开关电源的设计与实现范文

导语：如何才能写好一篇开关电源的设计与实现，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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【关键字】 DC-DC变换器 LM5117 CSD18532KCS MOS场效应管

一、系统方案论证

开关电源方案采用LM5117用于高侧MOSFET的CSD18563以及用于低侧MOSFET的CSD18532 （X2）。该方案适用于高电压或各种输入电源的降压型稳压器应用。其控制方法采用仿真电流斜坡的电流模式控制。电流模式控制具有固有的输入电压前馈、逐周期电流限制和简化环路补偿的功能。使用仿真控制斜坡可降低脉宽调制电路对噪声的敏感度，有助于实现高输入电压应用所必需的极小占空比的可靠控制，同时不会影响输出纹波。

电流恒定控制采用场效应管CSD18532KCS构成压控恒流源，再由LM5117芯片控制DC-DC实现降压变换。该方案可以实现电压线控制电源，增加了执行效率提高恒流效果。拥有超低的QG、QGD、雪崩额定值和逻辑电平等优点，并且不会影响输出纹波，输出电流波动较小。本文的过流保护如图1所示，调整下MOS管Q2的源极电阻R14使输出电流≥3.1A时，电路进入打嗝模式，启动限流保护。

二、电路设计

LM5117包含一个双电平UVLO（欠压锁定）电路。当UVLO低于0.4V时，LM5117处于关断模式。关断比较器可提供100 MV的迟滞，以避免转换过程中的跳动（CHATTER）。当UVLO引脚的电压高于0.4V，但低于1.25V时，控制器处于待机模式。在待机状态下，VCC偏置稳压器被激活，而 HO和LO驱动器被禁用，SS引脚保持低电平。此功能允许通过一个集电极开路或漏极开路器件将 UVLO引脚拉至低于0.4V，以实现远程关断功能。当VCC引脚超过其欠压锁定阈值，且UVLO引脚电压高于1.25V时，HO和LO驱动器被启用，并开始正常运行。

此处直接选取13.5V电压能正常开机即可，根据UVLO=1.25V，这里选取电阻RUV2为91K，RUV1=10K，使得U=1.25*（91K+10K）/10K，即UIN>12.6V，此电路即可工作。

在MOS管导通的时间里，电感L会将通过的电流转换为磁能，把能量贮存起来。电容C将通过电感L的那部分电流转化为电荷贮存起来。在MOS管截止的时间里，电感L会产生反向电动势，将其输送给负载R并与续流二极管D组成回路，同时电容C将电荷转换成电流向负载供电。

三、系统测试

为了减少误差，测试方案采用，多次重复测试的方法进行。测量电路点如图2所示（3、4、5、6、7为测量点）：

额定输入电压下，产品主要做了以下5组测试，测试结果如表1所示：

由表1可知：

①|？UO|在0.01～0.03V之间，符合|？UO|=|5V-UO| ≤100MV的设计要求；

②IOMAX在3.00～3.01之间，符合额定输入电压下，最大输出电流：IO≥3A的设计要求；

③输出噪声纹波电压峰峰值UOPP在32MV～40 MV之间。符合UOPP≤50MV（UIN=16V，IO=IOMAX）的设计要求；

参 考 文 献

[1]侯振义.直流开关电源技术及应用[M].北京：电子工业出版社.2015，P17-39.

[2]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].电子工业出版社，2011，P35-58.

[3]王水平，付敏江.开关稳压电源.原理、设计与实用电路.[M]西安：西安电子科技大学出版社，2009，P127-136.

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关键词：直流稳压电源 线性电源 开关电源 基本类型

一、线性直流稳压电源

（一）晶体管串联式直流稳压电源。其在线性放大状态工作，具备反应快，电压稳定度高，负载稳定度高，输出纹波电压小，噪声较小等特点。针对电路技术而言，其控制电路使用元件较少。针对调整管的开关特性，滤波器的高频性能等要求较少，因此可靠性较高。其最大缺点是工作效率较低。只能通过降低调整管上的压降，减少调整管上的损耗来提高效率。具体解决策略为：一是PNP和NPN晶体管互补：串联式稳压电源输出电源电流较大时，通常调整管都要接成共集电极的达林顿组合管。因为在晶体管电参数相同情况下在保持电流放大倍数相等的情况下，互补连接的组合调整管的集射极压降减少了，因而电源的效率得到提高；二是偏置法：一般共集电极组合管集射间的压降一定程度上取决偏置电流。采用偏置连接法当输出电流一定时可以有效的提高电源效率；三是开关稳压器作前置予调节：在输入-输出电压差比较大，输出电流也比较大的场合，采用开关稳压器作串联式稳压器的前置予调节也是提高电源效率的有效办法。开关予调节还可以设置在电源变压器的原边。

（二）集成线性稳压器。集成稳压器在早期市场上应用较多，产量较大，主要分为半导体单片式集成稳压器、混合式集成稳压器两类。两类集成稳压器的电路形式、封装、电压、电流规格各不相同。集成稳压器分为定电压、可调、跟踪、浮动集成稳压器多种。然而无论何种形式，其大都由基准电压源、比较放大器、调整元件即功率晶体三极管和某种形式的限流电路组成。部分集成稳压器内部还有逻辑关闭电路和热截止电路。集成稳压器与由分立元件组成的稳压器比较，集成稳压器的优点非常明显，成本低，体积小，使用方便，性能好，可靠性高。

（三）恒流源网络稳压电源。恒流网络稳压是串联稳压电源的基本特点之一，其能够有效提高电源稳定性，在集成稳压器中应用较为广泛。分立元件组成的串联稳压器大都应用了恒流技术。应用晶体管场效应管与恒流二极管等元件能够实现恒流。恒流二极管在分立元件的串联稳压器中应用较为便利。

二、开关直流稳压电源

开关直流稳压电源主要指功率调整元件以“开、关”方式工作的直流稳压电源。早期的磁放大器开关直流稳压电源是利用铁芯的“饱和”、“非饱和”两种状态进行“开、关”控制，是一种低频磁放大器。此期间出现的可控硅相控整流稳压电源也属于开关直流稳压电源。之后，高频开关功率变换技术得以迅猛发展，出现了变换器方式的高频开关直流稳压电源。

（一）去除工频变压器。去除工频电源变压器而采用直接从电网整流输入方式，是开关电源减少体积和重量的重要举措之一。去除工频变压器已成为当代先进开关电源的基本特点。无工频变压器的开关电源与各种有工频变压器的直流稳压电源相比，其具有体积小、重量轻、效率高等优点。开关电源的电路形式已实现多种多样。从调制技术来看，其包括脉宽调制型、频率调制型、混合调制型几类，其中脉宽调制占绝大多数。目前出现了完全无变压器的开关电源，即连高频变换器都不需要。这种电源的最大特点是体积还可比现在的无工频变压器开关电源小的多，而且没有绕制的变压器等器件，能够集成电路工艺制作。

（二）提高开关电源频率。现代开关电源的最显著特点是开关频率不断提高，无论是晶体管开关电源、可控硅开关电源、场效应管开关电源，均在实现向高频化方向发展。随着功率IGBT和MOSFET的出现，开关电源的工作频率已从早期典型的20KHz逐步提高到兆赫范围甚至G赫范围。

（三）控制电路实现集成。早期开关电源的控制电路由分立元件构成，电路设计和调试维修都较为复杂，不利于开关电源的推广应用。为了适应开关电源的迅速发展，集成化的开关电源控制电路被研制成功，而且功能日益完善。开关电源控制电路集成化，极大地简化了开关电源的设计，提高了开关电源的电性能和可靠性，并且具有体积小、成本低等优点。

