就是采 用半波整流后加电容滤波, 效率也提高了500倍。在相同波纹输出电压的要求下,采用开关电源时, 滤波电容的容量只是线性电源中滤波电容容量的1/500～1/1000。滤波电容容量

减小以后, 整个电源的体积和重量也相应地有所减小。

5．电路形式灵活多样 例如：有自激式和他激式；有调宽型和调频型; 有单端式和双端式; 有开关元件为晶体管式和开关元件为可控硅式等等。设计者可以发挥各种类型电路的特长, 设计出能满足各种不同应用场合的开关电源。

开关电源的缺点

开关电源最为突出的缺点就是开关干扰较为严重。开关电源中的开关功率管是工作在开关状态下, 它产生的交流电压和电流会通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰, 这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除、屏蔽和隔离,就会严重地影响整机的正常工作。此外, 由于开关电源中没有了工频降压变压器的隔离, 振荡器所产生的高频干扰如果不加以消除, 就会串入工频电网, 使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。

目前,由于国内微电子技术、阻容器件生产技术以及磁性材料技术与

一些技术先进的国家还有一定的差距, 因此开关电源的造价不能进一步降低, 也影响到可靠性的进一步提高。所以, 在我国的电子仪器以及机电一体化仪器中, 开关电源还不能得到普及使用。特别是无工频变压器开关电源中的高压电容、高反压大功率开关管、开关变压器的磁性材料等元件,我国还处于研究和开发阶段。一些先进的国家,虽然有了一定的发展,但是在实际应用中还存在一些问题, 不能令人十分满意。这就暴露出了开关电源的又一个缺点, 那就是电路结构复杂、故障率高、维修麻烦、成本高。对此, 如果设计者和制造者不予以充分重视,则会直接影响开关稳压电源的推广应用。

软开关技术简介

硬开关与软开关

现代电力电子装置的发展趋势是小型化、轻量化，同时对装置的效率和电磁兼容性也提出了更高的要求。通常，滤波电感、电容和变压器在装置的体积和重量中占很大比例。因此必须设法降低他们的体积和重量，才能达到装置的小型化、轻量化。从“电路”的有关知识中可以知道，提高工作频率可以减少变压器各绕组间的匝数，并减小铁心的体积，从而使变压器小型化。因此装置小型化、轻量化的直接途径就是电路的高频化。但在提高开关频率的同时，开关损耗也会随之增加，电路效率严重下降，电磁干扰也增大了，所以简单的提高开关频率是不行的。

（a）硬开关的开通过程（b）硬开关的关断过程

图 2-3 硬开关的开关过程

针对这些问题出现了软开关技术，他利用以谐振为住的辅助换流手段，解决了电路中的开关损耗和开关噪声问题，使开关频率可以大幅度提高。

在很多电路中，开关元件在电压很高或电流很大的条件下，在门极的控制下开通或关断，起典型的开关过程如图2-3所示。开关过程中电压、

电流均不为零，出现了重叠，因此导致了开关损耗。而且电压和电流的变化很快，波形出现了明显的过冲，这导致了开关噪声的产生。具有这样的开关过程的开关称为硬开关。

在硬开关过程中会产生较大的开关损耗和开关噪声。开关损耗随着频率的增加，使电路效率下降，阻碍了开关频率的提高；开关噪声给电路带来严重的电磁干扰问题，影响周边电子设备的工作。

通过在原来的开关电路中增加很小的电感，电容等谐振元件，构成辅助换流网络，在开关过程中引入谐振过程，开关开通前电压降为零，或关断前电流降为零，就可以消除开关过程中电压、电流的重叠，降低他们的变化率，从而大大减小甚至消除损耗和开关噪声，这样的电路称为软开关电路。软开关电路中典型的开关过程如图2-4所示。具有这样开关过程的开关称为软开关。开关损耗理论上为零[5]。

