电源设计范文10篇

我们都知道，今天的处理器耗电很大，因为芯片上有几百万个有源器件，其耗电累加起来也就不得了。

但我的朋友又披露了另一个统计数字：他设计的典型电路板上有约30个独立的电源网络。每个电源网络都有不同的标称电源电压、精度以及调整率；在有些情况下，这些标称电压只相差十分之几伏。再则，每个电源网需要有自己的稳压器以及一系列去耦电容器，以便控制从近乎直流直至几百千赫带宽内的旁路阻抗。设计师必须分析并实现每个电源网络的供电与返回路径，以及大量的PCB板走线。在最终设计中，直流电源子系统的走线与电容器要占去电路板面积的一大部分。设计师必须精心建立所有这些因素的模型，以确保电流路径得当，以及IR压降很小。在达到这些电流电平时，这可不是件简单的工作。

然而，高质量电源子系统与其配电系统之间却存在一个难题。尽管供电在任何系统中都是一种不可或缺的功能，但它却无法获得用户的直接赞赏或认同。用户需要的是额外的特性、功能和性能；供电被看作设计中固有的部分。增加特性有利于营销宣传，并获得更多的利润，而电源网络的元件成本和占板面积却没有这些好处。事实上，有些人会把电源子系统占用的电路板面积看作没有意义的负担，就像财务部门或邮件收发室一样。

我希望，你作为系统设计师或电路设计师能对物料清单上的元器件的选择产生重大影响。我的这位朋友指出，为最大限度地减小电源网络的负担，你可以做几件基本工作。首先，要帮助电源子系统设计师开发设计一组基本的稳压器（可以使用线性稳压或开关稳压技术），这样，你就可以在电路板上重用这些设计。为了使这项工作有价值，你还应该根据每一个标称电压来平衡电流负载，使之处于同一范围内，因为你找不到一种经济实惠设计能支持10mA和1A两种负载。

其次，你还必须律已。面对浩瀚的IC世界，切忌贪婪心态。要选择那些共同使用标称电压较少的元件。要努力寻找符合数据表规格的部件，尽管其电源调整率为5%，因为更严格的规格会限制电源的灵活性。要使用标准的多输出电源的电压组合（最好来自多个厂家），这样就可以成对地选择不同的输出电流和调整率，以支持多个IC，而不是仅仅支持一两个IC。

你要在两个方面进行权衡：一方面是你想选用最合适的IC，另一方面你在了解其独特的电源要求时电源网络设计的影响后想获得所需的特点与功能。换句话说，你要做工程师们经常做的折衷工作（这些工作有时一目了然，但一般都难以定夺）：权衡优缺点，对折衷方案作出评判，努力达到能满足市场要求的功率、价格和性能最佳点。

【摘要】广播电视传输发射机房UPS电源系统，能否实现安全稳定的运行，直接影响着广播电视传输发射机房播放的质量。而如何提高其设计质量，成为当前该领域共同关注的问题。本文对UPS电源系统的设计作出了深入探讨，最后对广播电视传输发射机房UPS的使用与维护进行了综合论述。

【关键词】广播电视；传输发射机房；UPS电源系统；设计与应用

1UPS电源

UPS不间断电源输出的电压，主要稳定在220V或者380V。因此，在实际的供电过程中，当电压出现变化的情况下，为了保证设备能够稳定运行，此时UPS电源可在此情况下继续维持供电。而后备式UPS为单变换型UPS电源，在实际的应用过程中，其逆变器在电压稳定下，处于非正常工作状态。外电源要想持续进行供电，就需要借助交流旁线路进行。此外，后备式不间断电源供电质量较差，一旦电压发生相应的变化，其输出电压会随之发生变化，难以对外界的电网进行有效的隔离。在线式不间断电源为双变型，外电正常蓄电池组进行自动充电，同时借助逆变器为设备提供持续的供电，以此来保证设备稳定的运行。由于在线式不间断电源的逆变器能够始终保持着稳定的运行状态，致使其更好地对外界干扰进行消除，通过当前这种方式，成功地实现了供电的质量。

