开关电源电路范文
时间：2023-04-03 15:08:23
导语：如何才能写好一篇开关电源电路，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。
篇1
Abstract: The paper introduces the principle of switch power which is composed by current control type PMW UC3842 and analyzes the shortage of protective circuit and proposes an improving idea.
Key words: UC3842; switch power; protective circuit
中图分类号：TM56 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2010）36-0183-01
1UC3842的典型应用
UC3842的典型应用电路，该电路主要由桥式整流电路，高频变压器，MOS功率管以及电流型脉宽调制芯片UC3842构成。其工作原理为：220V的交流电经过桥式整流滤波电路后，得到大约+300V的直流高压，这一直流电压被MOS功率管斩波并通过高频变压器降压，变成频率为几十kHz的矩形波电压，再经过输出整流滤波，就得到了稳定的直流输出电压。其中高频变压器的自馈线圈N2中感应的电压，经D2整流后所得到的直流电压被反馈到UC3842内部的误差放大器并和基准电压比较得到误差电压Vr，同时在取样电阻R11上建立的直流电压也被反馈到UC3842电流测定比较器的同柑输入端，这个检测电压和误差电压Vt相比较，产生脉冲宽度可调的驱动信号，用来控制开关功率管的导通和关断时间，以决定高频变压器的通断状态，从而达到输出稳压的目的。R5用来限制C8产生的充电峰值电流。考虑到Vi及Vref上的噪声电压也会影响输出的脉冲宽度，因此，在UC3842的脚7和脚8上分别接有消噪电容C4和C2。R7是MOS功率管的栅极限流电阻。另外，在UC3842的输入端与地之间，还有34V的稳压管，一旦输入端出现高压，该稳压管就被反向击穿，将Vi钳位于34V，保护芯片不致损坏。
2UC3842保护电路的缺陷
2.1 过载保护的缺陷当电源过载或输出短路时，UC3842的保护电路动作，使输出脉冲的占空比减小，输出电压降低，UC3842的供电电压也跟着降低，当低到UC3842不能工作时，整个电路关闭，然后通过R6扦始下一次启动过程。这种保护被称为“打嗝”式（hiccup）保护。在这种保护状态下，电源只工作几个开关周期，然后进入很长时间(几百ms到几s)的启动过程，因此，它的平均功率很低。但是，由于变压器存在漏感等原因，有的开关电源在每个开关周期都有很高的开关尖峰电压，即使在占空比很小的情况下，辅助供电电压也不能降到足够低，所以不能实现理想的保护功能。
2.2 过流保护的缺陷UC3842的过流保护功能是通过脚3实现的。当脚3上检测的电压高于lV时，就会使UC3842内部的比较器翻转，将PWM锁存器置零，使脉冲调制器处于关闭状态，从而实现了电路的过流保护。由于检测电阻能感应出峰值电感电流，所以自然形成逐个脉冲限流电路，只要检测电阻上的电平达到lV，脉宽调制器立即关闭，因此这种峰值电感电流检测技术可以精确限制输出的最大电流，使得开关电源中的磁性元件和功率器件不必设计较大的余量，就能保证稳压电源的工作可靠。但是，通常我们采用的采样电阻都是金属膜或氧化膜电阻，这种电阻是有感的，当电流流过取样电阻时，就会感生一定的感性电压。这个电感分量在高频时呈现的阻抗会很大，因此它将消耗很大的功率。随着频率的增加，流过取样电阻的电流有可能在下一个振荡周期到来之前还没放完，取样电阻承受的电流将越来越大，这样将会引起UC3842的误操作，甚至会引起炸机。因此，UC3842的这种过流保护功能有时难以起到很好的保护作用，存在着一定的缺陷。
2.3 电路稳定性的缺陷电路中，当电源的占空比大于50％，或变压器工作在连续电流条件下时，整个电路就会产生分谐波振荡，引起电源输出的不稳定。变压器中电感电流的变化过程：没在t0时刻，开关开始导通，使电感电流以斜率m1上升，该斜率是输入电压除以电感的函数。t1时刻，电流取样输入达到由控制电压建立的门限，这导致开关断开，电流以斜率m2衰减，直至下一个振荡周期。如果此时有一个扰动加到控制电压上，那么它将产生一个I，这样我们就会发现电路存在着不稳定的情况，即在一个固定的振荡器周期内，电流衰减时闸减少，最小电流开关接通时刻t2上升了I+Im2/m1，最小电流在下一个周期t3减小到（I+Im2/m4）（m2/m1），在每一个后续周期，该扰动m2/m1被相乘，在开关接通时交替增加和减小电感电流，也许需要几个振荡器周期才能使电感电流为零，使过程重新开始，如果m2/m1大于1，变换器将会不稳定。
3保护电路的改进
针对上述分析，改进电路该电路具有：①通过在UC3842的采样电压处接入一个射极跟随器，从而在控制电压上增加了一个与脉宽调制时钟同步的人为斜坡，它可以在后续的周期内将I扰动减小到零。因此，即使系统工作在占空比大于50％或连续的电感电流条件下，系统也不会出现不稳定的情况。不过该补偿斜坡的斜率必须等于或略大于m2/2，系统才能具有真正的稳定性。②取样电阻改用无感电阻。无感电阻是一种双线并绕的绕线电阻，其精度高且容易做到大功率。采用无感电阻后，其阻抗不会随着频率的增加而增加。这样，即使在高频情况下取样电阻所消耗的功率也不会超过它的标称功率，因此也就不会出现炸机现象。③反馈电路改用TL43l加光耦来控制。我们都知道放大器用作信号传输时都需要传输时间，并不是输出与输入同时建立。如果把反馈信号接到UC3842的电压反馈端，则反馈信号需连续通过两个高增益误差放大器，传输时间增长。由于TL431本身就是一个高增益的误差放大器，因此，直接采用脚1做反馈，从UC3842的脚8（基准电压脚）拉了一个电阻到脚l，脚2通过R18接地。这样做的好处是，跳过了UC3842的内部放大器，从而把反馈信号的传输时间缩短了一半，使电源的动态响应变快。另外，直接控制UC3842的脚l还可简化系统的频率补偿以及输出功率小等问题。
4实验结果
UC3842检测电阻的电压波形和采样信号波形：经过改进后的电路，其采样信号的波形紧紧跟随检测电阻的电压波形，没有出现非常大的尖峰电压。因此，该电路能有效避免因变压器漏感等异常干扰引起的电源误操作的问题，也能有效避免因电源占空比过大而引起的系统不稳定的问题。
篇2
NJM2367只需7个外接元件，散热板的安装也相当简单，外壳封装为塑料TO-220（5个引脚）型。它是新日本无线公司的新产品。附表为它的主要电气特性。图1所示为它的引脚排列，图2为输入12V、使用NJM2367实现输出5V/5A的DC-DC变换器电路，图3所示为在实验板上实测的NJM2367主要输出特性。
电路与印制版的设计
1.电感L1