（a）软开关的开通过程 （b）软开关的关断过程

图2-4软开关的开关过程

软开关的分类

根据电路中主要开关元件是零电压开通还是零电流关断，可以将软开关电路零电压电路和零电流电路两大类。通常，一种开关电路要么属于零电压电路，要么属于零电流电路。但在有些情况下，电路中有多个开关，有些开关工作在零电压的条件下，而另一些开关工作在零电流的条件下。

根据软开关技术的发展历程可以将软开关电路分成准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路。下面分别介绍上述三类软开关电路。

1.准谐振电路

这是最早出现的软开关电路，其中有些现在还在大量使用。准谐振电路可分为

(1)零电压开关准谐振电路；

(2)零电流开关准谐振电路；

(3)零电压开关多谐振电路；

(4)用于逆变器的谐振直流环电路。

2.零开关PWM电路

这类电路中引入了辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生与开关过程前后。零开关PWM电路可以分为

1）零电压开关PWM电路；

2) 零电流开关PWM电路和准谐振电路相比，这类电路有很多明显的优势：电压和电流基本上是方波，只是上升沿和下降沿较缓，开关承受的电压明显降低，电路可以采用开关频率固定的PWM控制方式。[5]这两种电路的基本开关单元如图2-5。

(a) 零电压开关PWM基本开关单元 (b) 零电流开关PWM基本单元

图2-5 零开关PWM电路的基本开关单元

3.零转换PWM电路

这类软开关电路还是采用辅助开关控制谐振时刻的开始时刻，所不同的是，谐振电路是与主开关并联的，因此输入电压和负载电流对电路谐振过程的影响很小，电路在很宽的输入电压输入范围内并从零负载到满载都能工作在软开关状态。而且电路中无功功率的交换被削减到最小，使这种电路的效率进一步提高。

零转换电路可分为：

(1)零电压转换PWM电路；

(2)零电流转换PWM电路。

基本开关单元如图2-6。

(a) ZVT PWM开关单元 (b)ZCT PWM 开关单元

图2-6 零转换PWM电路的基本开关单元

篇7

Abstract： With the development of power electronic technology， higher requirements have been put forward for the design of LED switching power supply： safety performance， complete function， automation， small size. In LED switching power supply， the switch tube is working in on-off state， which will produce strong peaks and harmonic interference through its components. Electromagnetic interference will seriously affect the performance of the circuit， and at the same time can cause noise pollution. Aiming at this problem， EMI filter is proposed， which has greatly improved the performance of the circuit. And the effectiveness of the scheme is verified by experiment.

关键词：EMI滤波器；电磁干扰；LED的开关电源

Key words： EMI filter；electromagnetic interference；LED switching power supply

中图分类号：TN713 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）18-0133-02

0 引言

LED的开关电源已经被广泛的应用于家用电器、自动控制电路、计算机等领域，由于其具有效率高、体积小、重量轻、智能化、稳压范围较宽等优势。LED的开关电源具有与生俱来的比较强的电磁干扰现象，这些干扰会随着频率的升高而显著的增强，电磁干扰会严重影响电源的正常工作，会造成电源内部工作的不稳定，使电源性能下降，同时产生的噪声会造成噪声污染。为了抑制LED电源的噪声干扰，此处提出了电磁兼容性设计，很好的解决了噪声污染的问题。

1 电磁干扰分析

电磁兼容性是用来衡量电磁干扰的能力，指的是在电磁环境中，能正常工作，不受外界环境的干扰，也不会影响中卫环境的能力。其包括两个方面的含义，即系统产生的电磁干扰，不影响本身和其他系统的性能；本系统的抗干扰能力要使其不受其他系统干扰和影响。电磁兼容性不足就会引起电磁干扰，为了使LED电源发挥更大的优势，就必须改善电源的电磁兼容的性能。差模、共模干扰是电磁干扰的两种不同类型。两条电源线之间的电磁干扰，通常被称之为差模干扰，差模干扰受干扰的信号两根进线上的参考点方向相反，大小相同。电源线对大地之间的电磁干扰，通常被称之为共模干扰，共模干扰受干扰的信号电源线对大地的参考点方向相同，大小也相同。高频开关电源中电磁干扰主要是由于外部的高次谐波和内部的噪声干扰所引起的。只有解决好这两方面的电磁干扰，才能使得开关电源正常的工作。文章当中采用EMI滤波器来解决此问题。

6 结语

对LED开关电源中电磁干扰进行了分析，介绍了EMI滤波器的原理，在此基础上，给出了电磁兼容的设计和相应的实验结果。证明了EMI滤波器对于设计LED开关电源的重要性，很好的解决了噪声污染的问题。

参考文献：

[1]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2005：109-180.