（四）关键元器件高频化。为适应开关电源快速发展需要，开关电源应用的主要元器件也在快速发展，高频化是其基本目标。开关电源中的开关元件-功率晶体管、可控硅、场效应管等均在提高工作频率上发挥着重要作用。特别是功率管IGBT复合管，MOSFET场效应管的出现，最为引人注目，其不仅把开关频率提高到1MHz-lGHz，并且具有开关特性好、驱动功率小、不存在二次击穿、避免热奔等特殊优点。此外，大电流肖特基势垒的出现极大地改善了低电压电流开关电源的整流效率，其具有开关速度快、反向恢复时间短，正向压降地等优点。在滤波过程中，电容器等器件也要在材料、结构工艺诸方面进行研制，以适应开关电源高频化需求。

（五）实现全数字化控制。开关电源的控制已从模拟控制，模数混合控制，发展为全数字控制阶段。全数字控制是未来的发展趋势所在，并且已在许多功率变换设备中得到广泛应用。然而，过去数字控制在DC/DC变换器中应用较少。近年来，开关电源的高性能全数字控制芯片已经逐步开发应用，欧美已有多家公司开发并制造出开关变换器的数字控制芯片及软件。全数字控制数字信号与混合模数信号相比能够标定更小量，芯片价格较低；针对电流检测误差能够实现精确数字校正，电压检测更为精准；能够实现快速灵活的控制设计等。

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关键词：开关电源 原理 发展趋势 控制方式

目前,电力系统应用的电源主要可以分为两部分,一是直流稳压电源和开关电源两种,从二者的性能来看,开关电源能量消耗低,产生的效率是普通线性稳压电源的1倍,因此,其普及度较高,是电子计算机、通讯、家电行业普遍采用的一种措施,本文就对开关电源的原理以及其发展趋势进行分析,促进实际工作的开展。

1、开关电源的发展

开关电源被业界誉为高效节能型电源,其是稳压电源的发展方向,目前已经成为稳压电源的代表产品,从其发展历程来看,其主要经历四个阶段,最早的分离元件组成的开关电源,相对而言,其频率低,效率差,电路复杂,难以调适,但其是开关电源发展的重要阶段;到上世纪70年代,脉宽调制器集成电路问世,提升了控制电路的工作效率;80年代单片开关稳压器出现,效率大大提升,但仍属于DC/DC电源变换器,直到多种类型的单片开关电源集成电路,实现了AC/DC电源变化器的集成。

2、高频开关电源电路原理分析

2.1 组成

高频开关电源主要由主电路和控制电路、检测电路、辅助电路组成,每一个环节担负着不同的责任。

2.1.1 主电路

其是从交流电输入,直流电输出,其中主要保留输入的滤液器,主要用于电网杂志的过来,同时对本机产生杂波也有一定的阻碍作用;电网交流电源直接整流为平滑的直流电,促进下级变换工作的开展;作为高频开关的核心组成,逆变是将整流后的直流电转为高频交流电,相对而言,频率越高,体积、重量与输出功率的比值越小;根据负载的需要,输出整流与滤液可以提供更加可靠的直流电源。

2.1.2 控制电路

所谓的控制电路就是从输出端取样,与固有的标准进行比较,实现逆变器的控制,改变其频率或者脉宽,实现输出稳定,同时,根据测试电路提供的数据,经过保护电路的鉴别,提供控制电路对整机进行各种保护措施。

2.1.3 检测电路

主要是为了保护电路运行中的参数,同时也可以提供各种显示仪表的数据。

2.1.4 辅助电源

为了满足单一线路对电源的不同需求。

2.2 开关控制的稳压原理

以一定的时间范围内重复的连接与断开,在接通时,输入电源通过开关与滤波电路提供负载,在开关接通过程中,电源向负载提供能量,在断开过程中,能量停止供给。由此我们发现,输入电源向负载提供能量是与开关的状态相关的,而要想负载得到持续的能量,就需要稳压电源自身有储能能力,在断开时释放储存的电能,保证正常运行,随着科学技术的发展,这一研究正在逐步成熟化,续流二极管的出现刚好验证了这一点。

3、开关电源的控制方式

目前,较为常见的开关电源控制方式主要可以分为以下几种:

3.1 脉冲宽度调制

这一控制方式周期保持不变,主要通过脉冲宽度的改变来实现占空比。

3.2 脉冲频率调制

与上一控制方式不同,这一控制措施的宽度保持不变,主要通过改变开关的工作频率来改变占空比,目前其应用较为普遍。

3.3 混合调制

在一些重大场合,一种方式无法满足其需求,必须采用以上两种方式才能实现其控制的目的,提高其控制效果。

4、开关电源未来的发展趋势

从上文的分析中我们已经认识到开关电源不断地创新,不断地发展,为电力系统的运行做出了不可替代的贡献,近年来,随着科学技术的不断发展,电力研究的逐渐深入,计算机技术的应用都在一定程度上提升了电源开关的工作效率。在1955年美国罗耶（GH.Roger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器,是实现高频转换控制电路的开端,到了1957年,美国查赛（Jen Sen)发明了自激式推挽双变压器,1964年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想,这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到1969年迎来了开关电源革命的一年,大功率晶体管的耐压程度获得了很大的提高,二极管的反向恢复时间大大缩短,25千赫的开关电源终于问世了,改变了开关电源的历史。

至今为止,开关电源以其小巧实用的优势被广泛的应用于以电子计算机为主导的多种电子设备中,是信息化社会发展的重要元件,从市场的组成来看,开关电源种类各异,样式多种,都以实用为主,但是从发展的角度来看,其频率仍有待完善。要想改变开关的频率就要从减少损耗的角度出发,减少能耗就要提高高速开关元件的质量,一旦开关速度提高,会受到电路中分布的电感和电容中的电荷影响产生噪声,影响周围电子设备的质量,大大降低电源自身的可靠性。为了阻止开关所产生的电压浪涌,可以采用R-C或L-C缓冲器,而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。不过,对1MHz以上的高频,要采用谐振电路,以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波,这样既可减少开关损耗,同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源的研究很活跃,因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零,而且噪声也小,可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前,世界上许多国家都在致力于数兆Hz的变换器的实用化研究。

目前,中小功率的开关电源被广泛的应用于家电中,成为开关电源的另一发展方向,单片开关电源,效率显著提升,被迅速的发展与应用,满足了人们对高性价比电源的追求目标。

参考文献

[1]郭宇恒.固定关断时间电流检测型降压电路设计[D].电子科技大学,2011.