图2中的L1是这样设定的，即在L1中流过的脉动电流峰值应小于最大电流的10%，也就是要小于0.5A。如果脉动电流超过上述值，则NJM2367内部的过电流保护电路动作，输出截止。电感的铁芯宜采用允许大电流工作的环形铁芯。
将NJM2367内部的功率晶体管饱和压降记作Vset[V]，接通时间记作ton[s]，在L1中流过的脉动电流记作ΔIL[A]，输入电压记作Vin[V]，输出电压记作Vout[V]，则L1[H]可由下式求得：
L1=(Vin-Vset-Vout)ton/IL
图2中Vin=12V，Vset=1.8V，Vout=5V，ton=11.1μs，ΔIL≤0.5A，求得L1≈115μH，为留有余量，选定L1为180μH。
2.输出电容Cout
作为Cout电容，若选用等效串联电阻（ESR）低的器件，则可以有效地降低输出脉动噪声。通常，电容量越大，ESR也越大。因此比起使用单个大容量电容来说，还不如采用数个电容并联连接的结构形式更为有效。但由于在各电容中流过的脉动电流大小是不相等的，因此，如果使用不同特性的电容，则电流将集中于某个特定的电容中，从而有可能缩短该电容的使用寿命。
把脉动电压记作VRP-P，ESR与输出脉动电压的关系如下式所示：
ESR=VRP-P/IL
实际上，在大多数情况下，根据留有余量的原则，设定ESR为不大于上式计算值的1/2。
3.印制版电路的布线
图2中用粗黑线画的部分为较大的开关电流流经的电路，所以在电路连接时必须采用粗而短的线路来降低电路的阻抗。如果用细的线路连接，电路将产生很大的发射噪声，或者有可能使电路不能稳定地工作。开关电流的流动路径如下：
开关接通时，输入电容功率晶体管电感输出电容。
开关断开时，电感输出电容地二极管电感。
当随意地连接线路时，在输出端将会产生800mVp-p左右的尖峰脉冲噪声。因此采用单点接地的配线方法，使电路不形成公共阻抗，并使必要的线路尽可能地粗和短，这将使脉动电压得到明显的改善，达到小于100mVp-p的水平。
在图2电路中，当需要设定的输出电压高于5V时，可以追加虚线部分的电阻R1，并对R1进行调整。虚线电路中加接D1的作用，是当负载急剧变动时，为了防止IC遭到破坏而加入的保护性肖特基二极管。
内部电路工作状态
如图2所示，NJM2367内部含有基准电源、振荡电路、误差放大器、PWM电路和功率晶体管等，开关频率固定为72kHz。
为了使NJM2367在5个引脚、单片封装情况下输出5A的大电流，在IC电路中采取了下述措施：
1.低损耗和节省空间的过流保护电路
我们知道，对于使用电流取样电阻的过电流检出电路来说，由于在电阻上需要消耗一个恒定的较大的功率，因而它的电路效率很低。特别是在输出电流超过5A的DC-DC变换电路中，我们几乎无法忽视这种损耗。而在NJM2367中，采用将一个小功率晶体管同开关晶体管相并联连接的方法，通过检出该晶体管中流过的电流比值大小来使保护电路动作。
篇3
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关键词：开关电源；UCC3895；测控系统
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.10.012
引言
大中功率直流开关电源一般采用移相全桥DC/DC变换器 。实现全桥变换器的移相控制主要有以下三种方法：（1）采用分立器件进行逻辑组合；（2）采用DSP或CPLD实现数字控制；（3）采用专用集成控制芯片 。采用分立器件进行逻辑组合构成的模拟控制电路结构复杂，不利于开关电源小型化；采用DSP或CPLD实现数字控制的成本较高，且存在数字电路延迟；采用专用的集成控制芯片电路简单且成本较低。第三种方法中可以采用UCC3895芯片来产生PWM控制波形，UCC3895是一款优良的移相全桥控制芯片，有电压和电流两种控制模式，占空比可从0%～100%， 且可以为零电压开关（ZVS）提供高效高频的解决方案。国内外常用的移相全桥反馈模式为电流模式 ，但其双闭环控制电路复杂，不易实现。
由于单电压环反馈模式简单有效的优点，本文基于UCC3895移相全桥控制芯片采用单电压环加限流环的反馈模式和单片机相结合设计了直流开关电源数字模拟混合测控系统，详细设计了闭环系统、控制器参数、保护电路，显示电路，调压电路，并对测控系统进行了实验。
系统方案
采用应用广泛的TI公司生产的UCC3895芯片与单片机相结合的方案设计了直流开关电源数字模拟混合测控系统。如图1所示，利用UCC3895对DC/DC变化器主电路进行PWM移相控制，并与单片机相结合来实现对主电路的检测与反馈控制，以及输出过压，过流，过温等保护。其中，所选单片机型号为美国微芯公司生产的PIC16F873单片机。PIC16F873共28个引脚，内部自带5个10位A/D通道，2个定时计数器，2个脉宽调制（PWM）通道。
UCC3895电路设计
如图4所示，UCC3895的EAN脚为内部误差放大器反相输入端，E A O U T脚为误差放大器输出端，R 3、R 4、R 6、C 1、C 2、C 3构成了闭环控制系统的电压调节器，输出电压Vo经过电阻分压接到电压调节器反相输入端构成反馈电压，改变可调电阻R2的值可以改变电源输出电压。RT、CT可以实现开关频率的设定，A D S脚为自适应延迟死区时间设置端，接地表示输出延迟死区时间设为最大。限流调节器输出端也接到UCC3895的EAOUT脚，故障保护电路接到CS脚实现电源系统的故障保护功能。
故障保护电路设计
UCC3895的CS脚有过流保护功能，当CS脚电压高于2.5V时，UCC3895芯片将会被软关断，驱动脉冲被封锁，CS脚低于2.5V，芯片将进入下一个软启动过程。如图5所示，保护电路的设计就是基于CS脚的过流保护功能，正常情况下保护电路的输出为低电平，一旦出现输出过压、过流、过温等故障，相应的电压比较器输出高电平，同时故障信号被单片机检测，通过单片机数字控制也可使电压比较器输出为高电平，开关管T1导通，输出一个高于2.5V的高电平至CS脚，使芯片封锁驱动信号，从而使主电路停止工作，实现电源系统的数字模拟双重保护功能。
限流值可调的限流环电路设计
单片机与电路设计
单片机部分电路和电源状态显示电路分别如图7和图8所示。单片机部分引脚功能分配如下：AN0脚是限流信号检测，AN1脚是输出电压检测，AN2脚是输出电流检测，AN4脚是温度检测，其中AN0、AN1、AN2、AN4脚均为A/D转换端口。CCP2脚（PWM端口）提供可调的限流调节器的限流参考值，CCP1脚（PWM端口）提供可调的电压调节器的输出电压参考值，SCK、SDO、RB4脚用于电源状态显示，RB1脚（I/ O口）为单片机数字控制。单片机通过SPI（同步串行通讯）向移位寄存器SN74HC164发送电源当前工作状态数据，由移位寄存器把串行数据转换为并行数据并输出给显示模块。单片机RB4脚（I/O口）控制发光二极管的供电电压，在刚开机还没有采集工作状态之前，保证所有二极管不工作。单片机SCK（时钟）脚接在三个移位寄存器的脉冲输入口（CLK）作为脉冲输入。单片机SDO（SPI通讯数据输出）脚接到移位寄存器的数据输入口（A、B脚），并把三个移位寄存器接到一起串联使用。通过数码管实时显示输出电流值，通过4个LED灯图11 突加突减负载电压波形的亮灭表示电源当前的工作状态，其中发光二极管D4（绿灯）灯亮表示电源正常工作，D3（红灯）灯亮表示输出过压故障，D2（红灯）灯亮表示输出限流，D1（红灯）灯亮表示过温故障。