[2]Rxu，J.Wei，and F.C.Lee.The Active-Clamp Couple-Buck Converter-A Novel High Efficiency Voltage Regulator Modules[J].IEEE APEC， 2001： 252-257.

[3]何宏，魏克新，王红君，李丽.开关电源电磁兼容性[M].北京：国防工业出版社，2008：116.

篇8

关键词： 开关电源； 单端反激； 高频变压器； 双反馈

中图分类号： TN702?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）14?0162?04

Design of multi?channel switching power supply with single?ended flyback

HU Zhi?qiang 1， WANG Gai?yun1， WANG Yuan 2

（1. Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China；2. Shandong Huayu Vocational College， Dezhou 253034， China）

Abstract： A TOP223Y?based switching power supply with multi?channel output single?end flyback AC/DC module was designed. Peripheral circuits are analyzed by TOP Switch series single?chip switching power supply chip and the feedback system composed of TL431 and PC817A. The AC/DC switching power supply whose voltage stabilization adjusting weight is 0.6 and 0.4 with the outputs of +5V/3A and +12V/1A was designed. The experimental results show that the switching power supply has high efficiency， small ripple， high output accuracy and high stability.

Keywords： switching power supply； single?ended flyback； high?frequency transformer； double feedback

单片开关电源自问世以来，以其效率高，体积小，集成度高，功能稳定等特点迅速在中小功率精密稳压电源领域占据重要地位。美国PI公司的TOPSwitch系列器件即是一种新型三端离线式单片高频开关电源芯片，开关频率fs高达100 kHz，此芯片将PWM控制器、高耐压功率MOSFET、保护电路等高度集成，连接少许器件即可使用[1?2]。本文介绍了一种基于TOP223Y输出为+5 V/3 A，+12 V/1 A的单端反激式开关电源的设计原理和方法。

1 设计原理

开关电源是涉及众多学科的一门应用领域，通过控制功率开关器件的开通与关闭调节脉宽调制占空比达到稳定输出的目的，能够实现AC/DC或者DC/DC转换。

TOP223Y共三个端：控制极C、源极S、漏极D。因只有漏极D用作脉宽调制功率控制输出，故称单端；高频变压器在功率开关导通时只是将能量存储在初级绕组中，起到电感的作用，在功率开关关闭时才将能量传递给次级绕组，起变压作用，故称反激式[1]。

图1 开关电源控制原理框图

电路功能部分主要由输入/输出整流滤波、功率变换、反馈电路组成。工作原理简述为：220 V市电交流经过整流滤波得到直流电压，再经TOP223Y脉宽调制和高频变压器DC?AC变换得到高频矩形波电压，最后经输出整流滤波得到品质优良的直流电压，同时反馈回路通过对输出电压的采样、比较和放大处理，将得到的电流信号输入到TOP223Y的控制端C，控制占空比调节输出，使输出电压稳定。

2 设计要求

设计作为某智能仪器的供电电源，具体的参数要求如下：交流输入电压最小值：VACMIN=85 V；交流输入电压最大值：VACMAX=265 V；输出：U1：+5 V/3 A；U2：+12 V/1 A；输出功率：Po=27 W；偏置电压：VB=12 V；电网频率fL=50 Hz；开关频率fs=100 kHz；纹波电压：小于100 mV；电源效率：η大于80%；损耗分配因数Z为0.5；功率因数为0.5。