2UPS电源系统的设计

2.1设计要求。在设计发射机房UPS系统时，设计者要树立正确的设计意识，严格执行其相关设计标准，提高UPS设计的合理性。尤其在市电接入电源设计过程中，相关设计者必须结合实际情况，参照相关实施细则，以此来保证其设计符合实际标准。如若设计中选用1路专线，形成独立的低压回路。基于当前这种情况下，为了保证设计的合理性，此时要设计1台柴油发动机，选用低回路。此外，要想UPS电源的精度得到基本保障，则尽可能地选择Ⅲ类输入电压。一般情况下，UPS放电能力要达到1h以上，当外部电源中断后，UPS电源能够为相关设备提供足够的电能支持，以此来保证设备工作时间持续1h以上，确保设备处于稳定的运行状态。2.2设计方案。（1）电容量设计：广播电视传输发射机房在接收和发射数据时，大致分为三个部分内容：①FM广播发射设备与微波信号接收设备；②电视发射设备；③日常使用设备。根据每一个负载的额定功率，并将其进行累加，以此来计算出总的功率。基于部分设备来讲，要想得到其额定系数，则需要启动其电流的数值方可实现。并根据每一部分的负载总量，对UPS容量进行计算：CUPS=Cload/0.75，在此公式中，Cups为UPS容量（kVA）；Cload为负载容量（kVA）是UPS额定容量的75%。一般情况下，而蓄电池组放电量的80％为其使用寿命。此时需要对负载容量的单位进行换算，把kW换成kVA。而启动设备过程中，一般会受到冲击电流。此时系统的负载率将达到75％左右。如果超过75％的情况下，则表明系统会获得较高的系统效率。因此在实际的设计过程中，根据实际设计要求及上述的情况，需要3路UPS进行供电设置。（2）UPS供配电系统设计：在实际的设计过程中，无论是高压供电、还是低压供电，都必须严格执行其行业标准，按照其基本规范开展相关设计工作。尤其在二级播出负荷设计过程中，根据实际设计要求，需要设置两个以上独立低压回路，同时要具备手动、或者自动互投功能。对于电视发射台的发射控制装备、以及信号源设备而言，为了能够达到设计的高效性，尽可能地选择不间断电源供电。与此同时，根据设计负荷的工作时间标准，将UPS电池组后备时间设置在30min以上，使其达到相关设计标准要求。2.3接地防雷。广播电视传输发射机房所在区域一般地质较为复杂，多为山区地带。尤其近些年来，其发射设备，尤其供配电系统受到雷击危害较为严重。为了能够更好地保护这些设备，则需要结合实际情况，就要做好相应的避雷措施。集中体现在以下内容：在广播电视系统当中，接地防雷系统作为关键部分，因此要给予接地设计足够的重视，尤其在具体的设计过程中，一旦因设计不当而引发相应的设计问题，例如接地不良、发生雷电现象等，都将会影响着发射机房的安全。甚至严重的情况下，会引发不必要的安全事故。因此，相关设计人员必须提高设计意识，严格按照设计标准展开设计，重点把控接地防雷系统环节，保证其设计的科学性与合理性。同时，还需要进行防雷接地与两套地网设置。除此之外，必须保证防雷接地电阻、及电源接地电阻不大于3Ω。此外，需将防浪涌设备安装在机房的UPS输出配电柜中，以此来保护其相关设备。

1设计思路

随着电子设备对电源系统要求的日益提高，研究廉价的具有监视、管理供电电源功能的开关电源愈来愈显得必要。本文在综合考虑电源各种技术性能和对自身的安全要求以及开关电源性能的基础上，设计出了一种新型实用的带有过电压检测和保护装置的智能化电源。它具有以下几个特点：