调压电路设计
单片机CCP1脚为PWM波端口，可以通过调节PWM波的占空比产生不同的电压。如图9所示，PWM信号经过滤波电路由数字量转变为模拟量输入到由运放5构成的电压跟随器进行缓冲与隔离，该模拟电压与参考电压VDD叠加构成分压电路，分压信号输入到由运放6构成的电压跟随器正向输入端。输出端经过滤波电路接到UCC3895芯片电压调节器参考电压端（EAP）。改变CCP1的PWM波占空比即可调整电压调节器参考电压，进而改变电源输出电压。图中由R2、R3、R4构成的分压电路可以设定PWM占空比为最低时电压调节器参考电压的最低值，保证电源电压的最低输出。可调电阻R2的作用是调节电压调节器参考电压的范围，改变R2的值，在输出占空比范围不变的情况下，输出参考电压的范围可以进行调整，进而改变电源输出电压的范围。图12 过载限流波形
实验及结果
图10是直流开关电源上电输出电压瞬态波形，上电输出瞬态电压的超调量为1.1%，调整时间为50ms，稳态误差为0.5V。图11是直流开关电源突加突减负载输出电压瞬态波形，突加突减负载输出瞬态电压的恢复时间为30ms，电压动态降落为22%。图12是突加过载限流波形，过流后限流环起作用，通过调节输出电压，使得电流很快限制在限流值上。
篇4
关键词：开关电源；反激式电路；高频变压器
引言
开关电源是综合现代电力电子、自动控制、电力变换等技术，通过控制开关管开通和关断的时间比率，来获得稳定输出电压的一种电源，因其具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点，在现代电力电子设备中得到广泛应用，代表着当今稳压电源的发展方向，已成为稳压电源的主导产品。文章设计了一种基于TOP-Switch系列芯片的小功率多路输出DC/DC的反激式开关电源。
1 电源设计要求
文章设计的开关电源将用于轨道车辆电动门控制系统中，最大的功率为12W，分四路输出，具体设计参数如下：（1）输入电压Vin=110V；（2）开关频率fs=132kHz；（3）效率η=80%；（4）输出电压/电流 48V/0.2A，15V/0.02A-15V/0.02A，5V/0.3A；（5）输出功率12W；（6）电压精度1%；（7）纹波率1%。（8）负载调整率±3%，电源最小输入电压为Vimin=77V，最大输入电压为Vimax=138V。考虑到设计要满足结构简单，可靠性高，经济性及电磁兼容性等要求，结合本设计输出功率小的特点，最终选用了单端反激式开关电源，它具有结构简单，所需元器件少，可靠性高，驱动电路简单的特点，适合多路输出场合。
2 单端反激式开关电源的基本原理
单端反激式开关电源由功率MOS管，高频变压器，无源钳位RCD电路及输出整流电路组成。其工作原理是当开关管Q被PWM脉冲激励而导通时，输入电压就加在高频变压器的初级绕组N1上，由于变压器次级整流二极管D1反接，次级绕组N2没有电流流过；当开关管关断时，次级绕组上的电压极性是上正下负，整流二极管正偏导通，开关管导通期间储存在变压器中的能量便通过整流二极管向输出负载释放。反激变压器在开关管导通期间只存能量，在截止期间才向负载传递能量，因为能量是单方向传导，所以称为单端变化器[1]。
图1 单端反激式开关电源的原理图
3 TOP-Switch系列芯片的介绍及选型
TOP-Swtich单片开关电源是开关电源专用集成电路，它将脉宽调制电路与高压MOSFET开关管及驱动电路等集成在一起，具备完善的保护功能。使用该芯片设计的小功率开关电源，可大大减少电路，降低成本，提高可靠性[4]。
对于芯片的选择主要考虑输入电压和功率，由设计要求可知，输入电压为宽范围输入，输出功率不大于12W，故选择TOP264VG。
4 电路设计
本设计开关电源的总体设计方案如图2所示。
4.1 主电路设计
4.1.1 变压器设计
变压器的设计是整个电源设计最重要的部分，它的设计好坏直接影响到整个电源性能。
（1）磁芯和骨架的确定
由参考文献[1]可查出，当P0=12W时可供选择的铁氧体磁芯型号，由于采用包线绕制，而且EE型铁芯廉价，磁损耗小且适用性强，故选择EEL19。从厂家提供的磁芯产品手册中可以查到磁芯有效截面积Ae=0.23cm2，磁路有效长度Le=3.94cm2，磁芯等效电感AL=1250Nh/T2
（2）确定最大占空比
（式中VOR为初级感应电压，VDS为开关管漏源导通电压，其中VOR=135V，VDS=10V）
（3）初级波形参数计算
初级波形的参数主要包括输入电流平均值IAGV、初级峰值电流IP
输入电流平均值
初级峰值电流
（其中KRP为初级纹波电流IR与初级峰值电流IP的比值，当反激式开关电源工作在不连续状态时取KRP=1）
（4）确定初级绕组电感
（5）计算各绕组的匝数
初级绕组的匝数 实取33匝
次级为5v输出的绕组定义为NS=4turn
对于±15V输出 实取12匝
对于48V输出 实取36匝
对于偏置绕组 实取10匝
4.1.2 无源钳位电路的设计
反激式开关电源，每当功率MOSFET由导通变为截止时，在开关电源的一次绕组上就会产生尖峰电压和感应电压，和直流高压一起叠加在MOSFET上，漏极电压
这就要求功率MOSFET至少能承受450V的高压，并且要求钳位电路吸收尖峰电压来保护功率MOSFET。本电源的钳位电路由稳压管和二极管D1组成，其中VR1为瞬态电压抑制器P6KE200，D1为快恢复二极管IN4936，当MOSFET导通时，原边绕组电压上正下负，使D1截止，钳位电路不起作用；当MOSFET截止瞬间，原边绕组电压上负下正，使得D1导通，电压被钳位在200V左右。
4.1.3 输出环节的设计
以+5V输出为例，次级绕组高频电压经肖特基二极管SB120整流后，用超低的ESR滤波，为了得到获得更小的纹波电压，在设计时又加入了次级LC滤波器，实验表明，输出的电压更符合期望值。
4.2 反馈环节的设计
反馈回路主要由PC817和TL431组成，这里用的TL431型可调式精密并联稳压器来代替普通的稳压管，构成外部误差放大器，进而对输出电压作精密调整，当输出电压发生波动时，经过电阻R13、R14分压后得到取样电压与TL431中的2.5V的基准电压进行比较，在阴极K上形成误差电压，使光耦合器中的LED工作电流产生相应变化，再通过光耦合器去改变单片开关电源的控制端电流，进而调节输出占空比，使输出电压维持不变，达到稳压目的。
5 结束语
文章设计的开关电源具有结构简单，所需元器件少，体积小，成本低的特点，并且满足所有设计要求，在轨道车辆电动门控制系统中有很好的应用前景。
参考文献
[1]杨立杰.多路输出单端反激式开关电源的设计[J].现代电子技术，2007.