3 设计实例

本设计是基于TOP223Y的多路单端反激式开关电源，性能优越，便于集成。电路原理如图2所示，可分为输入保护电路、输入整流滤波电路、钳位保护电路、高频变压器、输出整流滤波电路、反馈回路、控制电路7个部分。

图2 开关电源电路原理图

3.1 输入保护电路

由保险丝F1、热敏电阻RT和压敏电阻RV组成，对输入端进行过电压、过电流保护。

保险丝F1用于当线路出现故障产生过电流时切断电路，保护电路元器件不被损坏，其额定电流IF1按照IF1>2IACRMS选择3 A/250 VAC保险丝，其中IACRMS为原边有效电流值。热敏电阻RT用以吸收开机浪涌电流，避免瞬间电流过大，对整流二极管和保险丝带来冲击，造成损坏，加入热敏电阻可以有效提高电源设计的安全系数，其阻值按照RRT1>0.014VACMAX/IACRMS选择10D?11（10 Ω/2.4 A）。压敏电阻RV能在断开交流输入时提供放电通路，以防止大电流冲击，同时对冲击电压也有较好钳位作用。RV选取MY31?270/3，标称值为220 V。

3.2 输入整流滤波电路

由EMI滤波电路、整流电路、稳压电路组成。

EMI滤波电路针对来自电网噪声干扰。采用由L1，CX1，CX2，CY1，CY2构成典型的Π型滤波器。

CX1和CX2用来滤除来自电网的差模干扰，称为X电容，通常取值100～220 nF，这里取100 μF；CY1和CY2用来滤除来自电网的共模干扰，称为Y电容，通常取值为1～4.7 nF，这里取2.2 nF；同样用来消除共模干扰的共模电感L1的取值8～33 mH，这里取8 mH，采取双线并绕。

输入整流电路选择不可控全波整流桥。整流桥的反向耐压值应大于1.25倍的最大直流输入电压，整流桥的额定电流应大于两倍的交流输入的有效值，计算后选择反向击穿电压为560 V，额定电流为3 A的KBP306整流桥。

在当前的供电条件下，输入储能电容器CIN的值根据输出功率按照2～3 μF/W来取值，考虑余量，取CIN=100 μF/400 V的电解电容。假设整流桥中二极管导通时间为tc=3 ms，可由：

（1）

（2）

得到输入直流电压的最小值和最大值。

3.3 钳位保护电路

当功率开关关断时，由于漏感的影响，高频变压器的初级绕组上会产生反射电压和尖峰电压，这些电压会直接施加在TOPSwitch芯片的漏极上，不加保护极容易使功率开关MOSFET烧坏。加入由R1、C2和VD1组成经典的RCD钳位保护电路，则可以有效地吸收尖峰冲击将漏极电压钳位在200 V左右，保护芯片不受损坏。推荐钳位电阻R1取27 kΩ/2 W，VD1钳位阻断二极管快恢复二极管耐压800 V的FR106，钳位电容选取22 nF/600 V的CBB电容。

3.4 高频变压器

3.4.1 磁芯的选择

磁芯是制造高频变压器的重要组成，设计时合理、正确地选择磁芯材料、参数、结构，对变压器的使用性能和可靠性，将产生至关重要的影响。高频变压器磁芯只工作在磁滞回线的第一象限。在开关管导通时只储存能量，而在截止时向负载传递能量。因为开关频率为100 kHz，属于比较高的类型，所以选择材料时选择在此频率下效率较高的铁氧体，由：

（3）

估算磁芯有效截面积为0.71 cm2，根据计算出的考虑到阈量，查阅磁芯手册，选取EE2825，其磁芯长度A=28 mm，有效截面积SJ=0.869 cm2，有效磁路长度L=5.77 cm，磁芯的等效电感AL=3.3 μH/匝2，骨架宽度Bw=9.60 mm。

3.4.2 初级线圈的参数[3]