（1）实际了对过电压的检测，并能记录每次过电压的瞬时值和峰值，可启动备用电源供电，实现对电子电路的保护作用。

（2）具有抗冲击能力强、使用寿命长、带液晶屏数字监视的特点，同时通过RS485通信接口与管理计算机通讯能实现“透明”电源的工作和保护等功能。

（3）能实时显示输出电压、电流的大小，过电压的次数、大小以及必要的参数设置信息。

（4）通过接口与后台或远端PC机实现数据传送。

1IGBT模块驱动电路的基本要求

1）实际导通时栅极偏压一般选12～15V为宜；而栅极负偏置电压可使IGBT可靠关断，一般负偏置电压选－5V为宜。在实际应用中为防止栅极驱动电路出现高压尖峰，最好在栅射之间并接两只反向串联的稳压二极管。

2）考虑到开通期间内部MOSFET产生Mill－er效应，要用大电流驱动源对栅极的输入电容进行快速充放电，以保证驱动信号有足够陡峭的上升、下降沿，加快开关速度，从而使IGBT的开关损耗尽量小。

3）选择合适的栅极串联电阻（一般为10Ω左右）和合适的栅射并联电阻（一般为数百欧姆），以保证动态驱动效果和防静电效果。根据以上要求，可设计出如图1所示的半桥LC串联谐振充电电源的IGBT驱动电路原理图。考虑到多数芯片难以承受20V及以上的电源电压，所以驱动电源Vo采用18V。二极管V79将其拆分为＋12．9V和－5．1V，前者是维持IGBT导通的电压，后者用于IGBT关断的负电压保护。光耦TLP350将PWM弱电信号传输给驱动电路且实现了电气隔离，而驱动器TC4422A可为IGBT模块提供较高开关频率下的动态大电流开关信号，其输出端口串联的电容C65可以进一步加快开关速度。应注意一个IGBT模块有两个相同单管，所以实际需要两路不共地的18V稳压电源；另外IGBT栅射极之间的510Ω并联电阻应该直接焊装在其管脚上（未在图中画出），而且最好在管脚上并联焊装一个1N4733和1N4744（反向串联）稳压二极管，以保护IGBT的栅极。

2实验结果及分析

在变换器的LC输出端接入两个2W／200Ω的电阻进行静态测试。实验中使用的仪器为：Agi－lent54833A型示波器，10073D低压探头。示波器置于AC档对输出电压纹波进行观测，波形如图5所示。由实验结果看，输出纹波可以基本保持在±10mV以内，满足设计要求。此后对反激变换器电路板与IGBT模块驱动电路板进行对接联调。观察了IGBT栅极的驱动信号波形。由实验结果看，IGBT在开通时驱动电压接近13V，而在其关断时间内电压接近5V。这主要是电路中的光耦和大电流驱动器本身内部的晶体管对驱动电压有所消耗（即管压降）造成的，故不可能完全达到18V供电电源的水平。

摘要：介绍了一种用TOPSwitch器件设计的新颖单端正激式电源电路。详细分析了其电路设计方法，给出了主要参数的计算及实验波形。

关键词：三端离线PWM开关；正激变换器；高频变压器设计

引言

TOPSwitch是美国功率集成公司（PI）于20世纪90年代中期推出的新型高频开关电源芯片，是三端离线PWM开关（ThreeterminalofflinePWMSwitch）的缩写。它将开关电源中最重要的两个部分——PWM控制集成电路和功率开关管MOSFET集成在一块芯片上，构成PWM/MOSFET合二为一集成芯片，使外部电路简化，其工作频率高达100kHz，交流输入电压85～265V，AC/DC转换效率高达90％。对200W以下的开关电源，采用TOPSwitch作为主功率器件与其他电路相比，体积小、重量轻，自我保护功能齐全，从而降低了开关电源设计的复杂性，是一种简捷的SMPS（SwitchModePowerSupply）设计方案。

