交流稳压电源范文

导语：如何才能写好一篇交流稳压电源，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:稳压电源; 交流稳压电源; 脉冲宽度调制器; 高频电子变压器

中图分类号:TP368.1 文献标识码:B

文章编号:1004-373X(2010)10-0204-03

Design of Switch-Mode AC Stabilized Voltage Supply

XU Jin-xing, XU Chang-hua

(Research & Development Center of Electronic Products Equipment Manufacture of Jiangsu Province, Huaian 223003, China)

Abstract:An advanced design of AC stabilized voltage power supply is expounded in this paper. The pulse width modulator (PWM), high-speed electronic switches, high-frequency electronic transformer, and LC filters was adopted to realize the design. In comparison with AC stabilized voltage supply of the traditional thyristor angle modulation mode, this scheme is ofhigher efficiency, smaller size, smaller nonlinear distortion and it is an entirely new design of AC stabilized voltage supply.

Keywords:stabilized voltage supply; AC stabilized voltage supply; PWM; high-frequency electrosic transformer

目前,空间技术、计算机、通信、雷达及家电中的电源逐渐被开关电源所取代。现在一般应用的串联调整稳压电源是连续控制的线性稳压电源。这种传统的串联稳压器、调整管总是工作在放大区,流过的电流是连续的,这种稳压器的缺点是承受过载和短路的能力差,效率低,一般只有35%~60%。由于调整管要损耗较大的功率,所以需要采用大功率调整管,并装有体积很大的散热器[1]。而开关电源的调整管工作在开关状态,功率损耗小,效率可达70%~95%,稳压器的体积小,重量轻,调整管的功率损耗较小,散热器也随之减小[2]。此外,开关频率工作在几十kHz,可用数值较小的滤波电感、电容元件,故可以大大提高允许的环境温度。

1 电路组成及工作原理

开关式交流稳压电源电路框图如图1所示。工作原理描述:由三角波发生电路产生150 kHz的三角波,由低频正弦波产生电路产生50 Hz的正弦波。两个信号分别同时送到比较器的同相和反相输入端,在比较器的输出端将产生矩形波。该矩形波的频率与150 kHz的三角波相同,该矩形波的脉冲宽度受50 Hz正弦波实时幅度的调制后,随50 Hz正弦波实时幅度而变化,即已调制矩形波。将其送到高速电子开关中一个输入端,并经过一级反向器反向,送到高速电子开关的另外一个输入端。

图1 开关式交流稳压电源电路拓扑图

市电整流滤波获得的2倍于输入交流电压(典型值约为311 V)的直流高电压送到高速电子开关的电源输入端。高速电子开关的两个输出端由两个反向的输入矩形波驱动,从约311 V直流电源取得能量后,分别经过一级短时间常数的LC滤波电路连接到高频开关变压器的初级。该LC 滤波电路的作用是使进入高频开关变压器初级的矩形波脉冲拐角趋于圆滑,以降低其高频谐波。高频开关变压器的初、次级还起到对市电隔离的作用,高频开关变压器的次级获得交变、拐角圆滑的矩形波电压,经过多级长时间常数的LC滤波电路,将150 kHz高频信号滤除,还原出50 Hz正弦波的调制信号,送到负载用于对负载供电[3]。

电压和电流取样电路从负载上获取电压和电流信号,分别送两路A/D 转换器转换,变成离散的数字信号。一方面用于通过微处理器处理后进行实时显示;另一方面用于通过微处理器处理后送D/A 转换器变换为模拟量,经过光电隔离驱动电路来控制正弦波发生器的幅值,又经过比较器、反向器、高速电子开关、LC 滤波、高频开关变压器、多级LC 滤波等电路,用于控制负载上电压或电流的稳定。电压互感器的作用是从市电中获得低谐波失真的标准正弦波,经由正弦波产生电路控制其幅值;键盘用于输入准备向负载提供的电压或电流值。

2 电路设计分析

2.1 可控正弦波产生电路

可控正弦波产生电路的电路图如图2所示[2]。

正弦波的来源采用直接从市电的220 V/50 Hz的正弦波,利用电压互感器变换成较低电压的50Hz 正弦波(例如5 V)。该正弦波的谐波失真度取决于市电的谐波失真度和互感器的参数,其输出幅度由D/A 转换器控制光电耦合器驱动电路实现,D/A转换器输出信号控制光电耦合器导通程度,与分压电阻分压后产生交流和直流叠加的电压,经电容隔离直流分量,仅保留交流分量送运算放大器进行若干倍的放大,产生随D/A信号幅度大小而控制的纯净交流信号量。

图2 可控正弦波产生电路

D/A控制信号产生的原则是:根据输出到负载上的电压或电流配合市电的电压幅度大小进行综合运算,由微处理器向D/A 转换器提供通过综合运算的数字量,使得提供给负载的输出电压(或电流)趋于稳定。

2.2 脉冲宽度调制器

PWM产生电路由正弦波产生电路、三角波产生电路和比较器三个部分组成。三角波加到比较器的反向输入端,正弦波加到比较器的同向输入端,比较器输出端产生受正弦波瞬时幅度而变化的脉冲宽度调制波[4-5]。

图3是电压型PWM比较器的工作波形,输入三角波接在比较器的反向输入端,可控正弦波信号送至比较器的同相输入端,经放大后输出PWM信号。

图3 PWM工作波形图

2.3 高速电子开关

高速电子开关电路用于实现将PWM波功率放大,配合高频电子变压器和滤波电路,可实现对输入信号为受某信号参数调制的矩形波,输出信号为还原出该参数的解调电路[6]。其典型电路图如图4所示,是PWM经反相器出来的波形。整个电路由4个场效应管构成的桥式开关电路、高频开关变压器、多组LC 滤波电路(图中只画出一组L3,C3)组成。