（1）最大占空比。根据式（1），代入数据：宽范围输入时，次级反射到初级的反射电压VoR取135 V，查阅TOP223Y数据手册知MOSFET导通时的漏极至源极的电压VDS=10 V，则：

（4）

（2）设置。KRP=，其中IR为初级纹波电流；IP为初级峰值电流；KRP用以表征开关电源的工作模式（连续、非连续）。连续模式时KRP小于1，非连续模式KRP大于1。对于KRP的选取，一般由最小值选起，即当电网入电压为100 VAC/115 VAC或者通用输入时，KRP=0.4；当电网输入电压为230 VAC时，取KRP=0.6。当选取的KRP较小时，可以选用小功率的功率开关，但高频变压器体积相对要大，反之，当选取的KRP较大时，高频变压器体积相对较小，但需要较大功率的功率开关。对于KRP的选取需要根据实际不断调整取最佳。

（3）初级线圈的电流

初级平均输入电流值（单位：A）：

（5）

初级峰值电流值（单位：A）：

（6）

初级脉动（纹波）电流值（单位：A）：

初级有效电流值（均方根值RMS（单位：A））：

（7）

查阅手册，由：

（8）

可知，选取合适。TOPSwitch器件的选择遵循的原则是选择功率容量足够的最小的型号。

（4）变压器初级电感

（9）

（5）气隙长度

（10）

Lg>0.051 mm，参数合适，μy为常数4π×10?7 H/m。

3.4.3 初级次级绕组匝数[4]

当电网电压为230 V和通用输入220 V时：每伏特取0.6匝，即KNS=0.6。由于输出侧采用较大功率的肖特基二极管用作输出整流二极管，因此VD取0.7 V，磁芯的最大工作磁通密度在BM在2 000～3 000 GS范围内。偏置二极管VDB的压降取0.7 V，偏置电压VB取12 V。

初级绕组匝数：

（10）

次级绕组匝数：

（11）

（12）

偏置绕组匝数：

（13）

3.5 输出整流滤波电路

由整流二极管、滤波电容和平波电感组成。将次级绕组的高频方波电压转变成脉动的直流电压，再通过输出滤波电路滤除高频纹波，使输出端获得稳定的直流电压。肖特基二极管正向导通损耗小、反向恢复时问短，在降低反向恢复损耗以及消除输出电压中的纹波方面有明显的性能优势，所以选用肖特基二极管作为整流二极管，参数根据最大反向峰值电压VR选择，同时二极管的额定电流应该至少为最大输出电流的3～5倍。次级绕组的反向峰值电压VSM为：

（14）

（15）

式中：VS为次级绕组的输出电压；VACMAX为输入交流电压最大值，则：

（16）

（17）

则VR1=22 V，VR2=57.1 V，VD2，VD3，VD4均选择MBR1060CT，最大反向电压60 V，最大整流电流10 A。RC串联谐振可以消除尖峰脉冲，防止二极管击穿。

第一级滤波电容的选择由式（18）确定：

（18）

式中：Iout是输出端的额定电流，单位为A；Dmin是在高输入电压和轻载下所估计的最小占空比（估计值为0.3）；V（PK?PK）是最大的输出电压纹波峰峰值，单位为mV。计算得出后考虑阈值C6取100 μF/10 V，C8取220 μF/35 V。

第二级经LC滤波使不满足纹波要求的电压再次滤波。输出滤波电容器不仅要考虑输出纹波电压是否可以满足要求，还要考虑抑制负载电流的变化，在这里可以选择C7取22 μF/10 V，C9取10 μF/35 V。C5取经验值0.1 μF/25 V。输出滤波电感根据经验取2.2～4.7 μH，采用3.3 μH的穿心电感，能主动抑制开关噪声的产生。为减少共模干扰，在输出的地与高压侧的地之间接共模抑制电容C15。

3.6 反馈回路设计

开关电源的反馈电路有四种类型：基本反馈电路、改进型基本反馈电路、配稳压管的光耦反馈电路、配TL431的光耦反馈电路。本设计采用电压调整率精度高的可调式精密并联稳压器TL431加线形光耦PC817A构成反馈回路。