[2]沙占友.开关电源实用技术[M].北京：中国电力出版社，2011.
篇5
关键词：高频开关电源 通信电源 监控系统 应用
一、引言
本文通过探究高频开关电源系统的总体结构及工作原理、在铁路系统中的应用和应用效果，得出高频开关电源具有各项技术指标合格、功能齐全、可靠稳定的运行等方面的优势，从而使通信电源的可靠性和安全性得以提高。
二、高频开关电源系统的总体结构及工作原理
（1）总体结构
整流模块、配电模块、主监控单元、交流配电单元等组成了高频开关电源系统的总体结构，通过通信线主监控单元的控制和管理功能输送给主监控系统各个监控单元采集的信息。由其进行统一管理。直流系统各种信息在主监控中显示，通过触摸显示屏用户能够查询和操作信息，在远程监控系统中也能够接入系统信息。除了基本单元中的开关量监控、直流监控、交流监控等，在系统中还配置有电池巡检、降压装置、绝缘监测等功能单元，从而实现全面控制直流系统。在工作状态下，经过交流切换装置两路电流输入一路电流，供电给整流模块。输入三相电流在整流模块中被转换为直流电，供电给合闸母线负载，并且给蓄电池充电，除此之外通过降压装置合闸母线供电给控制母线。这个系统结构是集充电和整流两项功能于一体。高频开关电源系统的组成图如下：
a、交流配电模块
对交流电源的检测、保护、处理都是通过这个模块来实现的。交流输入切换装置在交流输入正常时提供两路380伏电源给直流电源系统的整流模块，这两路电源的自动切换系统都能够实现，在正常运行中给蓄电池充电是通过整流模块来实现的，并且提供交流电给站内。整流模块在站内失去交流电的时候停止工作，通过逆变电源蓄电池提供交流电源给站内，还装有防雷器在交流配电模块上，过电压的冲击能够被有效的避免，电源系统的正常运行得以保证。
b、整流模块
交流电被这个模块整流变为直流电，即高压开关。CPU存在于该模块中，模块自身的运行状况能被它控制、监视，在脱离系统监控模块的情况下能够独立运行。
c、集中监控模块
在直流电系统中，集中监控模块是管理、控制的核心，系统各单元的状态与运行参数能够被其实时监测，并且自动管理电源系统，人为操作减少，使系统工作的安全性、可靠性、连续性得到了保证。
d、直流配电模块
在直流供电中这个模块起着枢纽的作用，蓄电池组和整流输出的电流被其汇接成直流输出母线，并且该母线具有不间断性，再分接这个母线为各种容量的负载供电支路，把相应的负荷开关或熔断器串入之后，供电给设备。
（2）工作原理
开关K以一定的频率重复的断开或接通。断开K时，输入电源Vi能量的供给便会中断；接通K时，输入电源Vi通过滤波电路和开关K提供能力给负载R0。必须有一套储能装置在开关电源中才能提供负载连续的能量，一部分能量被储存起来在接通开关K时，存储能量被提供给负载在断开开关K之后。在图中具有这样功能的部分是二极管D、电容C和电感L所组成的电路。用电感L来存储能量当接通开关K时，通过二极管D电感L中的能量释放给负载在断开开关K时，这样负载能够得到稳定而连续的能量。电子开关K按一定的频率开关的时候，越长时间的导通，输出电压就会越高，反之输出电压变低。一般在开关频率一定时，通过调整开关时间的长短，开关电源对输出电压的高低进行控制。开关时间的长短被有的开关电源用来作为恒定的标准，对输出电压高低的改变是通过改变开关频率来实现的。
三、应用高频开关电源的必要性
目前在大部分铁路供电系统中，磁饱和式电源或相控电源是大部分直流设备电源所采用的电源形式，直流的输出是通过硅充电装置及直流发电机来实现的，在期间特性和工艺水平的限制下，很难进行基层维护保养，低技术指标是电源长期处于的状态。上述电源在在可控硅自身参数或变压器的限制下有很多不足之处，如：压力过大的系统纹波、不稳定的浮充电流和初充电流、不佳的控制特性等。并联运行的蓄电池与充电设备，在偏低的浮充电压波动或出现较大电源纹波系数时，充电放电现象会出现在蓄电池脉冲波动中，会损坏单体的蓄电池或蓄电池组。另外，效率不高、体积庞大、投资过大等也是上述电源的不足之处，在当今迅速发展的电力工程，该电源已不能适应发展的需要了。而高频开关电源具有的优势是模块可叠加输出、动态相应快、输出波纹极低、重量轻、体积小、效率高等，这样磁饱和式电源或相控电源将被高频开关电源所替代。
四、高频开关电源的特点
（1）硅链分级调压装置被应用在高频电源开关中，大大提升了电源稳流稳压的精确度，仅为≤±0.5%的误差率，使蓄电池的欠充与过充现象避免发生，蓄电池运行的稳定性得到了保证。
（2）微机绝缘监测装置被应用在该系统中，线路对地电阻能够被实施监测到，直流系统绝缘情况也能够被监视到。当出现降到设定值的线路对地绝缘的情况时，就会发出告警把绝缘降低的回路指出，很到程度上缩短了直流系统接地的查找时间。
（3）在并联运行时整流模块具有均充功能，而且当短路冲击系统的时候，准确的动作也会出现在过流过压等保护中，系统运行的安全性得到保证。
（4）微处理器被内置于整流模块中，它很大程度上提高看设备的先进性，更加方便的安装调试，接线简单。模块的运行状况在面板上能直接被看到，网络通信通过电力系统与监控模块能够实现自动化和“四遥”功能，而传统的直流电源自动化程度低并且接线复杂。
（5）具有效率高的特点，在开关电源中使用的功率器件功耗较小时，如果开关电源带有功率因数补偿，可达到88%甚至91%的整机效率。
（6）具有功率因数高的特点，当可控硅导通角变化的时候，相控整流器的功率因数也会发生变化，在小负载的时候仅为0.3左右，在全导通的时候可接近0.7以上。开关电源被矫正后，0.93是其正常的功率因数，负载变化基本不会对其产生影响。
（7）具有可闻噪声低的特点，滤波电感和工频变压器在相控整流设备中运行时产生可闻噪声较大，大于60dB，开关电源在无风扇的情况下可闻噪声仅有45dB左右。
（8）在高频开关电源中采用的供电方式是N+1模块冗余并联组合方式。重复配置系统的一些部件被称为N+1模块冗余，当某一设备发生损坏时它作为后备式设备能够自动替代该设备。如在四个均衡的整流模块负载中，N+1模块冗余提供电力给工作中的系统，一个高频开关有问题的时候，所有的负载由其余的承担。N+1模块冗余供电方式使不中断供电得以实现，并且使电源成本降低了。
五、高频开关电源系统的核心部分――整流器
整流器组成如下图：
整流器的线路滤波器有单相防雷功能并且能够将电网干扰滤除；控制器及交流缓启动能够防止启动电源时所引起的过冲电流。经过警告、控制、有源功率因数及整流桥电路不仅能变成314伏的高压直流电，而且还能使输入电压与输入电流波形同为正弦波、相位一致，最终功率因数接近1，在输入欠压或过压的时候采取保护措施。在经过告警、控制及DC―DC保护电路的高压直流电变成高频交流，进行再次整流，得到可靠稳定的48伏或24伏直流。PWM谐振软开关、民主均流、有源功率因数校正三项新技术被应用在整流模器，使整流器模块输出可靠稳定的电流得到了保证。对电网而言，有源功率因数校正电路展现的是一个纯电阻负载，具有高功率因数，使高频开关电源的工作效率得到了很好的发挥；就民主均流技术而言，均流措施存在于整流器中，均衡分配负载，避免负载过重使个别整流器的使用寿命受到影响，系统的可靠性大大提高了；就PWM谐振软开关而言，在开关频率不变和输入电压幅度不变的条件下，改变占空比对输出电压的高低进行控制，实现稳压，这个过程被称为PWM即脉冲宽度调制法。在开关管截止或导通时没有功率损耗而且在时间上电压和电流没有重合，这个开关就是软开关。电容器并在开关两端并且增加一个谐振电感在逆变电路上，开关管就转变成了软开关。开关管在谐振电感增加后导通时会产生往后移的电流轨迹，零点流导通得以实现；电容器并在开关两端，截止时会源漏两极会产生往后移的电压上升轨迹，零电压截止得以实现。PWM谐振软开关技术被采用后，在电源设备中只需自然风不要使用风扇，整流器热量很小。