图4 高速电子开关电路

高频开关变压器Tr还兼起市电隔离的作用。电路中,L1,C1 和L2,C2 组成滤波电路,用以使输入到高频开关变压器初级的矩形波拐角变成“缓变”形状,以使流经变压器的谐波分量减小,降低干扰。

经过高频开关变压器次级感应到的电压通过L3,C3(实际为多级LC,如三级)的进一步滤波可以将PWM的高频矩形波滤除,在负载上得到被还原的原调制波的正弦波形,如图5所示。

图5 还原出来的波形

图5中还原出来的调制波实际上是有一定程度的锯齿波成分,如果用数字存储示波器存储波形,然后局部放大观测可发现,如图5中显示了局部放大后的锯齿形状,其锯齿程度反映了信号的失真度,与多级LC滤波器的性能参数有关。

2.4 微处理器

微处理器部分用于实现系统装置的智能化,微处理器部分包括微处理器芯片、键盘、LCD 显示器、A/D 和D/A 转换器,且适合于控制的微处理器芯片往往采用单片机,而单片机基本上都包含有I/O 接口电路、ROM,RAM、定时器和中断系统,因此这些部件基本上都不需要扩展。

软件部分的设计包括A/D转换器、D/A转换器、LCD显示器、键盘系统等功能的子程序,还包含系统监控程序和各种中断服务程序等[7],其系统监控程序流程图如图6所示。

图6 系统监控程序流程图

3 结 语

在此介绍的开关式交流稳压电源是一种较为先进的交流电源设计方案。随着时代的快速发展,开关电源的集成化与小型化正在变为现实,目前正在研制开发开关与控制电路集成于同一芯片的集成模块。然而,把功率开关与控制电路,包括反馈电路都集成于同一芯片上,必须解决电气隔离与热绝缘的问题,这将是今后的一大研究课题。

参考文献

[1]李靖.中国开关电源市场的分析[J].电工技术,2000(2):44-45.

[2]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].4版.北京:机械工业出版社,2003.

[3]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.

[4]阮新波,严仰光.脉宽调制DC/DC全桥变换器的软开关技术[M].北京:科学出版社,1999.

[5]李琪.PWM全桥软开关直流变换器的研究[D].杭州:浙江大学,2006.

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>> 基于PWM的开关稳压电源的设计 开关稳压电源的设计与制作 降压型直流开关稳压电源的设计 开关式交流稳压电源的设计 一种基于UC3842的新型开关稳压电源设计 基于单片机的PWM型开关稳压电源设计 基于LM5117的降压型直流开关稳压电源设计 基于MSP430单片机的开关稳压电源设计 基于PLC的单相稳压电源装置设计 数控稳压电源的设计 PWM开关稳压电源系统设计分析 一种新型的复合式开关稳压电源的设计 一种高效率的开关稳压电源的设计 探讨开关型稳压电源的电路设计 降压型直流开关稳压电源的设计与实现 基于集成稳压器的可调式直流稳压电源设计 基于单片机控制的稳压电源 关于直流稳压电源的设计 集成直流稳压电源的设计 一种可控稳压电源的设计 常见问题解答 当前所在位置：l.

[2]林涛.数字电子技术[M].北京：清华大学出版社，2006.

[3]林涛.电子技术及其应用基础[M].北京：电子工业出版社，2005.

[4]林涛.模拟电子技术基础[M].重庆：重庆大学出版社， 2001.

[5]杨欣.电子设计从零开始[M].北京：清华大学出版社， 2005.

[6]邱关源.电路[M].北京：高等教育出版社，1999.

基金项目：国家级物理学（师范类）特色专业项目（项目编号：TS12467）;云南省基金（项目编号：2009CD097）;楚雄师范学院大学生创新训练项目。

作者简介：

吴兴洲，现就读于楚雄师范学院物理与电子科学院。

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【关键词】电子 线路实验 分析

一、电源的应用背景

电源可分为交流电源和直流电源，它是任何电子设备都不可缺少的组成部分。交流电源一般为220V、50HZ电源，但许多家用电器设备的内部电路都要采用直流电源作为供电电源，如收音机、电视机、带微控制处理的家电设备等都离不开这种电源。直流电源又分为两种：一类是能直接供给直流电流或直流电压，如电池、蓄电池、太阳能电池、硅光电池、生物电池等；另一类是将交流电变换成所需的稳定的直流电流或电压，这类变换电路统称为直流稳压电路。现在所使用的大多数电子设备中，几乎都必须用到直流稳压电源来使其正常工作。220V、50HZ的单向交流电源变压器降压后，再经过整流滤波可获得低电压小功率直流电源。然而，由于电网电压可以有+10%变化。为此必须将整流滤波后的直流电压由稳压电路稳定后再提供给负载，使负载上直流电源电压受上述因素的影响程度达到最小。直流电源电压系统一般有四部分组成，他们分别是电源变压器、整流电路，滤波电路、稳压电路。

二、总体设计

（一）设计的目的和任务

1、设计目的

（1）了解整流、电容滤波电路的工作原理；（2）掌握集晶体管稳压电源设计方法；（3）掌握仿真软件EWB使用方法；（4）掌握稳压电源参数测试方法。

2、设计任务

（1）稳压电源的主要技术指标：① 电网供给的交流电压为220V，50Hz；② 输出电压为6～12V；③ 输出电阻《0.4Ω；④ 最大允许输出电流2A； ⑤ 稳压系数S《8*10-?；⑥ 输出纹波电压《10mv（当Io=2A）；⑦ 具有限流保护功能，输出短路电流