TL431通过电路取样电阻来检测输出电压的变化量ΔU，然后将采样电压送入TL431的输入控制端，与TL431的2.5 V参考电压进行比较，输出电压UK也发生相应变化，从而使线性光电耦合器中的发光二极管工作电流发生线性变化，光电耦合器输出电流。

经过光电耦合器和TL431组成的外部误差放大器，调节TOP223Y控制端C的电流IC，调整占空比D（IC与D成反比），从而使输出电压变化，达到稳定输出电压的目的。

对于电路中的反馈部分，开关电源反馈电路仅从一路输出回路引出反馈信号，其余未加反馈电路。这样，当5 V输出的负载电流发生变化时，定会影响12 V输出的稳定性。

解决方法是给12 V输出也增加反馈电路。另外，电路中C10为TL431的频率补偿电容，可以提高TL431的瞬态频率响应。R5为光电耦合器的限流电阻，R5的大小决定控制环路的增益。电容器C13为软启动电容器，可以消除刚启动电源时芯片产生的电压过冲。

下面主要是确定R4～R8的值：

按照应用要求，对5 V电源要求较高，但也要兼顾12 V电源，权衡反馈量，将R7，R8的反馈权值均设置为0.6，0.4，各个输出的稳定性均得到保障和提高。

只有5 V输出有反馈时，如R4，R7取值均为10 kΩ，此时电流=250 μA，分权后，R7分得150 μA、R8分得150 μA。根据TL431的特性知，Vo，VREF，R7，R8，R4之间存在以下关系：

（19）

（20）

式中：VREF为TL431参考端电压，为2.5 V；Vo为TL431输出电压。根据电流分配关系得（单位：kΩ）：

（21）

（22）

又由电路可知 ：

（23）

式中：VF 为光耦二极管的正向压降，由PC817技术手册知，典型值为1.2 V。先取R5=390 Ω，可得R6=139 Ω，取标称值150 Ω。

3.7 控制回路

由电容C7和电阻R12串联组成。C9用来滤除控制端的尖峰电压并决定自动重启动时序，并和R12一起设定控制环路的主极点为反馈控制回路进行环路补偿。由数据手册知，C9选择47 μF/25 V的电解电容，当C9 =47 μF时，自动重启频率为1.2 Hz，即每隔0.83 s检测一次调节失控故障是否已经被排除，若确认已被排除，就自动重启开关电源恢复正常工作[1]。R12取6.2 Ω。

4 实验结果及分析

根据以上的设计方法和规范，设计出的一种基于TOP223Y双路+5 V/3 A，+12 V/1 A输出的反激式开关电源。在宽范围85～265 VAC的输入范围下对其性能进行了测试，如表1所示。

表1 开关电源输入性能测试数据（部分）

由以上选取的实验数据得出，+5 V/3 A（反馈权重0.6，负载500 Ω）输出的电压调整率为SV = ±0.18%，输出的纹波电压为39 mV，输出的最大电流为3.2 A；

+12 V/1 A（反馈权重0.4，负载750 Ω）输出的电压调整率为SV = ±0. 3%，输出的纹波电压为68 mV，输出的最大电流为1.10 A。

该电源在满载状态时，功率可达27.6 W，最大占空比为0.60， 电源效率为83.1%，开关电源具有良好的性能，满足应用要求。

6 结 语

本开关电源的设计，芯片的高度集成化，电路设计简单。电源的性能通过参数的调节仍有提升的空间。双输出双反馈异权重的设计使开关电源的更加实用灵活，不同的保护电路的设计，使电源的实用更加安全可靠，该电源在实际应用中表现良好。

参考文献

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篇9

关键词：电源开关 并联 供电

中图分类号：TN710 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）09-0099-01

在诸如计算机服务器、通信基塔、空间站等要求大功率、高效安全可靠、不间断供电的电源系统场合，假如使用单个开关电源模块供电，那么开关电源模块主电路需要处理非常大的功率，所承受的电应力大，这给主电路功率器件的选择、开关频率和功率密度的提供造成了不便，并且一旦开关电源模块发生故障，则将可能造成整个电源系统崩溃。采用多个开关电源模块并联运行，来提高输出功率，以减轻单个电源模块的负担，是目前开关电源系统发展的一个方向。