六、整流模块的功能
（1）输出过电压保护
用电设备会因为过高的输出电压而出现重大事故，而过压保护电路设置在模块内部能防止此类事故发生过。模块在出现过压时自动锁定，而且故障指示等会亮，模块从工作状态中自动退出，最终整个系统的正常运行不会受到影响。
（2）输出限流保护
输出功率在每个整流模块中都受到限制，不能过大的输出电流，所以输出电流在每个模块中的最大限制是1.2倍额定输出电流，在超出负载的情况下输出电压会被模块自动调低，模块的功能得到保护。
（3）短路保护
在输出短路时，短路电流被限制在限流点之下，输出电压被模块瞬间拉低到零，此时很小的模块输出功率，可以保护模块，这样在短路状态下模块不会损坏可以长期工作，模块在排除故障后可以自动恢复工作。
（4）模块并联保护
并联保护电路存在于每个模块内，在发生故障时能够保证模块自动退出系统，其他正常模块的工作不会受到影响。
（5）过温保护
保护大功率变流器件是过温保护的主要功能，安全极限值均存在于这些器件的电流和结温过载能力，系统在正常工作时留有足够余量，但是在风机停转灯、环境温度过高等特殊情况下，检测散热器温度超过一定值的，模块就会自动关机保护，重新动启动模块自是在温度降低到正常范围时。
（6）电压调节功能
这里主要指的是输出电压调节，电压调节器设置在模块的输出端，当连接监控单元和模块的 时候，由监控系统来设定输出电压，此时是无效的电位器调节。
（7）过流保护
大功率变流器件中主要应用过流保护，如果器件承受的流每一个周期的变流中被通过的电流超过，功率器件被模块关闭，最终很好的保护功率器件。
（8）测量功能
这个功能用来测量模块的工作状态以及输出电流和电压，而且在LCD上进行显示，对于系统和模块的工作状态用户能够方便直观的了解到。
（9）遥控功能
遥信：对模块的工作状态监测通过远程监控来实现；遥测：输出电压和输出电流的值可以在模块工作时进行测量；遥调：调节控制对输出电压和输出电流；遥控：对备用电源的均/ 浮充状态和模块的开/ 关机状态进行控制。
七、高频开关电源系统在实际中的应用及应用效果
（1）根据用户的实际需要电源监控系统定义多级权限，管理并自动记录设备地点名、名称、方式，有利于打印、分析、查询数据。
（2）通过实际应用的检验，高频开关电源系统操作直观、简单，各项技术指标合格，功能齐全、可靠稳定的运行、动作可靠，及时准确地反映故障，不需要专业人员维护和管理设备，正常供电受影响的现象从来没有发生过。更加稳定的性能和更高的精确度使变电站设备运行的可靠安全性得到了保证。
八、结束语
综上所述，高频开关电源在铁路通信网中的应用，使通信电源的可靠性和安全性得以提高，高频开关电源系统操作直观、简单，各项技术指标合格，功能齐全、可靠稳定的运行、动作可靠，能够及时准确地反映故障。
参考文献：
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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
关键词：开关电源;原理;原理框图;电路图
电子技术教学中，我们有的教师对开关电源部分内容常常忽视，这与目前生产、生活实际是不符，本文根据自己的教学实践，对开关电源教学谈一些认识。
一、明确开关电源教学的重要性
简单的分类，直流稳压电源有串联型线性直流稳压电源和开关型直流稳压电源。串联型线性直流稳压电源由整流、滤波、稳压等部分组成，稳压部分的调整部分工作在线性状态，学生易理解，掌握串联型线性直流稳压电源的工作原理和进行实际电路分析也是较为容易的。
开关电源（SwitchingMode Power Supply，SMPS）采用“交流直流交流直流”变换技术，是一种组合变流电路，包括由冲击电流限幅、输入滤波器、输入侧整流与滤波、逆变、输出侧整流与滤波等部分组成的主电路，以及控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成。开关电源较直流线性稳压电源复杂，但开关电源功耗小，转化率高，且体积和重量只有线性电源的20%―30%，目前它已成为稳压电源的主流产品。因此我们在教学时应重视开关电源这部分内容，不要淡化它。
二、读懂开关电源原理框图
要理解开关电源工作原理，会分析开关电源电路图，那就要读懂开关电源原理框图。下图就是典型的开关直流稳压电源原理框图。
图1 开关直流稳压电源原理框图
（一） 框图组成
框图由主电路、控制电路、检测比较放大电路、辅助电源四大部份组成。
1.主电路。主电路即完成“交流直流交流直流”变换的功能电路部分，由冲击电流限幅、输入滤波器、输入侧整流与滤波、逆变、输出侧整流与滤波等部分组成;冲击电流限幅部分功能：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流;输入滤波器功能：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网;输入侧整流与滤波：将电网送来的交流电直接整流滤波为较平滑的直流电;逆变：利用开关调整电路将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分;输出侧整流与滤波：根据负载需要，将高频交流电进行整流与滤波，提供稳定可靠的直流电源。
2.控制电路。一方面从输出端取样，与设定值进行比较，然后去控制逆变器（开关调整电路），改变其脉宽或脉频，使输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对电源进行各种保护措施。
3.检测电路。提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。
4.辅助电源。实现电源的软件（远程）启动，为保护电路和控制电路（PWM等芯片）工作供电。
（二）开关电源的工作原理
开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件（开关管），开关元件以一定时间间隔重复地接通和断开，在开关元件接通时输入侧整流滤波的直流电通过逆变器（开关管）、输出侧整流滤波电路向负载提供能量，当开关元件断开时，电路中的储能装置（有电感、电容等组成）向负载释放开关接通时所储存的能量，使负载得到连续稳定的能量。
根据开关电源输出的直流电压情况，经过取样进行检测比较放大得到反映输出电压稳定情况的误差信号，将其送入控制电路产生控制信号，控制信号经驱动电路后对逆变器的开关元件的占空比（导通时间与周期之比）进行控制，这样传到输出端的能量得到调整，即调整输出电压使其稳定。
三、读懂开关电源电路图
读开关电源电路图，不要急于弄清某一元器件的作用，要按一定顺序逐步进行。首先，找到来自电网的交流电位置（即“信号”入口，）和直流稳压电源稳定电压输出位置（“信号”出口）;其次，找到开关电源电路的主电路（“主信号”电路，正向电路），它由冲击电流限幅、输入滤波器、输入侧整流与滤波、逆变、输出侧整流与滤波等部分组成;找到反馈控制电路，它由取样比较放大、时钟振荡电路、脉宽（脉频）调制电路、驱动电路等组成;最后对开关稳压电源的主电路和反馈控制电路的各组成部分进行分析，分析出各部分的功能和作用，具体到每一个元器件的功能和作用;完成以上分析后，引导学生再回头体会开关稳压电源的原理，会有更深刻的理解。
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。作为电子技术的教学专业人员，有必要将开关电源这部分教学内容向学生讲清楚，讲明白。
参考文献：
[1]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].机械工业出版社.2009.