（2）设计要求：① 根据设计要求确定直流稳压电源的设计方案，计算和选取元件参数。② 完成各单元电路和总体电路的设计，并用计算机绘制电路图。③ 完成电路的安装、调试、使作品能达到预期的技术指标。④ 给出测试各项技术指标的方法，撰写测试报告。

（二）设计原理

1.设计原理

电子线路在多数情况下需要用直流电源供电，而电力部门所提供的电源为220V、50HZ交流电，故应首先经过变压，整流，然后在经过滤波，和稳压，才能够获得稳定的直流电稳压电路稳定后再提供给负载，框图如下：

2.串联型晶体管稳压电路

晶体管串联稳压电源的组成，220V交流市电经过变压，整流，滤波后得到的是脉动直流电压Vi，他随市电的变化或直流负载的变化而变化，所以，Vi是不稳定的直流电压，为此，必须增加稳压电路。稳压电路取样电路，比较电路，基准并电压，和调整元件等部分组成

（三）总体设计方案

1.变压环节

通电为电压220V，频率为50Hz，为了保证后面可调范围为6～12V，选择初次级线圈匝数比为2000：141的pq4-10

2.整流、滤波环节

实验选择4个IN4002的二极管作为整流电路

因为市电频率是50Hz为低频电路，选择RC滤波电路。本实验选择的电容为1200μF

3.稳压环节

（1）调整元件。作为一个理想的电源，其内阻应该尽量小才能保证具有稳压的效果，根据晶体管放大器的知识可知：共集电极电路的输出阻抗最小。所以选择共集电极电路来实现，且尽量选择β值较大的晶体管，但是后来会发现并不是如此。由于电流和功耗等的影响，所以最好采用复合管来实现该要求，且有一个大功率管就可，本实验该电路选择的晶体管型号为2N3414（早期电压为51V，测试前高电流拐点为4.6A，功率很大），其它两管为小功率管MRF9011

（2）取样电路。这部分由两个电阻和电位器来实现，通过调整电位器的使输出电压的可调范围从6V到12V。

4.参数计算

输出电压 V0=5.982～12.15V

最大输出电流2A

R0计算：Ro=ΔVo/ΔIo*Vo

RL=50 Vo=7.177V，Io=143.5mA

RL=100 Vo=7.181V，Io=71.82mA

R0=0.35

稳压系数：s=0.038

Ro=ΔVo/ΔIo*Vi/V0

当vi=23.16v时候，v0=7.176

当vi=20.86v时候，v0=7.146

通过计算可得S=0.038

符合要求

纹波电压20.1mv

输出电流=3.016A

三、结束语

通过这次课程设计，我对于模电知识有了更深的了解，尤其是对串联直流稳压电源方面的知识有了进一步的研究。在电路的仿真过程中也提升了我的动手能力，实践能力得到了一定的锻炼，加深了对模拟电路设计方面的兴趣，理论与实践得到了很好的结合，加深自己对实用价值和理论的统一的了解，但对于理论和实际应用的统一和对于器件在实际中的使用还有很大的不足，不能在使用器件时选择合适的参数的器件，不能根据器件的编号知道器件的基本功能。在这方面需要很大的提高。

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【关键词】模拟电子技术；演变形成；研究；适应能力

模拟电子技术主要由以下几个方面构成：首先是含线性元器件以及非线性元器件组成的电子元器件，其中含线性元器件包括有电阻、电容以及电感等，非线性元器件包括有二极管、三极管等；其次是基本放大电路，其主要是以基本电子元器件所构成，基本放大电路主要有共基、共射、共集三种形式的放大线路；最后是基本典型应用电路。本文主要研究了模拟电子技术电路的演变形成过程。

一、功率放大电路的演变

功率放大器能够为电路提供足够大的负载信号功率。在一定的条件下（正弦波输入、输出基本不失真）。在电路参数确定的情况下，负载可能获得的最大交流功率就是最大输出功率。输出大功率的能源来自电源提供的功率，在一定的输出功率下降低直流电源的功耗能够很好的提高电路的效率。功放在输入信号的控制下会成为功率变换器，其作用是将电源的直流电转换为负载需要的信号功率，由于功放管本身就会产生较大的耗散功率，因此为避免出现发热现象，所以应当加入例如散热片等保护装置，在特殊情况下还需要应用其它保护措施。在进行操作时若想提高效率必须进行无用管耗的减少，以实现有用输出功率的提高，基于此，对于功放的静态设置应定为乙或丙类状态下。已知的基本共集电极电路的特点是功放在电压由多级电压放大器提供时，只能承担良好的带负载或电流的放大能力，功放能够基于此进行演变。

二、稳压电源电路的演变

（一）稳压电源电路的特点

（1）作为电子设备能源的直流稳压电源，其与其他功率放大器一样需要输出大功率，并且需要在总负载状态下运行工作。

（2）直流稳压电源与供方有一个不同点，就是直流稳压电源是一个能源转换电路，其能够把需要的直流电通过电网交流电进行转换得到，由于其在负载变化以及交流电网波动的情况下还能够使直流电压保持稳定，固称为稳压电源，直流电源的核心就是其的稳压环节，电路相对而言也比较复杂。

（二）稳压电源电路的演变过程

基本共集电极电路能够满足以上两个特点，是电压的负反馈，在输出电压时能够满足稳定运行要求，因此可以直接利用已知的射极跟随器组成稳压电路，在电路中交流电通过电容和整流的过滤，形成直流电压，为防止输入端交流电网出现波动现象，需要介入稳压管，实现基极的稳定电压，同时也有利于射极跟随输出电压的稳定。为防止输出端的负载发生变化，通过电压负反馈对输出电压进行稳定处理，变化的电压可以选择利用调整管承受，同时由于调整管与负载是串联着的，因此又称为串联型稳压电路。在该电路中由于静态设置使调整管处于甲类线性放大区，因此会造成效率低、管耗大等问题，在这种情况下，若想提高效率，应当演变从类状态的设法，但是由于稳压电路不能够对外开输入信号进行放大处理，因此只能对调整管进行处理，使其处于开关状态，以此降低管耗。