多个开关电源模块并联运行虽然提高了可靠性，并能实现电路模块标准化等优点，但是并联工作的各个电源模块特性不可能完全一样，若不采取处理可能会影响其中的模块承受较大的输出电流，引起分配电流不均，导致该模块甚至整个电源系统的故障。因此，在多模块并联运行系统中必须引入有效的均流控制策略，从而使各模块均匀地承担负载功率，提高系统的可靠性。

1 DC-DC模块设计方法及实现方案

本系统实验电路采用TI公司的开关降压转换集成芯片TPS5430构成DC-DC主电路，TPS5430内部集成PWM产生电路、高位场效应管驱动电路以及110m欧低导通电阻的NMOS开关管，效率高达95%，输出电流最高可达到3A，有较宽的输出电压范围。TPS5430固定500KHz开关频率，因此可采用较小的滤波电容、电感消除纹波。同时，TPS5430集成度高，只需要配合少量元器件（自举电容、起储能与滤波作用的电感与电容、反馈电阻），构成BUCK电路，即可高效、精确、稳定地得到输出电压，单电源模块应用原理图如图1所示。

（1）二极管的选取。为了达到高效率，要使用压降小并且恢复速度快的续流二极管D1。普通的二极管，正向压降比较大，同时，由于开关管高速地在导通与截止状态之间转换，普通二极管反应速度不够快，二极管会大量发热并且使TPS5430的输出波形也会受到影响，整个系统的效率很低。

（2）输出滤波器的选择。电感L1和电容C1是DC-DC输出滤波器的关键，它们共同担负着储能与滤波的作用。在设计输出滤波器时，可以选择一阶LC滤波器或二阶甚至更高阶LC滤波器，但兼顾到对效率及纹波的要求，可选择低阶滤波，以降低滤波器的消耗。由于TPS5430开关管的工作频率为500KHz，频率较高，故对电容电感的选择已经较为苛刻。

2 均流控制方法及实现方案

主从均流法、输出阻抗法、最大电流自动均流法、平均电流自动均流法和外加均流控制器法等是目前开关电源并联供电系统常用的均流方法，其中最大电流自动均流法具有均流精度高、负载调整率高、动态响应好、易于实现冗余的特点而得到广泛应用。负载共享控制器UCC39002设计原理是根据最大电流自动均流法设计，它控制多个独立电源或者DC/DC模块并联供电自动均流的理想选择。

在本系统实验电路中，使用两片UCC39002实现均流控制。在DC-DC模块正常工作时，将两路UCC39002的均流母线LS连接，根据UCC39002均流原理，UCC39002将会自动选出电流最大的一路，并将最大的一路电源作为主电源，此路UCC29002内部的三极管截止，即没有电流流入其ADJ脚，故该路中只是反馈线上比无UCC39002时多了一个小电阻R4。而电流较小的另一路电源成为从电源，均流母线上的电压将由主电源的输出电流决定，从电源的UCC39002接收到母线上的信号后，会控制从电源DC-DC模块稍稍提高输出电压，具体工作原理是，从电源UCC29002内部三极管导通，此三极管发射极有一个500Ω电阻到地，此时通过该三极管的电流即为/500，有此附加电流流过R4后，A点电压下降，从而B点基准电压也下降，而不再是1.22V，此时为了使恢复到1.22V，TPS5430将增加PWM脉冲宽度，增加V从而提高该路电流输出，减小与主电源的电压差，通过减小从电源与主电源的电压差来提高该路输出电流，从而达到均流。