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1 开关电源的发展过程

开关电源是利用现代电力电子技术，采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关晶体管开通和关断的时间比率（占空比），调整输出电压，维持输出稳定的一种电源。早在20世纪80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机电源换代，进入90年代开关电源已广泛应用在各种电子、电器设备，程控交换机、通讯、电力检测设备电源和控制设备电源之中。开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，两者的成本都随着输出功率的增加而增长，但两者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使的开关电源技术也不断的创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，从而为开关电源提供了广阔的发展空间。

开关电源高频化使其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源更进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

2 开关电源技术的发展趋势

开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各在开关电源制造商都致力同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体（Mn-Zn）材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（Bs）下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。对联高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。

模块化是开关电源发展的总体趋势，可以用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N+1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化，其噪声也必将随着增大，而用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，使得多项技术得以实用化。电力电子技术的不断创新，开关电源产业有着广阔的发展前景。要加快我国开关电源产业的发展速度就必须走技术创新之路，走出有中国特色的产学研联合发展之路，为我国国民经济的高速发展做出贡献。

3 开关电源的分类

随着电力电子器件和开关变频技术几乎同步开发的前提下，两者相互促进与推动，开关电源每年以超过两位数字的增长率，向轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源科分为AC/DC和DC/DC两大类。DC/DC变换器现已实现模块化、成熟化和标准化。但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。

3.1 DC/DC变换

DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有：脉宽调制方式（Ts不变，改变ton）和频率调制方式（ton不变，改变Ts）两种。前者较为通用，后者容易产生干扰。其具体电路有Buck电路（降压斩波器，其输出平均小于输入电压，极性相同）、Boost电路（升压斩波器，其输出平均电压大于输入电压，极性相同）、Buck—Boost电路（降压或升压斩波器，电感传输方式。其输出平均电压大于或小于输出电压，极性相反）和Cuk电路（降压或升压斩波器，电容传输方式。其输出平均电压大于或小于输入电压，极性相反）四种。

当今世界软开关技术使得DC/DC变换器发生了质得变化和飞跃。美国VICOR公司设计制造得多种ECI软开关DC/DC变换器，最大输出功率有300W、600W、800W等，相应得功率密度为（6.2、10、17）W/cm3，效率为（80—90）%。日本NemicLambda公司最新推出得一种采用软开关技术得高频开关电源模块RM系列，其开关频率为200—300KHz，功率密度已达27W/cm3，采用同步整流器（MOS-FET代替肖特基二极管），使整个电路效率提高到90%。

3.2 AC/DC变换器

AC/DC变换器是将交流电压变换成直流电压，其功率流向可以是双向的功率六由电源流向负载的称为“整流”，功率六有负载返向电源的称为“有源逆变”。AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准，（如UL、CCE等）及EMC指令的限制（如IEC、FCC、CSA），交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC/DC电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作效率达到一定的满意程度。

AC/DC变换按电路的接线方式右分为，半波电路、全波电路。按电源相数可分为，单相。按电路工袋子和象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。转贴于 4.开关式稳压电源的工作原理

4.1开关式稳压电源的基本工作原理

开关式稳压电源接控制方式分为调宽式和调频式两种。调宽式开关稳压电源在实际开发和应用的中使用得较多，因此，就以调宽式开关稳压电源为例说明其基本工作原理：调宽式开关稳压电源的基本原理可参见图1。对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。直流平均电压U当Um与T不变时，直流平均电压Uo与脉冲宽度T1成正比。这样，只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，即可达到稳定电压的目的。

Um为矩形脉冲最大电压值；T为矩形脉冲周期；T1为矩形脉冲宽度。

4.2 开关式稳压电源的原理电路

开关式稳压电源的基本电路框图如图2所示。交流电压经整流、滤波电路整流滤波后，输出一个含有一定脉动成份的直流电压，再经高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再经整流滤波变为所需要的直流电压。

控制电路由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路组成（目前已集成化）。主要起控制高频开关元件的开关时间比，即脉冲宽度的占空比，以达到稳定输出电压的目的。开关电源的典型电路主要有单端反激式开关电源、单端正激式开关电源、自激式开关稳压电源、推挽式开关电源、降压式开关电源、升压式开关电源、反转式开关电源。

5 开关电源在医学仪器中的应用

近二十年来，开关电源已广泛应用在心电图机、超声诊断仪和CT等医疗仪器设备之中。本文以美国GE公司专门为CT机设计的CT MAX640型脉宽调制开关稳压电源为例加以介绍。该电源由软启动控制电路、220/110V自动识别电路、晶体管开关电路（辅助电源）、脉宽调制（PWM）、驱动电路等部分组成。

5.1软启动控制电路

由TR104、TRC101、THF101、R113、R114、R116等组成。开机瞬间TRC101截止，电流流过THF101、限流电阻R113、R114，辅助开关电源开始接入直流300V时，光电耦合器PC101导通。同时，振荡波形经T101耦合，D106整流、C128滤波，输出一直流电压，TR104饱和导通。当R116上的直流压降达到可控硅TEC101触发电压时而导通，此时THF101、R113、R114失去作用，从而实现了启动时减少整流桥和滤波电容冲击电流的作用，即软启动

5.2 自动识别电路

由IC101、TRC102、TR101、SS102、R101、R112等组成。当输入220V交流电时，TRC102截止，220V经硅桥SS101整流，滤波后输出A、B两组电压，TR103集电极输出300V直流电压；当输入110V交流电压时，IC1013脚的输出电压使可控硅TRC102导通，K点与硅桥的110V输入端相连接，再经倍压整流电路（SS101、C109-112、R120、R121）输出300V直流电压。为辅助开关电源及脉宽调制驱动电路供电。

5.3 晶体管开关电路又称辅助电源

由TR103、T101、TR102等组成。由T1015、6脚耦合过来的交变信号，经D108整流、C127滤波后输出C、X正压，为脉宽调制电路、风扇检测电路、+5V误差放大负反馈控制电路供电。

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【关键词】高频开关电源 节能技术 发展 应用

高频开关电源节能技术的应用措施在多样化的电源系统中占据核心地位。譬如大型电解电镀电源，由于其重量及体积上的特殊性，促使高频开关电源节能技术在实际电源应用过程中的利用效率得到提升，此外还能对成本投入进行控制。

1 开关电源技术发展

1.1 高频化发展方向

经由理论分析及实验验证，电器产品的体积重量与其供电频率的平方根成反比。若对电源频率进行调整，从50Hz提升至20kHz之后，用电设备在质量及体积上出现下降，并达到工频设计数值的5%-10%左右，在材料节省方面可以达到九成甚至更多，而电能节省方面则可以节省三成或更多。随电子工艺技术的飞跃发展，电子功率器件已实现高频模块化，大功率开关电源成本显著降低，体现了高技术含量及实用性推广价值。

1.2 模块化发展方向

高频开关电源技术的模块化主要就是指功率器件以及电源单元等方面的模块化。近几年，大多数公司认为开关功率器件把驱动电路和过流保护、短路保护、过热保护、欠压保护等多种保护集成在同一模块内，从而真正意义上实现“智能化”功率模块。模块化设计促使不同元器件间不再使用传统意义上的引线连接，从而有效降低寄生电感及电容因为频率提升对其产生的影响，此外通过合理化、严谨的电、热及机械层面的优化设计措施，从而全面提升系统可靠性。

1.3 数字化发展方向

由于数字式电路及信号所展现的重要性不断增加，数字信号处理技术随着发展也不断趋向承受成熟，相对模拟信号展现出非常多的优势，如实现计算机处理控制措施、减少杂散信号的干扰作用，从而促使自诊断等新型技术的植入。所以数字化技术在智能化高频开关电源中往往是经由计算机完成控制行为，并展现出非常重要的使用意义。

2 高频开关电源工作原理、构成及在火电厂的应用

2.1 高频开关电源工作原理

目前状态下的高频电源，在其运作过程中往往经由三相交流电在滤波或整流的作用下，产生530V左右的直流电压，另外在全桥逆变作用之下获得到20kHz左右的交变电流，之后由于高频变压器升压整流措施实现高频高压脉动直流的传输行为。当前状态下的电除尘器高频电源是利用高频开关技术而形成的逆变式电源，此外供电电源往往通过系列性窄脉冲产生，实际控制措施存在多样化，并且基于电除尘器运作情况选择合适性电压波形，全面提升供电效率实现节能目标。