（三）其他稳压电路的形成

在串联型稳压电路中，如果甲类的静态设置的调整管在线性放大区，就会产生许多不利的因素，例如管耗大、效率低等，为了避免这些问题的出现常常使用的是乙类状态的演变方式，但是这种情况也有弊端，其对于外来输入信号无法进行相关放大处理，因此只能使调整管保持在开关状态，以此来降低管耗量。在此基础上，利用比较器控制和调整输出电压的反馈信号与外加振荡的三角波输出信号，使管导通与截止相互转换工作，进而利用滤波实现直流电压的输出，形成串联开关调整型稳压电路的演变。

综上所述我们可以得到，若想直接进行有源负载、恒流源以及各种差分放大器的演变形成就需要应用到基本共射极电路，各种运放的线性与非线性应用电路的形成可以利用基本反馈电路。

三、结束语

本文通过分析模拟电子技术的功率放大电路以及稳压电源电路的演变，总结归纳了模拟电子技术从已知到未知放大电路的一般规律和方法，阐述了其对放大电路中的各种电流、电压等较强的适应能力。

参考文献

[1]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社（第2版），1999.

[2]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社（第3版），2001.

[3]吴鸿适.电子科学技术的发展[J].未来与发展，1984（3）：48-50.

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一、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，在实际的应用中，调宽式使用得较多，在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数也为脉宽调制型。因此下面就主要介绍调宽式开关稳压电源。

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。可由公式计算，即Uo=Um×T1/T式中Um -矩形脉冲最大电压值；

T -矩形脉冲周期；

T1 -矩形脉冲宽度。

从上式可以看出，当Um与T不变时，直流平均电压Uo将与脉冲宽度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，就可以达到稳定电压的目的。

二、开关式稳压电源的原理电路

1、基本电路

交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。

控制电路为一脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化，制成了各种开关电源用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。

2．单端反激式开关电源

单端反激式开关电源的典型电路。电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激，是指当开关管VT1导通时，高频变压器T初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管VD1处于截止状态，在初级绕组中储存能量。当开关管VT1截止时，变压器T初级绕组中存储的能量，通过次级绕组及VD1整流和电容C滤波后向负载输出。

单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路，输出功率为20－100W，可以同时输出不同的电压，且有较好的电压调整率。唯一的缺点是输出的纹波电压较大，外特性差，适用于相对固定的负载。

单端反激式开关电源使用的开关管VT1承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍，工作频率在20－200kHz之间。

3．单端正激式开关电源

单端正激式开关电源的典型电路。这种电路在形式上与单端反激式电路相似，但工作情形不同。当开关管VT1导通时，VD2也导通，这时电网向负载传送能量，滤波电感L储存能量；当开关管VT1截止时，电感L通过续流二极管VD3继续向负载释放能量。

在电路中还设有钳位线圈与二极管VD2，它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间。为满足磁芯复位条件，即磁通建立和复位时间应相等，所以电路中脉冲的占空比不能大于50％。由于这种电路在开关管VT1导通时，通过变压器向负载传送能量，所以输出功率范围大，可输出50－200W的功率。电路使用的变压器结构复杂，体积也较大，正因为这个原因，这种电路的实际应用较少。

4．自激式开关稳压电源

自激式开关稳压电源的典型电路。这是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源，也是目前广泛使用的基本电源之一。

当接入电源后在R1给开关管VT1提供启动电流，使VT1开始导通，其集电极电流Ic在L1中线性增长，在L2中感应出使VT1基极为正，发射极为负的正反馈电压，使VT1很快饱和。与此同时，感应电压给C1充电，随着C1充电电压的增高，VT1基极电位逐渐变低，致使VT1退出饱和区，Ic开始减小，在L2中感应出使VT1基极为负、发射极为正的电压，使VT1迅速截止，这时二极管VD1导通，高频变压器T初级绕组中的储能释放给负载。在VT1截止时，L2中没有感应电压，直流供电输人电压又经R1给C1反向充电，逐渐提高VT1基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。这里就像单端反激式开关电源那样，由变压器T的次级绕组向负载输出所需要的电压。

自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作从，也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态，具有输人和输出相互隔离的优点。这种电路不仅适用于大功率电源，亦适用于小功率电源

5．推挽式开关电源

推挽式开关电源的典型电路。它属于双端式变换电路，高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。电路使用两个开关管VT1和VT2，两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止，在变压器T次级统组得到方波电压，经整流滤波变为所需要的直流电压。

这种电路的优点是两个开关管容易驱动，主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大，一般在100－500W范围内。

6．降压式开关电源

降压式开关电源的典型电路。当开关管VT1导通时，二极管VD1截止，输人的整流电压经VT1和L向C充电，这一电流使电感L中的储能增加。当开关管VT1截止时，电感L感应出左负右正的电压，经负载RL和续流二极管VD1释放电感L中存储的能量，维持输出直流电压不变。电路输出直流电压的高低由加在VT1基极上的脉冲宽度确定。

这种电路使用元件少，它同下面介绍的另外两种电路一样，只需要利用电感、电容和二极管即可实现。

7．升压式开关电源

升压式开关电源的稳压电路。当开关管VT1导通时，电感L储存能量。当开关管VT1截止时，电感L感应出左负右正的电压，该电压叠加在输人电压上，经二极管VD1向负载供电，使输出电压大于输人电压，形成升压式开关电源。