3 过流保护故障与自动恢复方法及实现方案

在本系统实验电路中，采用硬件电路实现。当开关电源的输出电流超过规定值时，利用电阻采样转换为电压与可预置的基准电压比较后，控制TPS5430的开关频率输出使能端ENA，也可设计为控制继电器断开负载，起到保护作用。为了实现自动恢复功能，本系统设计了单稳态触发延时电路，每次触发后系统停止工作可预值时间后，继续检测过流故障是否已经被排除。如果过流故障排除，系统自动恢复。

4 结论

根据所设计的实验电路，我们试制了实验样机，通过实验数据测试与分析，调整实验负载电阻至额定输出功率为32W工作状态下，供电系统的直流输出电压V维持在8.0±0.28V之间，纹波电压峰峰值在30mV左右，供电系统的效率高达93.6%，调整负载电阻至额定电流值范围内的任意输出电流值，两个电源模块的输出电流的相对误差绝对值小于3.2%，均流效果非常好，同时该系统集成性高，电路结构简单，所用器件少，还不易发热，保证了整个系统高效、稳定、可靠的运行。

参考文献：

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工作原理

高斯贝尔GSR-VD33数字卫星接收机电源为典型的自激式开关电源，220V交流市电经保险管和由L1、C1组成的抗干扰抑制电路，滤除电网中干扰信号后通过VD1-VD4整流、E1滤波得到约300V直流电压。300V直流电压一路经开关变压器B1初级绕组①-②加至开关管VQ5（BUT11A）的集电极，另一路通过启动电阻R1加到VQ5基极，使VQ5导通。VQ5导通后，VQ5集电极电流在B1初级绕组①-②上产生感应电压，由于绕组间的电磁耦合，B1反馈绕组③-④产生感应电压，感应电压经VD6、R5加到VQ5基极，使VQ5迅速进入饱和导通状态，在此期间，C4被充电，随着C4两端充电电压的不断升高，反馈电流逐渐减小，直至VQ5基极电位降至关断值，使VQ5关断截止。在VQ5截止期间，C4经R5放电，当C4放电达一定程度，C4两端电压不足以使VQ5保持截止状态，启动电压经R1加至VQ5基极，VQ5又进入导通状态，如此循环，形成开关电源的振荡过程。在开关电源循环振荡过程中，开关变压器次级各绕组输出交流电压，分别经整流、滤波、稳压等电路处理后，得到不同的稳定电压为主板各功能电路提供电源。

该开关电源稳压调节电路主要由IC1（4N35）、IC2（TL431）和VQ3（9013）等组成，当由于某种原因引起输出电压升高时，3.3V输出电压随之升高，取样电路将这一升高的变化量送到电流比较放大器IC2的控制端R，经内部电路比较放大，输出端K电压下降，IC1内部发光二极管电流增大，发光管亮度增强，使VQ3导通程度加深，加快C4充放电速度，缩短VQ5导通时间，使开关电源输出电压下降。当某种原因引起输出电压下降时，稳压过程和上述相反。

C9、R2、VD5组成尖峰吸收电路，用于限制高频变压器漏感产生的尖峰电压，保护开关管。VQ2、R3组成过流保护电路，当VQ5电流增大时，R3两端压降也增大，最终使VQ2导通，分流VQ5基极正反馈电流，使VQ5集电极电流减小，对VQ5起到过流保护作用。

常见故障分析

1、通电后，立即烧保险。

此类故障应从市电输入端检查入手，用测电阻的方法很容易发现故障点。重点检查抗干扰电路中C1、滤波电路中的E1有无漏电，桥式整流电路中整流二极管VD1-VD4有无短路，VQ3、VQ5是否已击穿。

2、通电后，不烧保险，但无任何显示。

此故障一是由于300V电压未加入主变换电路，另一原因是主变换电路未工作。检修时先测量E1两端有无300V直流电压，若E1两端无300V电压，应检查L1、NTC是否断路。若E1两端有300V电压，而VQ5集电极无电压，则是开关变压器初级绕组①-②断路；若主变换电路未工作，则应检查相关振荡电路元件，重点检查启动电阻R1和C4是否已损坏等。