2.2 高频开关电源主要构成

当前状态下的高频电源的结构组成主要包括低压配电系统、全桥逆变器、大功率高频高压变压器以及控制电路等等。高频开关电源实际运行过程中，高频电源中的低压配电系统往往安置于高频电源配电盘之中的电气箱，除却高频电源具备的供电作用不谈，可以针对性完善集成作用下的高频电源内部加入、振打及风机组成中的供电作用，另外若设备出现严重故障后，进行断电保护措施。全桥逆变器中存在的逆变电路，是由全桥串联谐振逆变器构建，在滤波及整流电路作用下构建530V左右的直流电流，并通过逆变措施，让其成为20kHz左右的高频交流电，并传输到高频高压变压器之中。油浸设计措施之下的大功率高频高压变压器，是高频电源中具备重要意义的组成部分之一，经由逆变电路实现高频交流电升压，经由整流后，形成高频高压脉冲直流并向除尘器传输。控制电路在构成上主要包含电源电路、驱动电路以及DSP控制电路。

2.3 高频开关电源技术在火电厂中的应用

譬如佛山某垃圾焚烧电厂现存的四套双室四电场电除尘器，实际有效通流面积达到230m2，而j极线主要指的是新RS管状芒刺，其中电源配置了高压硅整流变压器，控制运行机理是：交流电源经过升压变压器升压后，经全波整流形成直流再输送至电场。通过针对性的改造，四套除尘器已经都改造成为高频电源，其除尘效率有显著提高及能耗大为减少。通过节能减排的有效改进措施，促使电除尘改造能够在高频开关技术中发挥重要作用，改善当地环境带来了经济效益的同时社会效益也很显著，并且也提升了企业绿源形象。

3 结束语

综上所述，应用高频开关电源技术能够帮助当前火电厂的整体耗能及废气排放得到有效控制，从而全面提升整体工厂工作效率，并且在此基础上实现生产成本的有效降低，促使其在市场中具备足够的地位。当前，高频开关电源技术在电镀、电解、电加工、浮充、电力合闸等领域应用同样得到了广泛推广。

参考文献

[1]郑昕昕，肖岚，刘新天，何耀，曾国建.两级宽输入开关电源占空比振荡的几何分析[J].电气传动，2016（05）：199-203.

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论文关键词：开关电源,纹波,滤波器

1.引言

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。开关电源和线性电源相比，纹波系数通常要大一些，但是纹波系数又是开关电源的一项重要指标，如果纹波大就会影响电子电路的正常工作，出现信号源的不纯净，放大器噪声与过载等问题。本文针对开关电源的纹波进行研究，并提出抑制开关电源纹波的方法。

2.开关电源的原理

开关稳压电源的核心是电压深度负反馈的脉冲宽度调制器，功率器件工作于开关状态，因此功率低，效率高。开关电源因省去了笨重的工频变压器而使体积和重量都有不同程度的减少和减轻，被广泛地应用在许多输出电压、输出电流较为稳定的场合，开关电源的主电路图如图1。

图1开关电源主电路图

由电路图可以看出，市电经整流滤波后变为311V高压，经K1K4功率开关管有序工作后，变为脉冲信号加至高频变压器的初级，脉冲的高度始终为311V。当K1、K4开通时，311V高压电流经K1正向流入主变压器初级，经K4流出，在变压器初级形成一个正向脉冲，同理，当K2、K3开通时，311V高压电流经K3反向流入主变压器初级，经K2流出，在变压器初级形成一个反向脉冲。由于开关电源的工作原理，使其纹波噪声不可避免，而开关电源发展的重要方向是高频、高可靠、低纹波。为了抑制干扰纹波，减少在感应回路中的电压，防止电源纹波影响下一级电路的性能有必要先分析一下开关电源纹波产生的原因。

3.开关电源纹波产生的原因

我们最终的目的是要把输出纹波降低到可以忍受的程度，达到这个目的最根本的解决方法就是要尽量避免纹波的产生，随着SWITCH的开关，电感L中的电流也是在输出电流的有效值上下波动的。所以在输出端也会出现一个与SWITCH同频率的纹波，一般所说的纹波就是指这个。

另外，SWITCH一般选用双极性晶体管或者MOSFET，不管是哪种，在其导通和截止的时候，都会有一个上升时间和下降时间。这时候在电路中就会出现一个与SWITCH上升下降时间的频率相同或者奇数倍频的噪声，一般为几十兆赫。

如果是AC／DC变换器，除了上述两种纹波（噪声）以外，还有AC噪声，频率是输入AC电源的频率，为50～60Hz左右。还有一种共模噪声，是由于很多开关电源的功率器件使用外壳作为散热器，产生的等效电容导致的。

4.开关电源纹波抑制方法

对于开关电源纹波，理论上和实际上都是一定存在的。为了实现开关电源的低纹波输出，对低频电源噪声必须采取滤波措施；对于高频噪声，开关电源需要依靠功率器件对输入直流电压进行高频变脉宽波斩波而后整流滤波实现稳压输出的。受功率器件开关损耗的限制，电源的开关频率一般取20KHz-100KHz，开关频率越高，电感电容越大，则输出波纹越小。在其输出端含有与斩波频率同频的高噪声，其大小主要和开关电源的开关频率及输出滤波器的结构和参数有关。下面我们提出抑制或减少电源纹波的有效方法：

1．加大电感和输出电容滤波

根据开关电源的公式，电感内电流波动大小和电感值成反比，输出纹波和输出电容值成反比。所以加大电感值和输出电容值可以减小纹波。

同样，输出电容Co与纹波电压Vp_p的关系：Co=Ipk（Ton+Toff）/8Vripple（p_p），可以看出，加大输出电容值可以减小纹波。通常的做法，对于输出电容，使用铝电解电容以达到大容量的目的。但是电解电容在抑制高频噪声方面效果不是很好，而且等效串联电阻（ESR）也比较大，所以会在它旁边并联一个陶瓷电容，来弥补铝电解电容的不足。同时，开关电源工作时，输入端的电压Vin不变，但是电流是随开关变化的。这时输入电源不会很好地提供电流，通常在靠近电流输入端，并联电容来提供电流。

2．二级滤波，再加一级LC滤波器。

LC滤波器对噪纹波的抑制作用比较明显，根据要除去的纹波频率选择合适的电感电容构成滤波电路，一般能够很好的减小纹波。但是这种情况下需要考虑反馈比较电压的采样点。采样点选在LC滤波器之前，输出电压会降低。因为任何电感都有一个直流电阻，当有电流输出时，在电感上会有压降产生，导致电源的输出电压降低，而且这个压降是随输出电流变化的。

采样点选在LC滤波器之后，这样输出电压就是我们所希望得到的电压，这样的缺点是在电源系统内部引入了一个电感和一个电容，有可能会导致系统不稳定。

3．开关电源输出之后，接低压差线性稳压器（LDO）滤波。

这是减少纹波和噪声最有效的办法，输出电压恒定，不需要改变原有的反馈系统，但也是成本最高，功耗最高的办法。任何一款LDO都有一项指标：噪音抑制比。对几百千赫的开关纹波，LDO的抑制效果非常好。但在高频范围内，该LDO的效果就不那么理想了。

4．正确合理的印制电路板（PCB）布线

开关电源PCB排版是开发电源产品中的一个重要过程。

对减小纹波，开关电源的PCB布线也非常关键，许多情况下，一个在纸上设计得非常完美的电源可能在初次调试时无法正常工作，原因是该电源的PCB排版存在着许多问题。开关电源的纹波太大，或者开关电源产生的电磁干扰影响到其电子产品的正常工作，所以正确合理的电源PCB排版就变得非常重要。注意PCB的布局、布线和接地，可以减少开关电源波纹。