8．反转式开关电源

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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】主整电源；低压；泄放电路

DX系列发射机的进电方式为十二相全波整流三相四线制， 其工作由交流接触器K1和K2负责控制，文波为600HZ，采用这种设计方法既简化了滤波电路的设计又提高了滤波效果。主整电源系统和低压系统两部分构成了DX系列发射机的电源系统。为功放系统（包括RF推动和功放末级模块）供电的是主整高压+230V和+115V。低压电源包括两部分，一部分负责控制和检测电路系统的供电，电压为±8V、±22V；另一部分为非稳压+60V和+30V，为缓冲和前级及功放小台阶部分提供功放电压。

一、主整电源

DX系列发射机的主整高压电源系统由主电路部分和辅助电路部分组成。由三角形和星形组成的进线电路经变压、整流和滤波后输出的电压为功放系统提供电源。因功率合成采用多个RF模块合成的方式，功放管采用晶体管，所以大电流、低电压是主整电源的主要特点。和传统电子管主整电压超过几千伏相比，DX系列发射机的主整电压大大的降低了，因此绝缘导致的故障率减少了，但电流增大了，随着功率等级的上升，电流从几十安培至数百安培不等，因此对工艺提出新的要求。

主电路提供高压整流、滤波及分配功能。这部分电路主要把主变压器次级送出的交流电源整流成+230V和+115V的高压直流电源，经过熔断器组件电路后分配给各功率合成母板和驱动电源调整板，为功放模块提供功放电源。主整变压器T1是一个三相交流电源变压器，一般在没有特殊要求的情况下，初级设有±5%抽头而允许输入电压范围为交流361VAC至399VAC变化，两组次级线圈提供相同的交流输出电压。变压器T1的输出分别送到两个桥式整流器上，两个整流器组成一个12相全波整流电路，其直流输出为+230V和+115V，纹波频率是电源频率的12倍（600Hz）。

对主整电源电压进行采样的取样电路是辅助电路的一部分，功放电压、电流、推动电源调整及模拟输入电路都从主整电源进行电压采样。电压取样信号经调整后送至控制系统用作功放电压+230V的指示信号。整流桥组的负端接电流互感器，互感器取样信号输入到控制电路上经处理后作为电流指示信号。送至推动电源调整电路的电源采样信号用作稳定外界电压变化的补偿信号。模拟输入板采集到的采样电压用作补偿+230V功放电压，由于外界电压或调制信号瞬间发生较大的变化时将导致主整+230V发生变化，该补偿可有效的改善主整电压的变化。

提供安全保护功能的泄放电路是主整电源系统的另一部分，其控制信号由两个交流接触器K1和K2的常闭辅助触点外接的电子开关提供，不同厂家采用不同形式的电子开关，但都需要外接大功率泄放电阻。在发射机上高压时，K1被断电，K2被加电，K1的附属触点关闭，K2附属触点开启，使电阻处于开路状态。当K2断电时，K2的附属触点关闭，将残余的电压（+230V）加到电阻上，这个电压通过电阻接地快速放电，放电回路同时也给+115V快速放电。经熔断器的+230V送至 RF功放前需要电容滤波，每个滤波电容两端也接有放电电阻，当一个熔断器熔断开路时，还将有一个与之并联的二极管和电阻给电容提供放电回路。

二、低压电源

低电源包括±8V、±22V、+30V和+60V的非稳压电源。其中±8V、±22V电压在各个独立的电路中被稳压为±5V和±15V电源。

低压变压器T2的初级有三组抽头供调节，即198V、220V和242V，用来适应外部电源的各种输入情况。T2的次级有两组线包，一组线包为7.8VAC和17.6VAC，另一组线包为24VAC。线包7.8VAC和17.6VAC要经整流二极管和滤波电容滤波，然后产生的±8V和±22V的直流电压被送到低压电源分配电路。次级线包24VAC，经整流二极管和滤波电容滤波后，产生+30V和+60V的直流电压，被送到各部分电路中。

送至各控制与检测电路的低压均需要稳压和滤波后才能作为电源使用。每个部分采用的稳压电路模式都是一样的，都需要先经过熔断保险管进行输入电路保护，根据实际需要电压采用相应稳压块稳压，或电压调节器集成电路UC3834（B-电压）组成，稳压器件输入输出均接有滤波电容，滤波电容为滤除高频的独石电容和滤除低频的电解电容，稳压输出端一般还要接入起保护功能的稳压二极管。DX系列发射机的许多功能电路采用检测电源电压的方法来判断该电路是否工作正常。

控制板电路接入非稳压的±8V、±22V，一路经分压电路处理后用作低压电源的显示信号。另一路则经稳压块稳压后作为控制板电源。±8V经稳压后输出的±5V，作为控制板上部分逻辑电路的电源，还有一路+5V被送至频率指示电路作为电源。±22V经稳压块后输出±15V作为检测电路电源和部分逻辑电路电源。+15V和+5V作故障检测信号时被送至控制逻辑电路对模数电路进行数据清零，封锁数据转换，禁止功率输出。

激励器电源由非稳压的+22V提供，稳压块输出+15V电压作为压控振荡器和鉴相器的电源。同时稳压后的+15V经9V、12V和5V稳压块后，分别输出+9V、+12V和+5V作为激励器集成电路和温补晶体振荡器的电源。

音频系统的音频处理器的工作电源为±22V非稳压电源，经稳压后成±15V的稳压电源，该稳压电源±15V还作为给调幅度指示电路的电源。模拟输入电路的电源电压是±22V，稳压输出±15V和+5V，作为集成电路的电源，同时也被用作故障采集信号，送入控制板电路作模拟输入电路故障指示。模数转换电路上有三个电源稳压器，稳压输出±15V和+5V作为集成电路的电源，它们的输出各自接一个电压比较器，比较器的输出为低时指示为故障，将“故障”逻辑电平输出到控制板上做故障保护信号。