篇8
【关键词】开关；电源；原理；趋势
电子设备的运作需要电源供电，因而一个安全高效的电源，是组成技术指标合格的电子设备的必要部件之一。当下最常见的直流稳压电源主要有两类，一类是线性电源，另一类是开关电源。线性电源稳定性较好，输出纹波电压小，但要浪费较多的调整管功率，所以电源体积较为臃肿。相比之下，开关电源高效节能，外形小却能稳定输出较高电压，并且扩充方便，包含技术含量高，常被应用于数码设备、计算机等。开关电源是稳压电源未来发展的主流趋势，在当下已经较为普遍的应用于各个领域。
一、开关电源的基本原理及组成
（一）开关电源的基本原理
根据控制原理的差异，开关电源分为三种：脉宽调制、脉频调制和混合调制。
（1）脉冲宽度调制式，简称脉宽调制式（Pulse Width Modulation，缩写为PWM），当前集成开关电源多采用此种方式。这种方式稳定电压的方式是，在开关频率不变化的前提下，依靠脉冲宽度的增大或缩小改变占空比例，进而调节电压达到稳定。它核心部件是脉宽调制器。滤波电路的运行十分便捷，因为开关是按照稳定的周期工作的。然而，这种控制方式也有缺陷，它不能宽范围地调整输出的电压，因为受功率开关最小导通时间不够的话，就不能完成宽范围的调整。还有一个缺陷就是，输出端要求较高，为了避免空载时电压输出上升，需要安排接假负载。
（2）脉冲频率调制方式，简称脉频调制式（PulseFre-quency Modulation，缩写为PFM）。在这种调制方式运作的时候，脉冲宽度是固定的，开关频率的增加或减少控制了占空比，使得电压保持稳定。脉频调制器是它的核心部件。设计电路的时候，它不使用脉宽调制器中的锯齿波发生器，取而代之的是，用固定脉宽发生器，同时，使用电压/频率转换器来调节频率的变化。
这种调节方式的基本原理是，调节控制器输出信号的脉冲宽度的运转周期，改变其占空比，从而控制输出电压Uo保持稳定。它输出电压范围宽，输出端可不接假负载。
（3）混合调制方式，在这种调整方式下，可以灵活调整脉冲宽度或开关频率，它属于PWM和PFM的混合方式。混合调制方式兼有脉宽调制器和脉频调制器两种组件。由于tp和T均可单独调节， 因此占空比调节范围最宽，适合制作供实验室使用的输出电压可以宽范围调节的开关电源。
此三种方式都可以叫做时间比率控制（TimeRatio Control， 简称TRC）方式。其中，脉宽调制器在诸如UC3842型脉宽调制器中是一个独立的集成电路，而在LM2576型开关稳压器、TOP250型单片开关电源集成电路中与其他设备一同集成使用。
（二）开关电源的组成
（1）输入电路：线性滤波电路、浪涌电流抑制电路、整流电路。
（2）变换电路：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。
（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、采电路、比较放大、V/F变换、振荡器。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、电源开关的发展趋势
开关电源是稳压电源未来发展的主流趋势，在当下已经较为普遍的应用于各个领域。接下来，笔者立足当前的开关电源的发展实际和理论发展，浅析开关电源的未来其发展趋势。
（一）小型高频化
磁性元件和电容的大小和质量决定了电源大小。当前的技术开发的一个方向在于，减小这些元件的大小，并尽可能低提升开关频率。这样既能减小电源尺寸受到磁性元件和电容尺寸和重量的影响，还能避免受到不必要因素的干扰，提升系统性能，所以小型高频化是开关电源的发展趋势之一。
（二）使用稳定化
比起线性使用的电源，开关电源的使用次数要多好多倍，由于经常使用其稳定性便不如前者。电解电容、光耦合器及排风扇这些部件是决定使用的稳定性和时间长短的要素。因此，当下的设计正是从集成度的提升着眼，尽力地改善器件的使用，增强开关电源的稳定性。进化，开关电源的集成度还有待提高。比较可取的是，利用模块化技术，它可以提升开关的稳定性，适合用于分布式电源系统。
（三）低噪化
在传统的开关电源中，频率越高噪声越大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声，所以低噪声化也是开关电源的未来发展趋势之一。
（四）计算机智能控制化
当前计算机操作系统不断革新，未来的电路将会加以结合，利用微机检测和控制，能有效、多反面监控系统，实时检查、登记和预警等。
（五）低压输出化
随着半导体制造技术的不断发展，微处理器和便携式电子设备的工作越来越低，这就要求未来的DC-DC变换器能够提供低输出电压以适应微处理器和便携式电子设备的供电要求。
三、总结
本文的上半部分，分析了开关电源根据控制原理的差异可以分为三种：脉宽调制、脉频调制和混合调制，同时还介绍了开关电源的结构及构成原理。
后半部分，立足当前的开关电源的发展实际和理论发展，分析未来其发展趋势为：小型高频化、使用稳定化、低噪化、计算机智能控制化和低压输出化等。
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，王晓君，庞志锋.集成稳压电源实用设计软件[M].北京：中国电力出版社，2008.