在选用滤波元件时，一般只说要满足脉动要求，在安装尺寸容许的前提下，采用较大的L较小的C或采用较小的L较大的C均可。但是在实际中需要考虑输出电压冲击值及其动态响应特征，电感量愈大，冲击值越大，动态响应也越大。

滤波器的计算式复杂的，在设计中，常常是按照一定的范围选取L和C，通过在线路中试验，测试各项指标，并根据测试值修正元件值，以选取合适的元件，电容器要选高频性能好的无感聚苯乙烯电容、陶瓷电容、铝电解电容等。

5.结束语

开关电源由于功耗小效率高，体积小，重量轻，稳压范围广，电路形式灵活等特点，广泛地应用于计算机、通信等各类电子设备。本文提出的抑制开关电源波纹方法我们在设计开关电源的时都有研究及使用，这些方法有各自的优缺点，选择合适的方法关键是根据自己的设计要求，比如产品体积，成本，开发周期等。

参考文献

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2 郑宪龙,和军平等.DC/DC开关电源共模EMI滤波器的研制[J].电力电子技术,2007.12

3 张国安,翟长生.冲量控制技术消除开关电源低频波纹的研究[J].电力电子技术,2009.4

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引言

开关电源一般都采用脉冲宽度调制（PWM）技术，其特点是频率高，效率高，功率密度高，可靠性高。然而，由于其开关器件工作在高频通断状态，高频的快速瞬变过程本身就是一电磁骚扰（EMD）源，它产生的EMI信号有很宽的频率范围，又有一定的幅度。若把这种电源直接用于数字设备，则设备产生的EMI信号会变得更加强烈和复杂。

本文从开关电源的工作原理出发，探讨抑制传导干扰的EMI滤波器的设计以及对辐射EMI的抑制。

1 开关电源产生EMI的机理

数字设备中的逻辑关系是用脉冲信号来表示的。为便于分析，把这种脉冲信号适当简化，用图1所示的脉冲串表示。根据傅里叶级数展开的方法，可用式（1）计算出信号所有各次谐波的电平。

式中：An为脉冲中第n次谐波的电平；

Vo为脉冲的电平；

T为脉冲串的周期；

tw为脉冲宽度；

tr为脉冲的上升时间和下降时间。

开关电源具有各式各样的电路形式，但它们的核心部分都是一个高电压、大电流的受控脉冲信号源。假定某PWM开关电源脉冲信号的主要参数为：Vo=500V，T=2×10－5s，tw=10－5s，tr=0.4×10－6s，则其谐波电平如图2所示。

图2中开关电源内脉冲信号产生的谐波电平，对于其他电子设备来说即是EMI信号，这些谐波电平可以从对电源线的传导干扰（频率范围为0.15～30MHz）和电场辐射干扰（频率范围为30～1000MHz）的测量中反映出来。

在图2中，基波电平约160dBμV，500MHz约30dBμV，所以，要把开关电源的EMI电平都控制在标准规定的限值内，是有一定难度的。

2 开关电源EMI滤波器的电路设计

当开关电源的谐波电平在低频段（频率范围0.15～30MHz）表现在电源线上时，称之为传导干扰。要抑制传导干扰相对比较容易，只要使用适当的EMI滤波器，就能将其在电源线上的EMI信号电平抑制在相关标准规定的限值内。

要使EMI滤波器对EMI信号有最佳的衰减性能，则滤波器阻抗应与电源阻抗失配，失配越厉害，实现的衰减越理想，得到的插入损耗特性就越好。也就是说，如果噪音源内阻是低阻抗的，则与之对接的EMI滤波器的输入阻抗应该是高阻抗（如电感量很大的串联电感）；如果噪音源内阻是高阻抗的，则EMI滤波器的输入阻抗应该是低阻抗（如容量很大的并联电容）。这个原则也是设计抑制开关电源EMI滤波器必须遵循的。

几乎所有设备的传导干扰都包含共模噪音和差模噪音，开关电源也不例外。共模干扰是由于载流导体与大地之间的电位差产生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位同向的；而差模干扰则是由于载流导体之间的电位差产生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位反向的。通常，线路上干扰电压的这两种分量是同时存在的。由于线路阻抗的不平衡，两种分量在传输中会互相转变，情况十分复杂。典型的EMI滤波器包含了共模杂讯和差模杂讯两部分的抑制电路，如图3所示。

    图中：差模抑制电容Cx1，Cx20.1～0.47μF；

差模抑制电感L1，L2100～130μH；

共模抑制电容Cy1，Cy2<10000pF；

共模抑制电感L15～25mH。

设计时，必须使共模滤波电路和差模滤波电路的谐振频率明显低于开关电源的工作频率，一般要低于10kHz，即

在实际使用中，由于设备所产生的共模和差模的成分不一样，可适当增加或减少滤波元件。具体电路的调整一般要经过EMI试验后才能有满意的结果，安装滤波电路时一定要保证接地良好，并且输入端和输出端要良好隔离，否则，起不到滤波的效果。

开关电源所产生的干扰以共模干扰为主，在设计滤波电路时可尝试去掉差模电感，再增加一级共模滤波电感。常采用如图4所示的滤波电路，可使开关电源的传导干扰下降了近30dB，比CISOR22标准的限值低了近6dB以上。

还有一个设计原则是不要过于追求滤波效果而造成成本过高，只要达到EMC标准的限值要求并有一定的余量（一般可控制在6dB左右）即可。

3 辐射EMI的抑制措施

如前所述，开关电源是一个很强的骚扰源，它来源于开关器件的高频通断和输出整流二极管反向恢复。很强的电磁骚扰信号通过空间辐射和电源线的传导而干扰邻近的敏感设备。除了功率开关管和高频整流二极管外，产生辐射干扰的主要元器件还有脉冲变压器及滤波电感等。

虽然，功率开关管的快速通断给开关电源带来了更高的效益，但是，也带来了更强的高频辐射。要降低辐射干扰，可应用电压缓冲电路，如在开关管两端并联RCD缓冲电路，或电流缓冲电路，如在开关管的集电极上串联20～80μH的电感。电感在功率开关管导通时能避免集电极电流突然增大，同时也可以减少整流电路中冲击电流的影响。

功率开关管的集电极是一个强干扰源，开关管的散热片应接到开关管的发射极上，以确保集电极与散热片之间由于分布电容而产生的电流流入主电路中。为减少散热片和机壳的分布电容，散热片应尽量远离机壳，如有条件的话，可采用有屏蔽措施的开关管散热片。

整流二极管应采用恢复电荷小，且反向恢复时间短的，如肖特基管，最好是选用反向恢复呈软特性的。另外在肖特基管两端套磁珠和并联RC吸收网络均可减少干扰，电阻、电容的取值可为几Ω和数千pF，电容引线应尽可能短，以减少引线电感。实际使用中一般采用具有软恢复特性的整流二极管，并在二极管两端并接小电容来消除电路的寄生振荡。

负载电流越大，续流结束时流经整流二极管的电流也越大，二极管反向恢复的时间也越长，则尖峰电流的影响也越大。采用多个整流二极管并联来分担负载电流，可以降低短路尖峰电流的影响。

开关电源必须屏蔽，采用模块式全密封结构，建议用1mm以上厚度的镀锌钢板，屏蔽层必须良好接地。在高频脉冲变压器初、次级之间加一屏蔽层并接地，可以抑制干扰的电场耦合。将高频脉冲变压器、输出滤波电感等磁性元件加上屏蔽罩，可以将磁力线限制在磁阻小的屏蔽体内。