直流稳压电源电压为非稳压±8V。B+电源采用LM338三端可调稳压器，将+8V调整成+5V（实际电压+5.3V）。采用电压调整器UC3834和晶体管将非稳压的-8V调整为随音频调制信号变化的B-电源，UC3834外接晶体管用来增加电流驱动能力，为调制编码电路提供了驱动电源。它的内部有参考电压、内部故障监测及“故障报警”电路，故障监测电路在欠压和过压条件下给出检测信号，内部故障逻辑电路启动后故障报警信号被送至控制板。

来自低压电源非稳压的+30V分成两路信号，一路经限流电阻为缓冲放大板提供电源，另一路通过交流接触器K2的副节点后用作二进制功率的小台阶B11和B12的功放电源。非稳压的+60V也分成两路信号，一路限流后也作为缓冲放大器的电源，一路供给前置推动级作为RF推动电压。

篇8

关键字： 直流电源； 低纹波； 双电池； 通断原则

中图分类号： TN86?34； TP303+.3 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）14?0150?04

Design and implementation of low?ripple dual battery DC regulated power supply

LI Jie， CHENG Weibin， FENG Du， MAN Rongjuan

（School of Electronic Engineering， Xi’an Shiyou University， Xi’an 710065， China）

Abstract： In order to realize the low?ripple output of the power supply， a low?ripple dual battery DC power supply was designed with the ripple control method， which can switch from the low power state to full power state automatically. The ripple characteristic test for the power supply was performed. The original signal is transmitted to the main control circuit through the voltage acquisition circuit， and then the main control circuit is used to control the charging and supplying power selection circuit according to the on?off principle of the relay switch and collected voltage signal. The power supply battery can realize +5V voltage output in one channel and adjustable voltage output in two channels through the linear voltage adjustment circuit. The low ripple DC voltage regulator output from charging state to supplying power state was implemented. A coaxial?cable testing device was adopted in power supply ripple test. The test data shows that the low ripple DC regulated power supply has good running condition and greater advantage in ripple control in combination with other DC power supply， and its output voltage is stable.

Keywords： DC power supply； low ripple； dual battery； on?off principle

0 引 言

提高参数测量精确度的重要方法是降低各类误差，其中直流电源纹波是产生误差的主要根源之一。二极管工频整流后直流电源有较大的工频纹波，需要较大容量滤波器件；开关电源采用高频工作，滤波器件体积和容量降低[1]，但存在高频纹波，虽然通过增加电路滤波器件可降低纹波，有时可达几毫伏，但仍达不到高精度测量的要求[2]。

本身没有纹波的直流电池供电是一种较好的选择，可以得到高质量的直流电源供应，但单一电池的容量有限，需要充电。有些电源采用交流供电、电池备用的方式，可保证交流失电后一段时间内的供电，交流供电时的纹波仍然存在。

为了克服了现有工频整流稳压电源和开关电源纹波控制技术的不足，以及电池容量有限不能持续低纹波输出的问题，本文设计了一种基于STC89C54的低纹波双电池直流稳压电源。

1 硬件电路原理

系统的硬件主要包括控制主电路、电压采集电路、充电选择电路、供电选择电路、线性电压调整电路、可充电电池以及电源适配器，电路结构如图1所示。

控制主电路包括单片机STC89C54、A/D转换器PCF8591和LCD12864。PCF8591把模拟型的电压信号转换成数字信号，供单片机进行信号处理；单片机根据当前电池的充、供、欠、满4种状态和继电器通断原则，实现对双电池充电和供电的最优控制；液晶显示器显示各个电池的充、供、欠、满4种状态，并且实时显示各个电池当前电压以及充电电池的充电电流，为使用者提供便捷。

电压采集电路由分压电阻、运算放大器和充电电流采样电阻组成，电池端电压首先通过分压电阻分压，再由运算放大器调整到可采集的电压范围，最后传输到PCF8591进行A/D转换，而充电电流采样电阻的作用是把充电电流信号转换成电压信号。

充电选择电路和供电选择电路分别是由两个继电器开关和两个二极管组成[3]，控制主电路遵循通断原则控制继电器闭合与断开，在保障持续供电的前提下，尽可能使稳压电源低纹波输出。线性电压调整电路采用线性稳压模块、滤波电路和缓冲电路来稳定输出和降低开关调整产生的谐波，以此实现稳定的低纹波输出。可充电电池选择12 V电池，并配备相应的电源适配器。双电池低纹波直流稳压电源供电原理图如图2所示。

2 硬件电路设计

2.1 控制主电路设计

控制主电路是以自带看门狗的单片机STC89C54为控制核心，A/D转换器PCF8591输出的数字信号和充供继电器开关的通断情况作为单片机的输入信号，LCD12864为显示输出，单片机遵循以下几个通断原则控制双电池的充供电：