篇9
【关键词】电流脉宽调制;PWM;Pspice
1.概述
电源是电子设备的心脏部分，其质量的好坏直接影响电子设备的可靠性，电子设备故障60%来自电源，开关稳压电源的调整工作在开关状态，主要优越性是高达70%-95%变换效率。
目前，空间技术、计算机、通信、雷达、电视及家用电器中的稳压电源已逐步被开关电源取代。开关稳压电源的优越性主要表现在：功耗小，稳压范围宽，体积小、重量轻[1] [2]。
传统的线性电源具有稳压性能好、输出纹波电压小、使用可靠等优点，但工频变压器体积庞大，调整管工作于线性放大状态，导致电源功耗大、效率低、发热严重。开关电源采用功率管作为开关器件，工作于开关状态，损耗小;工作频率在几十到上百千赫兹，滤波电容、电感的数值较小。线性稳压电源允许电网波动范围为220v×（1±10%）， 对电网的适应能力很强。另外，由于功耗小、机内温升低，提高了整机的稳定性和可靠性[3]。
2.系统整体概述
开关电源可分成：机箱（或机壳）、电源主电路、电源控制电路三部分。机箱既可起到固定的作用，也可起到屏蔽的作用;电源主电路负责进行功率转换，通过适当控制电路将市电转换为所需的直流输出电压;控制电路根据实际需要产生主电路所需的控制脉冲及提供保护。开关电源的结构框图如图1所示：
图1 开关电源的结构框图
电源主电路通过输入整流滤波、DC-DC变换、输出整流滤波将市电转为所需的直流电压。开关电源主回路可以分为：输入整流滤波回路、功率开关桥、输出整流滤波三部分。输入整流滤波回路通过整流模块将交流电变换成含有脉动成分的直流电，通过输入滤波电容使脉动直流电变为较平滑的直流电;功率开关桥将滤波所得直流电变换为高频方波电压，通过高频变压器传送至输出侧。由输出整流滤波回路将高频方波电压滤波为所需直流电压或电流。
控制电路为主回路提供正常功率变换所需的触发脉冲。具有以下功能：控制脉冲产生电路、驱动电路、电压反馈控制电路、各种保护电路、辅助电源电路[4] [5]。
3.软开关技术
软开关技术指零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）。图4所示为功率开关管在软开关及硬开关下的波形：
图2 软开关理想波形和硬开关波形
软开关包括软开通和软关断。软开通包括零电流开通及零电压开通，软关断包括零电流关断及零电压关断，可按照驱动信号时序来判断。
零电流关断：关断命令在t2时刻或其后给出，开关器件端电压由通态值上升到断态值，开关器件进入截止状态。
电压关断：关断命令在t1时刻给出，开关器件电流由通态值下降到断态值后，端电压由通态值上升到断态值，开关器件进入截止状态。在t2前，开关器件端电压必须维持在通态值（约等于零）。
零电压开通：开通命令在t2时刻或其后给出，开关器件电流由断态值上升到通态值，开关器件进入导通状态。在t2前，开关器件端电压必须下降到通态值（约等于零），电流上升到通态值以前维持在零。
零电流开通：开通命令在t1时刻给出，开关器件端电压由断态值下降到通态值以后，电流由断态值上升到通态值，开关器件进入导通状态。在t2以前开关器件电流必须维持在断态值（约等于零）[6] [7]。
图3 电源控制电路框图
4.控制电路
根据电路功能将控制电路分为几部分：脉冲产生电路、触发电路、电压反馈控制电路、软启动电路、保护电路、辅助电源电路等[8]，控制电路如图3所示。
脉冲产生电路是控制电路的核心。脉冲产生电路根据电压反馈控制电路、保护电路及软启动电路等提供的控制信号产生所需脉冲信号，该脉冲信号经过触发电路的放大驱动开关元件，使开关管导通或关断。
控制电路输出的PWM信号，电平幅值和功率能力均不足以驱动大功率开关元件，需要选择合适的驱动电路。驱动电路将控制电路输出PWM脉冲信号经过电隔离后进行功率放大及电压调整驱动大功率开关管，脉冲幅度以及波形关系到开关管的开关过程，直接影响损耗，需合理设计驱动电路，实现开关管最佳开通与关断[9][10]。
5.系统仿真
5.1 总电路设计
利用理想电源代替振荡器，通过设置时钟周期给定振荡频率，仿真时控制震荡频率外接定时电阻和电容的6、7脚均可不接。简化输出电路，利用两个晶体管模拟输出级，关闭控制端用数字激励驱动，内部逻辑利用数字仿真器进行仿真。电路参数选择和设计时，应考虑上述简化对系统的影响[11] [12]。
图4 总电路设计图
5.2 PWM模块
根据PWM产生的原理得到仿真模块，用以产生可调的PWM信号。工频脉冲信号，通过比较器，经积分器产生三角锯齿波，通过比较取符号产生一路脉冲信号，由分频器产生两路互补驱动脉冲，输入调节PWM信号的占空比[13]。
图5 PWM仿真图
6.结论
采用组合式变换器实现多路输出、多种保护。通过Pspice仿真，验证了设计思路的正确，理论性的可实现。
参考文献
[1]丁道宏，陈东伟.电力电子技术应用（第四版）[M].航空工业出版社，2004.
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[9]赵广林编著.Protel 99 SE电路设计与制作[M].电子工业出版社，2005.
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[13]汪阳.智能高频开关电源的研究[D].武汉大学硕士学位论文，2002.
篇10
【关键词】变压器耦合并联型；开关电源；检修
彩色电视机的电源系统包括开关稳压电源和行输出变压器脉冲整流电源两大部分。开关稳压电源具有效率高、重量轻、稳压范围宽、稳定性和可靠性高、易于实现多路电压输出和遥控开关等优点。按稳压控制方式分调宽式和调频式，按开关变压器与负载的连接方式分为串联型和并联型，按振荡启动方式分为自激式和他激式。不同类型的开关电源电路，工作方式不同，在电路结构上会有较大的差异。而且开关电源电路的损坏在彩电维修中占有很大的比例。现具体讨论变压器耦合、并联输出、自激式、调宽稳压型开关电源的检修注意事项和检修方法。
一、检修注意事项
由于开关电源工作在高电压、大电流的情况下，所以为了实现安全、快速的检修，必须注意以下几点：
1、为了避免事故发生，检修时必须才取必要的措施。在被检测电源输入端外接1:1隔离变压器，将检修整机与电网火线隔离开来。另外最好把工作台铺上绝缘胶垫。
2、检修时应注意人身、仪器的安全。由于“热底板”存在着与电网火线相通的可能，因此应注意电源部分“热底板”和“冷底板”的区域范围。
3、市电输入回路的延时熔丝管或供电回路的保险电阻烧坏，不能采用导线短接的方法进行检修，以免扩大故障范围。
4、开关电源未起振时，大部分彩电的300V供电的滤波电容会在关机后存储一定的电压，必须先将存储的电压泄放掉后再检修，以免损坏测量仪表或扩大故障范围。
5、检测开关电源不同部位的电压时，要选择好接地线。即测开关电源初级部分的关键点电压时，应选择300V供电的滤波电容负极为“地”，而测开关电源输出端电压时，应该以高频调谐器外壳或与其相通的部位为“地”，否则会导致所测电压不准。
6、开关管击穿后，必须检查故障确定原因后再通电试机，以免更换后的开关管再次击穿。
7、检修过压保护电路动作的故障时，不能轻易脱开保护电路进行检修，以免扩大故障范围。