根据以上设计思路，对辐射干扰超过标准限值20dB左右的某开关电源，采用了一些在实验室容易实现的措施，进行了如下的改进：

——在所有整流二极管两端并470pF电容；

——在开关管G极的输入端并50pF电容，与原有的39Ω电阻形成一RC低通滤波器；

——在各输出滤波电容（电解电容）上并一0.01μF电容；

——在整流二极管管脚上套一小磁珠；

——改善屏蔽体的接地。

经过上述改进后，该电源就可以通过辐射干扰测试的限值要求。

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关键词： 星载电源； 多路输出开关电源； 小型化设计； 电路设计

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）20?0145?03

Design of satellite?borne multi?channel output DC/DC converter

ZHANG Qian， LIU Ke?cheng， WANG Wei?guo

（Lanzhou Institute of Physics， Lanzhou 730000， China）

Abstract： A satellite?borne multi?channel output DC/DC converter is introduced. The method of the power supply design can meet the needs of most of the satellite?borne multi?channel output DC/DC converters. The design characteristics of the power supply are particularly introduced. The operating principle is analyzed. The design formulas are also given. The miniaturization design of the satellite?borne DC/DC converter was optimized. It can be widely used in satellite?borne multi?channel output DC/DC converters.

Keywords： satellite?borne power supply； multi?channel output DC/DC converter； miniaturization design； circuit design

随着我国航天事业的发展，卫星有效载荷的数量和种类越来越多，势必要求与之相配套的开关电源的体积和重量进一步减小。因此，开关电源的小型化设计成为目前星载开关电源研究的一个热门课题。众所周知，开关电源的小型化可以从优化电路设计和采用新工艺两个方面入手，例如采用混合厚膜工艺可以大幅度地减小电源的体积和重量，但国产混合厚膜开关电源在航天领域目前还处在推广中，主要是其抗辐照性能对于高轨长寿命卫星来说存在着一定的局限性。因此，采用表贴工艺的开关电源在航天领域依然具备广阔的市场。这就要求必须在电路设计上进行优化，以满足星载开关电源小型化的要求。本文介绍一种多路输出开关电源，它采用不同拓扑组合的方式，能够满足星上大部分中小功率设备的供电需求。

1 星载多路输出开关电源的几种设计方案

1.1 单端反激式多路输出开关电源

图1所示单端反激式多路输出开关电源的设计思路是：考虑到星载开关电源的磁隔离要求，采取前级自持预稳压，后级各路输出进行二次稳压的方式。反激式拓扑的特点是电路结构简单，易于实现多路输出。如果不采用二次稳压，次级各路输出的电压和负载稳定度不会优于±3%，很难满足星上大部分用电设备的需求，因此，常常会在输出端进行二次稳压。常用的方法是采用三端稳压器进行二次稳压，这样输出各路电压稳定度优于±1%，能够满足星上用电设备的需求，采用三端稳压器进行二次稳压的另一个优点是如果用电设备对低频干扰比较敏感，那么输出后级采用三端稳压器进行二次稳压还能有效隔离输入端引入的低频干扰，保证用电设备正常工作[1]。但是单端反激式多路输出开关电源同样有它的局限性，如果其中某一路输出电流比较大，后级采用三端稳压器进行二次稳压会造成很大的功耗，从而降低了电源的转换效率，进而影响了电源的工作寿命。

1.2 单端正激式多路输出开关电源

图2所示单端正激式多路输出开关电源的设计思路是：主路输出采用闭环直接反馈控制，辅输出采用磁链耦合技术以改善辅路输出的电压和负载稳定度。设计上一般主路输出功率比较大，辅路输出功率相对比较小，即便如此辅路输出的电压和负载稳定度也不会优于±5%，而且辅路输出的功率越大，辅路输出的稳定度也越差。这种方案一般设计成3路电源，路数再多辅路输出的稳定度就无法接受了。总体上单端正激式多路输出开关电源辅路输出负载和电压稳定度要比单端反激式多路输出开关电源各路输出负载和电压稳定度差。

图1 单端反激式多路输出

图2 单端正激式多路输出开关电源

1.3 单端反激和单端正激相结合的多路输出开关电源

从图3可以看出电源由反激拓扑和正激拓扑组成，考虑到电源小型化的需求，电源共用一个消浪涌电路和输入滤波电路。反激电路组成三路小电流输出，后级各路输出通过三端稳压器进行进一步稳压，反激主变压器上绕制的两个辅助绕组的输出电压给正激电路的PWM芯片供电，由于反激电路采取了前级预稳压，同时给PWM芯片供电的负载电流比较小（小于100 mA）。因此反激主变压器上的两个辅助绕组给PWM芯片的供电电压非常稳定，能够满足在不同条件下PWM芯片的供电要求。这种方案既满足了星用开关电源的磁隔离要求，又避免了方案（1）中大负载电流下使用三端稳压器进行二次稳压造成的功耗过大的问题，同时也解决了方案（2）中的辅路输出稳定度不高的问题。最大的优点是这种方案不受路数上的限制，设计上可以把小电流各路全部在单端反激中输出，大电流各路从单端正激中输出。本文设计了一款五路输出电源，其中18.5 V，±14.5 V负载电流小于1 A从三路反激电源中出；7.5 V，5.5 V负载电流比较大从正激电源中出，它们的PWM芯片供电电压都是从三路反激电源的辅助绕组中输出的。

2 关键电路参数设计

技术指标如下：输入电压为DC 25～33 V；开关频率为200 kHz；最大占空比为0.5；输出电压/电流为18.5 V/0.33 A， +14.5 V/0.3 A，-14.5 V/0.11 A，7.5 V/2.9 A，5.5 V/5.8 A；转换效率≥78%。

图3 单端反激和正激相结合的多路输出开关电源

2.1 变压器的设计

电源涉及反激电路和正激电路变压器的设计，反激变换器的特点是当主功率开关管导通时变压器原边电感存储能量，负载的能量从输出滤波电路的电容处得到；而当关断时，变压器原边电感的能量将会传送到副边负载和它的滤波电容处，以补偿滤波电容在开关导通状态下消耗的能量[6]。具体设计如下：由于铁氧体材料有很好的储能和抑制信号传输过程中的尖峰和振铃作用，因此采用这种材料作为变压器磁芯是最好的选择之一。综合考虑反激电源的额定功率，转换效率以及磁芯的窗口利用率，选择RM8作为反激电源变压器的磁芯。初级线圈的峰值电流为：

[Ipmax=2TPoTonmaxUiminη] （1）

式中：[Uimin]为变压器初级输入的最小直流电压；T为开关电源周期；[Tonmax]为开关管导通时间；[Po]为输出功率；η为变换效率。

初级线圈的电感为：

[Lp=UiminTonmax0Ipmax] （2）

初级绕组的匝数为：

[Np=UiminTonmaxScΔB×104] （3）

式中：[Sc]为磁芯有效截面积；[ΔB]为磁芯工作磁感应强度。

初次级绕组匝数比为：

[L0≥（Uin-U0）U0TUinI0] （4）

式中：[UD]为输出整流二极管，[Us]为次级输出电压。

次级绕组匝数为：

[n12=NpNs] （5）

变压器气隙为：

[Ig=μrN2pScLp] （6）

式中：[Ig]的单位为mm；[μr]=4π，[Sc]的单位为mm2；[Lp]的单位为mH。按照式（1）～式（6）计算得：[Ipmax]=3 A， [Lp]=16.7 μH， [Np]=7匝；18.5 V的匝数为9匝；±14.5 V时匝数为7匝。给PWM芯片供电的两个辅助绕组的匝数为6匝，变压器气隙为0.24 mm。