（1） 该电池充电开关需要闭合时，必须同时满足：

① 该电池处于未充满状态；

② 该电池的供电开关处于断开状态（即该电池不供电）；

③ 另一电池的充电开关处于断开状态（即两个电池不同时充电）。

（2） 该电池充电开关需要断开时，只需满足其一即可：

① 该电池处于充满状态；

②该电池的供电开关即将闭合（即需要该电池供电）；

③另一电池的充电开关即将闭合（即两个电池不同时充电）。

（3） 该电池供电开关需要闭合时，必须同时满足：

① 该电池处于不欠电状态；

② 该电池的充电开关处于断开状态（即该电池不充电）；

③ 另一电池的供电开关即将断开（即两个电池不同时供电，但为了保证后级供电，需要该电池供电开关闭合后，另一电池供电开关才能断开）。

（4） 该电池供电开关需要断开时，只需满足其一即可：

① 该电池处于欠电状态；

② 该电池的充电开关即将闭合（即该电池需要充电）；

③ 另一电池的供电开关已经闭合（为保证后级供电，另一电池供电开关闭合后，该电池供电开关才能断开）。

如图2所示，以上四条通断原则逻辑关系可总结为：

式中：B1Q，B1M分别代表B1电池欠电和B1电池满电。

以通断原则为根本控制思想，完成软件程序的编写和调试，是实现低纹波、稳定、持续供电的核心思路。

2.2 电压采集电路设计

由于电池充电时，采集到的电池端电压是充电器的端电压，不能只用电池端电压值来判断电池是否满电，所以需要电池端电压信号采集电路和充电电流信号采集电路配合使用[4?5]。

电池端电压信号采集电路又可分为正极性电池电压信号采集和负性电池电压信号采集，由于所选择的串行A/D转换芯片PCF8591可识别0～5 V电压信号[6]；故正极性电池电压信号需通过一组分压电阻分压为0～5 V，再接电压跟随器即可采集成功；而负极性电池电压信号由于负电压的特殊性，需先通过分压电阻分压为反相运算放大器可识别的电压范围内，然后选择合适的放大倍数，反向放大到合适的电压区间[7]。负极性电池端电压信号采集电路如图3所示。

充电电流信号采集电路也可分为正极性充电电流信号采集和负性充电电流信号采集。采集到信号实际上是电压信号，但是考虑到功耗问题，所选用的采样电阻十分小，故采集到的电压信号十分微弱，所以分别需要通过同相比例放大器和反向比例放大器来放大采集到的微弱电压信号，并且在放大器输入端加入了RC滤波电路来抑制干扰。

这样就使得所有电压信号满足PCF8591芯片的采集范围，为后级控制主电路的信号输出提供参考。正极性充电电流信号采集电路如图3所示。

2.3 其他电路设计

除了控制主电路和电压采集电路，该系统还包括充电选择电路、供电选择电路、线性电压调整电路、可充电电池和电源适配器。

这几部分电路中，充电选择电路和供点选择电路分别是由两个5 V继电器和两个二极管组成，由单片机根据通断原则依次输出高低电平来控制各个继电器的导通和断开，二极管的单向导通性，保证了充电电流或者供电电流的单向性；线性电压调整电路通过三块线性稳压模块分别可实现一路5 V和两路可调电压输出，稳压模块前级输入和后级输出分别并联0.1 μF普通电容和100 μF电解电容来对输入/输出电流滤波和缓冲，达到稳定输出和降低开关调整谐波的目的，以此实现稳定的低纹波输出。

线性稳压模块的性能要求输入电压比输出电压高2～3 V，所以本设计选择无纹波的12 V可充电电池为后级电路提供低纹波直流电压，前级交流充电选择与之匹配的电源适配器提供充电电流。

3 软件系统设计

低纹波双电池稳压电源开始上电，程序初始化完成，接着将采集到的电压信号A/D转换并显示于LCD12864，然后控制主电路判断双电池是否均欠电，若均欠电，则充满一个电池，再依次执行A/D转换子程序、电池状态扫描子程序、供电子程序、充电子程序以及液晶显示子程序；若至少一个电池不欠电，则直接执行后级子程序。设计流程图如图4所示。

4 电源纹波测试分析

电源制作并调试完毕后，采用同轴电缆测试装置来对电源进行纹波测试，在被测电源的输出端接RC电路后经输入同轴电缆后接示波器的AC输入端，具体连接方法如图5所示[8]。

示波器选用RIGOL公司的DS1204B，在示波器的设置方面，应注意尽量使用示波器最灵敏的量程档，打开AC耦合和带宽限制功能，表笔选用同轴电缆，并设置衰减比为1倍[9?10]。

根据以上方法，分别对普通直流电源（兴隆NS?3）、可编程直流电源（RIGOL DP832）和本设计的低纹波直流电源进行纹波对比，三种电源输出电压均为5 V，测量结果如图6所示。

由图6可知，普通直流电源输出纹波为5.36 mV，可编程直流电源输出纹波为2.88 mV，低纹波直流电源输出纹波为400 μV。

纹波对比试验结果可知，同环境、同电流以及同负载情况下，本文设计的低纹波直流电源输出纹波电压低于500 μV，在输出纹波方面优于其他直流电源。

5 结 语

设计的低纹波直流电源可以准确识别电池电压和充电电流，并能遵循开关通断原则实时控制继电器，控制状况良好。输出纹波对比试验表明：本设计在纹波控制方面具有较大优势，是实现高精度参数测量的有效途径。

目前，该低纹波双电池直流稳压电源已成功应用到旋转导向钻井测斜仪中，电源工作稳定可靠，参数测量精确度明显提高。

注：本文通讯作者为程为彬。

参考文献

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[2] 刘金涛，田书林，付在明.一种高精度低纹波的DC?DC电源设计[J].中国测试，2010，36（6）：62?64.

[3] 陈霖，王丽文，钱渭，等.继电器的选择和使用[J].机电元件，2011，31（6）：43?49.

[4] 乔波强，侯振义，王佑民.蓄电池剩余容量预测技术现状及发展[J].电源世界，2012（2）：21?26.

[5] JIANG Jiuchun， WEN Feng， WEN Jiapeng， et al. Battery management system used in electric vehicles [J]. Power electronics， 2011， 45（12）： 2?10.