TOPSwitch系列可在降压型，升压型，正激式和反激式等变换电路中使用。但是，在现有的参考文献以及PI公司提供的设计手册中，所介绍的都是用TOPSwitch制作单端反激式开关电源的设计方法。反激式变换器一般有两种工作方式：完全能量转换（电感电流不连续）和不完全能量转换（电感电流连续）。这两种工作方式的小信号传递函数是截然不同的，动态分析时要做不同的处理。实际上当变换器输入电压在一个较大范围发生变化，和（或者）负载电流在较大范围内变化时，必然跨越两种工作方式，因此，常要求反激式变换器在完全能量和不完全能量转换方式下都能稳定工作。但是，要求同一个电路能实现从一种工作方式转变为另一种工作方式，在设计上是较为困难的。而且，作为单片开关电源的核心部件高频变压器的设计，由于反激式变换器中的变压器兼有储能、限流、隔离的作用，在设计上要比正激式变换器中的高频变压器困难，对于初学者来说很难掌握。笔者采用TOP225Y设计了一种单端正激式开关电源电路，实验证明该电路是切实可行的。下面介绍其工作原理与设计方法，以供探讨。

1TOPSwitch系列应用于单端正激变换器中存在的问题

经查阅国内外相关文献，在基于ZigBee技术的太阳能光伏电池组件远程监控系统中，数据的采集电路通常由独立的DC－DC电源模块供电．DC－DC电源模块负责把光伏电池组件输出的电能转化为数据采集电路需要的电源［1－3］．但是采用独立的DC/DC模块进行供电具有一定的弊端，首先它会增大了电路板的尺寸，其次会增加研发成本，最后谐波的干扰也会增大很多［4］．鉴于上述问题，本文研究了基于太阳能光伏电池模块的微芯片电源电路．该电路巧妙利用CC2530芯片中A/D变换采集的电压、电流数据，通过芯片中MCU分析比较产生PWM波，通过PWM控制电路中的VMOS调整管，使其输出为5V左右的电压，然后再通过AMS1117稳压芯片得到3．3V稳定工作电压．本文提出的供电电路设计有自适应和宽动态特性．因为太阳能光伏组件输出的直流电压在一天中变化很大，如果用多级稳压模块级联，则电源电路的效率低、能耗大，该电源电路通过脉宽调制和模拟稳压混合模式实现了对宽动态范围输入电压的自适应稳压，并具有能耗低、效率高的优点［5－6］．