正激电路变压器的设计同样需要综合考虑电源的额定功率，转换效率、磁芯的窗口利用率以及磁芯的最佳磁密度。7.5 V选择RM6作为变压器磁芯，5.5 V选择RM8作为变压器磁芯。初级绕组匝数为：

[Np=UiminTonmaxScΔB×104] （7）

式中：[Tonmax]的单位为s，[ΔB]的单位为T，[Sc]的单位为cm2。

次级绕组匝数为：

[Ns≥Np（Us+UD）DmaxUimin] （8）

式中[Dmax]为最大占空比。

按照式（7）～（8）计算得：7.5 V输出[Np]为13匝，[Ns]为10匝；5.5 V输出[Np]为8匝，[Ns]为5匝。变压器导线电流密度取7～8 A/mm2。

2.2 输出滤波电路的设计

反激变换器由于其主变压器初级充当了储能电感的作用，因此其输出各路可以不要差模电感，考虑到EMC的需要，可在输出各路增加一个共模电感，反激变换器的输出电容可由式（9）算出。

[C≥5TsU08UoppR] （9）

式中：[Ts]为电源周期；[U0]为电源各路额定电压；[Uopp]为输出纹波电压，[R]为负载电阻，工程实际中还需要考虑电源的ESR值。

按照式（9）计算得：18.5 V输出[C≥]21 μF，14.5 V输出[C≥]19 μF，-14.5 V输出[C≥]7 μF。正激变换器输出差模电感工作在连续状态其输出纹波电压小，工作在非连续状态其输出纹波电压大。设计上一般将额定输出电流的设定为电感连续和非连续工作状态的临界点，得到输出差模电感的计算公式为：

[L0≥（Uin-U0）U0TUinI0] （10）

按照式（10）计算得：7.5 V输出[L0]=57 μH，5.5 V输出[L0]=20 μH。按照式（9）计算得各路输出滤波电容：7.5 V输出[C≥]169 μF，5.5 V输出[C≥]365 μF。

2.3 关键点波形和数据

表1列出了反激电路两个辅助绕组给正激电路PWM芯片供电的电压在不同输入电压负载一定下的电压值，表2列出了输入电压一定负载变化下的电压值。

表1 不同输入电压负载一定下的电压值 V

表2 输入电压一定负载变化下的电压值 V

图4 额定输入下反激电路主开关管漏源波形

图5 额定输入下7.5 V正激电路主开关管漏源波形

3 结 论

本文介绍了一种新型的星用多路输出开关电源，不仅有效地解决了传统星用开关电源的一些弊病，同时在电源的小型化设计上具备一定的优势，在星用开关电源的应用上具备广阔的前景。

图6 额定输入下5.5 V正激电路主开关管漏源波形

参考文献

[1] PRESSMAN A L.开关电源设计[M].王志强，译.北京：电子工业出版社，2005.

[2] 刘胜利.现代高频开关电源实用技术[M].北京：电子工业出版社，2001.

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[4] 甘久超，谢运祥，颜凌峰.DC/DC变换器的多路输出技术综述[J].电工技术杂志，2002（4）：1?4.

篇9

【关键词】UC3842；脉宽调制；功率调整；测试分析

Abstract：this paper implement the switch power supply circuit，the design USES the flyback type switch power supply structure design of the typical form of UC3842 as the core device，by using the basic principle of pulse width modulation，and USES the auxiliary power supply way for the power supply，is helpful to increase the output power of main power supply.Using field effect tube as switching devices，the conduction and deadline fast，conduction loss is small，which guarantees efficient performance of switch power supply.At the same time，supplemented by over-voltage and over-current protection circuit in the circuit，which guarantees system of work safety，pay attention to improve the circuit load regulation，enhances the working efficiency of the switching power supply，reduce the switching power supply output ripple voltage，reduce the electromagnetic interference，achieve the goal of green environmental protection.Adjustable output voltage，make its can be applied to different occasions.

Keywords：UC3842；pulse width modulation；power adjustment；test and analysis

1.引言

随着科学技术的发展，通信、消费电子类产品等对开关电源的需求迅猛增加，并且对电源的效率、体积、重量及可靠性等方面提出了更高的要求[1]。开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的线性电源。电力电子技术的发展，特别是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速发展，将开关电源的工作频率提高到相当高的水平，使其具有高稳定性和高性价比等特性[2-3]。本文设计了单端反激式开关电源，满足信息技术的发展对电源技术又提出了更高的要求，从而促进了开关电源技术的发展。

2.开关电源电路的实现

2.1 输入滤波整流电路

图1为输入滤波整流电路。输入的220V交流电，经过由C1、C2、CX1、LF1、CY1、CY2组成的滤波器滤波后，再经过BD1，将交流电压整流为直流高压，通过C3、C4的滤波后，再给后级电路提供电能。R1的作用是泄放电阻，因为CX1的容量在0.22uF以上，安规规定需要加上一个泄放电阻[4]。

图1 输入滤波整流电路

2.2 PWM驱动及控制电路

图2为PWM驱动及控制电路。直流高压通过电阻R2给UC3842提供工作电压，该工作电压接入UC3842的管脚7，UC3842开始工作，由管脚6输出的矩形波来驱动开关管，管脚6输出的信号为高低电压脉冲信号。在输出信号的高电平期间，场效应管能够导通，电流流过变压器的原边绕组，同时在变压器的原边绕组中储存能量。根据变压器同名端的标识情况，这个变压器的副边绕组和辅助反馈绕组均没有输出。当管脚6输出的信号为低电平时，场效应管处于截止状态[5]。由楞次定律可得，为了确保电流不变，变压器的原边绕组产生了下正上负的感应电动势，此时副边绕组的二极管导通，向负载提供能量。同时辅助反馈绕组向UC3842的管脚7供电。UC3842的内部设有欠压限制锁定电路，其开启和关闭阈值电压分别为16V和10V，当电源电压接通之后，一旦管脚7的电压升至16V时，UC3842遍开始工作，启动正常工作后，它的消耗电流大致为15mA。

图2 PWM驱动及控制电路

图3 输出反馈电路

2.3 输出反馈电路

图3所示为该开关电源的输出反馈电路。当开关管Q1导通时，整流后的直流高压在变压器的原边绕组中储存能量，与变压器副边绕组相连的二极管D3处于反偏压状态，故D3截止，在变压器副边绕组无电流流过，即能量没有传递给负载，直流高压将电能转换成磁能储存在变压器的原边绕组中。当开关管Q1截止时，变压器的副边绕组中的电压极性反转，使D3处于导通状态，给输出电容C13充电，同时负载上也有电流流过。图3中，变压器副边绕组的交流电压蒋经国二极管D3整流、C13、C14、L1、C15整流后得到稳定直流电压，给负载提供能量[6]。D3为肖特基整流二极管，因为肖特基二极管的正向压降为普通PN二极管的0.3～0.5倍，并且其反向恢复时间trr甚小。R11和C12为削尖峰电压电路，C14、L1、C15为π型滤波器，D4的作用是能够使该开关电源和其他开关电源串联使用，R12是假负载，能够使开关电源得到稳定的输出电压。反馈电路采用精密稳压器TL431和线性光耦。利用TL431可调式精密稳压器构成误差电压放大器，再通过线性光耦对输出进行精确的调整。