[6] 周剑利，郭建波，崔涛.具有I2C总线接口的A/D芯片PCF8591及其应用[J].微计算机信息，2005，21（7）：150?151.

[7] 崔张坤，梁英，龙泽，等.锂电池组单体电压采集电路的设计[J].沈阳理工大学学报，2011，30（3）：29?33.

[8] 程惠，任勇峰，王强.电源纹波的测量及抑制[J].电源技术，2012，36（12）：1899?1900.

[9] 高增鑫.基于RIGOL数字示波器的电源纹波自动测量系统[J].世界产品与技术，2008（10）：87?88.

篇9

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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关键词：智能型矿用本安电源；STM32F103；CAN总线；电路设计；煤炭开采 文献标识码：A

中图分类号：TD611 文章编号：1009-2374（2017）05-0222-03 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2017.05.108

随着煤矿现代化程度的不断提高，对煤矿供电的可靠性、安全性提出越来越高的要求。本安电源是煤矿井下的重要电气设备，它的安全运行是现代化煤矿中其他矿井下各类电气设备高效率、高质量运转的保证。但是由于矿井下特殊的工作环境和其他原因，目前，煤矿井下本安电源的管理还存在若干问题：首先，矿井下本安电源种类繁多、独立性强，若不在现场很难检测它们的工作状态；其次，这些电源的功能参数各不相同，电源的维护管理也不统一。如果矿井下现场设备的供电情况不能在第一时间获取，一旦发生电源故障，不仅影响设备运行，还可能导致重大事故的发生。

近年来，数字矿山的提出使得本安电源已经由独立的外部设备产品发展成为整个通信系统不可分割的一部分。这不仅要求本安电源具备传统的供电、防爆等功能，而且应该通过CAN通信接口、以太网通信接口或458总线等具备智能通讯的能力，以实现本安电源可方便快捷的接入数字通信系统中。基于此，本文提出了一种智能型矿用隔爆兼本安型直流稳压电源的设计，能够解决当前电源独立、管理不规范、供电情况不明以及电源故障情况等，实现本安电源的网络化、智能化。

1 智能型本安电源结构

本安型电路是指在规定的试验条件下正常工作或在规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性气体混合物的电路。智能本安型电源的设计目的是保证操作者的人身安全、防止出现事故后电源故障、电源不正常时能够自我修复或及时断电报警、通过网络控制与监测电源工作情况等。因此，智能本安电源的设计采用降压、整流、稳压、过流过压保护、充电及快速切断模块、CAN通信接口模块、微控制器模块。本文设计的本安电源原理框图如图1所示。

交流电通过隔爆电磁开关直接控制整个电源的交流输入，再将交流电输入变压器降压，经整流、滤波、稳压电路1输出直流电，给蓄电池充电。用过整流、滤波、稳压电路2输出的直流电给负载供电，经过切换电路，所选择的一路输出电压经过稳压、多重过流和过压保护电路输出可靠的本安电源。微控制器STM32F103模块主要采集的备用蓄电池电压值、本安输出电压值以及各种报警状态等参数。CAN通信接口模块将微控制器STM32F103模块采集的数据传输至网络，通过上位机对各种数据进行分析统计，给出当前电源的运行情况，监控室也可以通过网络控制电源的输出状态，实现电源的智能化、网络化管理。

2 电源硬件原理与实现

该本安电源由交流变压及整流滤波电路、直流稳压电路、多重保护电路、充电及切换电路、微控制器系统电路、CAN接口电路等组成。

2.1 交流变压及整流滤波原理

由于是煤矿井下电网供电的本安型电气设备，则降压所用的变压器采用R型隔离变压器，其输入侧采用变压器抽头方式。变压器输出24V和25V两组交流电压，整流滤波后输出直流电压，其中一路给本安输出，另一路给蓄电池充电。如图1所示，上面一路从变压器25V输出侧引出，经整流滤波电路1，通过稳压充电电路，为蓄电池充电；下面一路从变压器24V输出侧引出，经整流滤波电路2，输出约32V的直流电压，与蓄电池的输出电压通过切换电路进行比较后选择一路经LM2576HV稳压开关电路，为本安输出提供电源。

2.2 直流稳压开关电路

稳压电路核心器件采用可调的LM2576HV-ADJ开关稳压集成电路，解决了传统的固定式稳压器和电位器调压时精度不足的问题。LM2576HV内置有完善的保护电路，包括电流限制和热关断电路等，利用该器件只需很少的器件便可构成高效稳压电路，此外，该芯片还提供了工作状态的外部控制引脚，该引脚的电平受微控制器STM32F103控制。

2.3 过压、过流保护电路

由于井下存在众多可燃性气体，当出现电路因过压、过流而导致负载短路或者火花时，严重影响到煤矿的安全。故本安电源的设计中必须通过多重的过流、过压保护电路，防止事故发生，该设计性能的好坏将直接影响整个系统是否具有实用的价值。如图2所示，本安电源输出电路整体思想是控制MOS管Q5和Q6的导通或关断来实F的，电源过压过流时，三极管Q4导通，集电极输出18V，使得P沟道MOS管Q5截止；同时，N沟道MOS管Q6的G极电平为0，使Q6截止从而切断负载的输出。

当电路出现过流或短路故障时，如图2所示，电阻R32的电流增大，导致过流检测点VIN_I的电压大于阀值 [ ]，经过图3中比较器LM393（U3）的处理，使得输出端（U3的第7脚）呈低电平，再经过比较电路LM393（U6）的处理，使得U6的第7脚输出为低电平，这个低电平信号直接控制图2中的三极管Q4，使Q4导通，Q5截止，切断本安电源的输出，起到过电流或短路保护作用。另一路过流或短路保护电路控制MOS管Q6，原理与其一致。