8、需要暂时断开负载，以判断故障是在负载的行输出级还是在开关电源部分时，必须在开关电源的输出端接上一个假负载才能开机。假负载需接在B＋电压的滤波电容两端或B＋供电的整流管负极与地之间，而不能接在B＋整流管正极与地之间。当采用断开稳压电路检修时，应在交流电压输入端串接一个100W灯泡降压，防止输出电压过高而烧坏元件。
二、检修时的检测要点
不同类型的开关电源电路，由于工作方式的不同会在电路结构上有较大差异，但基本工作原理和方框结构比较相近，检测要点也基本相同。
1、输入端“交～直变换”的检测要点
输入端的“交～直变换”是指220V输入回路、整流、滤波这部分电路，它的任务是把220V的交流电压变换成直流电压，输送到开关管的集电极。因此，通过检测开关管集电极上有无250～340V左右的直流电压，来判断这部分电路工作是否正常。若此电压为零，表明电路出现断路故障，应先对其进行检修，使其达到正常后，才能检修其他电路。
2、开关振荡电路的检测要点
开关振荡电路是开关电源的关键部位，它包括开关变压器（主要是初级绕组和正反馈绕组）、开关管、启动电路和正反馈电路。
（1）开关振荡电路是否起振的判断方法如下：
1）直流电压检测法：检测开关管基极有无0.1～0.2V的负电压，有负电压即表示已经起振。
2）“dB”电压检测法：用万用表的dB挡检测开关管基极或集电极有无dB电压，有dB电压表示已经起振。如万用表没有dB挡，可在表笔上串联一个0.1μF/400V的无极性电容后，用交流电压挡去测量。
3）示波器观察法：用示波器观察开关管基极或集电极有无开关脉冲信号。注意：用示波器检测时，必须在220V输入端加接1:1隔离变压器。
（2）若通过以上检测确定开关振荡电路没有起振，则应重点检查以下电路：
1）启动电路是否开路。检查方法十分简单，用万能表的直流挡位测量开关管的B极，在开机瞬间如开关管B极电压有跳变则说明启动电路正常，如果按动开关时表笔没有摆动则说明启动电路开路了。
2）正反馈电路中有无元件开路或短路。检修时，只要对正反馈回路中的阻容元件测量或采用代换法就可以查找出故障根源。
3）由取样绕组、取样比较、误差放大和脉冲宽度调节电路组成的稳压电路是否有故障。必要时可暂时断开稳压控制电路，使振荡器单独起振。
4）保护电路是否有故障，必要时可断开保护电路。
3、输出端“交～直变换”的检测要点
输出端的“交～直变换”是指开关变压器次级绕组输出的脉冲电压经整流、滤波后形成的直流输出电压。一般开关电源有多路直流输出电压，检测各路输出的直流电压值，可以判断开关电源的工作是否正常。
4、稳压控制电路的检测要点
稳压控制电路一般包括取样绕组、取样电路、基准电压、比较放大、误差放大和脉冲控制电路几个部分。它的任务是通过自动调整开关管的导通时间，从而调整高频脉冲的占空比，使输出电压稳定在负载所要求的电压值上。检测稳压控制电路的方法是用万用表检测输出端的直流电压，然后微调稳压电路中的可调电阻，看输出端的电压能否变化，能否重新稳住，从而判断整个稳压电路中是否正常。
三、常见故障的检修方法
1、保险丝熔断
开机就烧保险丝，且烧断的保险丝内部呈现出黑色烟雾状，表明电路中有严重的短路性，且一般都发生在开关电源本身，这时应检查消磁电路、整流、滤波电路或是开关管等重要元件是否被击穿了；如果烧断的保险丝还呈透明状，通常是电流过载而造成的，多数为行输出有短路性故障。
维修方法：先采用串联灯泡法简捷地判断出是开关电源本身故障还是行输出电路的问题：在交流输入端串入一个100w／220v的灯泡，开机观察现象。如果在正常情况下，接通电源后，灯泡会瞬间很亮，随后变成暗光；如果灯泡没有发光，则说明是保险丝或是电源开关损坏；如果灯泡在瞬间很亮后就再没有发光了，则表明消磁之前的电路正常，应把重点放到整流以后的电路；如果灯泡长时间保持很亮，则说明电源部分有短路性故障，应着重检查整流电路和稳压电路；如果灯泡亮了一下，随后又变得较亮，则很大可能是行负载有短路，这时可对行输出电路进一步检查。
如果判断出是开关电源本身故障。先用观察法检查电路上有没有烧焦或是炸裂的元件，闻一闻有没有异味。经看，闻之后，再用万用表进行检查。首先测量一下电源输入端的电阻值，若太小，则说明后端有局部短路现象，然后分别测量四只整流二极管正、反向电阻和限流电阻的阻值，看其有无短路或烧坏；然后再测量一下电源滤波电容是否能进行正常充放电，再就测量一下开关管是否击穿损坏。需要说明的一点是：因是在路测量，有可能会使测量结果有误，造成误判。因此必要时可把元器件焊下来再进行测量。
2、无直流电压输出
如果保险丝是完好的，在有负载的情况下，各级直流电压无输出。这种情况主要是以下原因造成的：电源中出现开路，短路现象，过压，过流保护电路出现故障，振荡电路没有工作，电源负载过重，高频整流滤波电路中整流二极管被击穿，滤波电容漏电等。
维修方法：首先，用万用表测量开关管集电极有无300V直流电压，若没有应往前查交流输入，保险丝、整滤波等电路是否正常；若集电极电压正常，则检查开关管b极电压。测开关管b极电压或者在关机瞬间，用指针万用表R×lΩ挡，黑笔接b极，红笔接整流滤波电容负极（热地），听电源有启动声音，说明电源振荡电路正常，仅缺乏启动电压，是启动电阻开路或铜皮断。若无启动声，在测be结后，迅速将表转到电压档，测c极电压是否快速泄放。若是，说明开关管及其放电回路均正常，正反馈电路存在故障，包括反馈电阻、电容、续流二极管、正反馈绕组及其开关管故障。若c极电压仍不泄放，说明开关管及其回路有开路故障或b极有短路接地故障。
3、有直流电压输出，但输出电压过高
这种故障往往来自于稳压取样和稳压控制电路出现故障所致。在开关电源中，直流输出、取样电阻、误差取样放大管、光耦合器、脉冲控制电路等电路共同构成了一个闭合的稳压控制环路，任何一处出问题都会导致输出电压升高。
维修方法：由于开关电源中有过压保护电路，可以通过断开过压保护电路，使过压保护电路不起作用。用分割法以稳压环路中的光耦为分水岭，对电路实行分割，确定故障范围。将光耦件热地端的两控制脚短路，观察B＋变化，B＋严重下降或停止输出，说明热底板部分正常。故障点在B＋取样电路及光耦；变化不明显或无变化，说明热底板部分有故障，要仔细检查此部分的脉冲控制电路。检查脉冲控制电路可采用调整交流电压法：用交流调压器调整交流输入电压，监测+B输出电压。然后测脉宽调整电路中各级三极管的b、e、c极电压、光耦端子间压降变化，看其是否与稳压原理相符或变化趋势一致。测到某一点与稳压原理应得值相反，说明被测点的这一级有故障，应逐一检查相关元件。注意振荡定时电容容量下降也会使输出电压过高。
对于具体的开关电源电路故障现象，可因故施修、因机施修，灵活掌握，采用不同的检修方法和步骤，以达到准确、快速、高质量地完成检修任务为目的。无论采取何种方法和步骤，原则是不能造成稳压电路开路、开关管失控，引起开关电源输出电压升高，造成大面积元件损坏，反而将故障扩大。如果掌握了开关电源各电路和元件发生故障的规律，就能够迅速地排除各种故障。
参考文献
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[2]詹新生.彩色电视机检修与技能实训[M].北京:化学工业出版社,2008.
[3]梁建华.电视机维修技术[M].北京:中国劳动社会保障出版社,2008.
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