3.系统测试

由于效率和纹波电压是开关电源的主要衡量指标，所以测试时主要对这两个参数进行测试。

3.1 测试开关电源效率

在开关电源效率的测试中，需要使用一个电子负载和4个数字万用表。其中，两个万用表用来测量电压，另外两个万用表用来测量电流，在使用万用表进行测量的时候，需要根据要测量的电压和电流值的大小，将万用表设置在合适的量程内，以减小误差。

3.2 测试输出纹波电压

为了使测出的数据尽可能准确，避免示波器的探头与地线形成一个环路，测试纹波电压时，在示波器的探头上需要并联一个10uF的电解电容和0.1uF的无极性电容或者使用接地环，从而保证探头的接地尽可能的短，保证探头的接地线长度小于1cm。

4.测试结果及数据分析

按照上述的测试方法对开关电源的效率和开关电源的输出纹波电压进行测试，对该设计的开关电源进行数据测试，测试得到的数据及根据测试的到的数据进行的分析如表1所示。

表1 最差情况下的输入功率、输出功率与效率

输入功率Pin（W） 输出功率Pout（W） 效率η

36.856 30.170 81.86%

43.360 35.257 81.31%

49.634 40.909 82.42%

58.536 47.013 80.31%

67.208 53.540 79.66%

73.712 60.144 81.59%

表2 各种电压条件下，满载输出时的纹波电压值

电子负载RL（Ω） 输出电压Vout（V） 输出功率Pout（W） 纹波电压Vopp（mV）

2.4 12.01 60.10 138

2.8 12.98 60.17 169

3.3 14.09 60.16 189

3.8 15.12 60.16 213

4.3 16.08 60.13 230

4.8 16.99 60.14 246

用数字示波器测试输出纹波电压的数据如表2所示。

将负载上的功率调整为设计的标称功率的一半以上时，通过数字万用表对输入直流总线电压、直流总线电流、输出电压、输出电流的测试，粗略估计一下其余的损耗，整个开关电源的效率为81.19%。

5.结论

本文设计了由UC3842组成隔离单端反激式PWM开关电源，对其中的原理进行分析。UC3842是一种电流控制型脉宽调制器，可以直接驱动MOSFET和IGBT，特别适合于制作20～80W的小功率开关电源。从测试数据可以看出设计的电路效率和稳定性较高。

参考文献

[1]张占松，蔡薛三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2001.

[2]何希才.新型开关电源设计与应用[M].北京：科学出版社，2001.

[3]徐德鸿等译.开关电源设计指南[M].北京：机械工业出版社，2004.

[4]王志强等译.精通开关电源设计[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[5]王水平等.开关稳压电源――原理、设计与实用电路[M].西安：西安电子科技大学出版社，1997.

[6]高曾辉，于相旭.单端反激式开关电源的稳定性分析[J].重庆大学学报，2001.

篇10

关键词：高频开关电源监控系统；控制器；传输方式

一、高频开关电源监控系统的组成

高频开关电源监控系统由交流配电部分、整流器、直流配电部分和控制器（又称监控模块）组成。

在大容量的高频开关电源系统中，有独立的交流配电屏、整流器机柜（插入整流模块）和独立的直流配电屏，监控器装在直流配电屏或整流器机柜上。

在组合式高频开关电源设备中，包含交流配电单元、整流模块、直流配电单元和监控器。

二、控制器

高频开关电源系统中的控制又称监控模块或监控单元，它与高频开关电源系统中的交流检测单元、直流检测单元和转接单元等组成本机监控系统，对开关电源系统及蓄电池组进行实时检测、控制和故障告警；并使开端电源能够远程监控，实现少人或无人值守。正是有了这种控制器，才使开关电源设备成为智能电源。

控制器的主要功能有： 

1)、检测：

可检测系统交流供电、电池状态、整流器状态、电池电流、主分路电流及故障内容。

2)、 控制：

系统开机/关机、均充开/关、整流器开机/关机、电池试验开/关。

3）、参数设置：

系统参数：整流器柜数。

电池参数：均充电压、浮充电压、 过压值、欠压值、充电限流值、转换电流等。

监控参数：设备编号、通讯接口、拨号方式、电话号码及故障回报开/关等。

通过通讯接口：RS232或RS485与监控中心连接实现“三遥”：

三、智能高频开关电源监控系统应用

智能高频开关电源监控系统是一个通信电源监控远程监控的集中监控系统。其主要功能是对监控范围内的电压环系统进行遥信、遥测、遥控，实时监视系统和设备的运行状态，记录和处理监控数据，及时检测故障并通知维护人员处理，从而实现通信站的无人或少人值守，以及电源的集中维护和优化管理，提高供电系统的可靠性和通信设备的安全性。

智能高频开关电源监控系统的基本机构：它一般是由集中监控中心（Supervision Center  SC）、区域监控中心（Supervision Station  SS）监控单元（Supervision Unit SU）和现场监控模块（Supervision Module SM）构成

根据用户及监控系统工程规范的要求，监控系统组网方案为三级结构：

1）、集中监控中心

--设在最高级监控中心机房内

--负责处理、存储、显示、管理各二级单位的监控站点

2)、区域监控中心

  --各二级单位监控中心机房内

  --负责查询、处理、存储、管理各自所辖的监控站

3)、现场监控单元

  --各单位所辖单个通信站等监控点

  --负责采集现场监控单元各个被监控设备的参数

1、 监控系统传输方式

任何一种监控系统都必须获取监控数据，传输方式则是达到这一目的不可缺少的手段。智能监控系统的组网、监控系统的规模及监控系统的监控量（内容）与传输方式具有密切的关系。

在监控系统中，不同的网络级别之间，可以采用不同的传输方式。

1）监控模块（SM）与监控单元（SU）之间的传输方式

监控模块（SM）与监控单元（SU）都处于监控现场，距离较近，一般采用专用数据总线，物理接口与传输速率有以下几种：

a. V.11/RS422

1.2-48kbit/s

b. V.10/RS432

1.2-48kbit/s

c. RS485

1.2-48kbit/s等。

2） 监控单元(SU)与上级监控中心之间的传输方式

监控单元(SU)与区域监控中心（SS）之间，宜采用两种传输手段，主辅备用，并能自动切换；而对于区域监控中心（SS）与监控中心（SC）之间的传输，可用的传输方式很多，一般应以专线为主，计算机公网或拨号公网电话网为辅，专线和拨号线之间应能自动切换。用于监控的传输网络有以下几种：

a. 数字数据网（DDN）

b. 分组交换网（PSDN）

c. 帧中继（Frame Relay）

d. 异步传输模式（ATM）

e. 话音专线（采用Modem）

f. 拨号电话线（采用Modem）

2、监控系统特点

  1)系统结构扩展性强

  --可根据用户需求进行多级组网

  --升级平滑无需收取任何软件费用

  2)现场监控单元采集设备模块化扩展性强

  --现场采集设备模块化设计有多种形态组合

  --采集设备有充分扩展接口作为预留

3、应用

目前这套智能高频开关电源监控系统已成功应用于中石油西气东输通信网中。

四、结论

高频智能开关电源监控系统的监控对象一般是电源设备，监控目的是完成三遥量的监控。随着维护需求的不断发展，对监控系统提出了更高更全面的要求。

要求监控对象更加全面，监控对象不仅要包括常规的电源设备和环境量，还应增加进出门识别、电池及电缆防盗等监控项目，现场安装警铃、警灯等警示设备，视频设备，空调设备运行状态等。

在增加监控对象的同时，监控系统的功能也要不断完善。除了完成三遥量的监控，监控系统还需增加新的功能，比如对现场环境温度的监控，节约电能。

参考文献：