1硬件部分

1．1CC2530参数CC2530集ZigBeeRF前端、微控制器和内存为一体，CC2530采用8位MCU(8051)，256kB可编程闪存和8kBRAM，并包括A/D转换器，AES－128协同处理器，定时器，32kHz晶振的睡眠模式定时器，掉电检测电路，上电复位电路和21个I/O端口，功能可以满足大部分的研发需求［7］．CC2530框图如图1所示．CC2530芯片用0．18μmCMOS的制作工艺，CC2530在接收以及发送模式时，电流消耗都小于30mA和40mA，工作电流为20mA，是一款功耗低、集成度非常大的芯片［8］．1．2电路结构及工作原理基于光伏太阳能电池组件的微芯片电源电路结构，如图2所示，电源电路大体用微处理器CC2530，光电耦合器，VMOS开关管T1，电阻R1、R2组成的电压采样电路，电阻R3以及电容C1构成的延时电路，3．3V稳压模块AMS1117等部分构成．额定输出电压24V的太阳能光伏电池组件，在太阳辐射能量最小可以接近0V输出，最大可以高于24V．由于AMS1117稳压模块的输入电压不能超过15V，承受不住超过15V的太阳能光伏组件直接供电．为了保证电路板的安全，在此设计中通过使用VMOS管(T1)来调整太高的直流电压，以确保AMS1117稳压模块的输入电压可以在设定范围内改变，保证AMS1117稳压模块安全稳定的工作．本设计中VMOS管T1一定要在开关状态下工作［9］．同时为了提高电路的效率，通过设置VMOS管T1的输出电压为5V，从而最大限度地降低了AMS1117稳压模块的输入电压，从而减少了全部电源电路的直流能耗，使整个装置的发热也减少了很多．如图2，由R1和R2组成的分压电路连接着太阳能光伏组件输出端，用于电压采样．假设太阳能光伏组件的输出电压为US，由R1、R2组成的分压电路的输入电压设为Ui．由于Ui=US，则分压电路的输出电压Uof为:Uof=R2R1+R2Ui=R2R1+R2US(1)考虑到CC2530的A/D变换器，它的输入电压为0～1V，此设计中取样电路分压比设置为:Uof=US/30(2)由CC2530的A/D通道采集电压数据后，发送至网络协调器，该数据同时也是控制PWM占空比的依据．CC2530通过内部定时器生成PWM波然后由P0．4输出信号驱动光耦器件．因为在电路中T1的三个电极工作时的电压都高于CC2530的安全电压，所以CC2530的P0．4端口与VMOS管T1的栅极直接相连．如图2，本电路中CC2530通过光耦隔离连接到T1栅极．PWM信号通过光耦驱动VMOS管T1，在太阳能电源输出电压发生波动时，PWM信号占空比会发生变化，可以通过这个变化来调整AMS1117输入电压，包括调整VMOS管T1的输出电压，以确保AMS1117输入电压在设定的范围内变化［10］．太阳能光伏电池组件突然对电路供电时，考虑到CC2530初始化要一定时间，不能立即产生PWM信号，AMS1117稳压模块突然通过太高的电压，有可能发生危险，所以增加设计了RC延时电路，以及电源电路输入端加装保险丝来减少芯片发生故障时的损失，同时CC2530在独自复位时，可能会有危险，所以在此设计中采用CC2530与RC延时电路联动复位机制．

2软件设计

本电路设计中CC2530芯片既承担了数据通信及组网的任务，还承担了控制电源输出电压的任务，程序设计十分关键．笔者在ZigBee协议的研究基础上，对CC2530通信应用程序模块、组网程序模块、电源控制模块等进行统筹设计，使通信、组网、电源管理等程序模块协同工作．鉴于此，在电源控制程序模块设计中，控制PWM的时用定时器来进行中断，就是用定时器的中断服务来生成PWM信号，保证PWM波不受其它程序的干扰．在选择CC2530定时器时，由于Time2是Mac定时器，Time1、Time3、Time4可以用，Time2不能用．此设计中用Time1定时器来产生PWM波，通过设置T1CTL0寄存器、T1CTL2寄存器、T1CTL寄存器、T1CC0H和T1CC0L寄存器、T1CC2H和T1CC2L寄存器，即可输出PWM波．在T1控制寄存器里，对应选项要设定成输出对照方式，T1CC0H和T1CC0L设定成适合的固定的数值，T1CC2L与T1CC2H的数值就由A/D变换器得出的值来确定，以上过程流程如图3．由图3可知，PWM波占空比是通过A/D变换得出的结果来调节的．此设计中，PWM波的周期是通过T1CC0确定的，T1CC2来确定占空比．

3实验结果分析

摘要：汽车电子中的电源接口发挥车辆的启动功能，为了提高启动效率和电子系统的抗干扰性，在电源接口设计中要设置防护电路。基于对电源接口常见干扰的分析，本文提出了电源结构的防护电路设计方法，在满足车辆的启动要求基础上，防止各类干扰因素对整个电子系统造成过大影响，提高电子系统的运行寿命。

关键词：汽车电子；电源接口；防护

电路在汽车电子系统的运行中，电源接口将直接决定电子系统是否运行，所以电源结构需要具备极高的运行稳定性和安全性。在车辆的运行中，结构线路中会出现很多电流干扰，尤其是在车辆的启动阶段，电子线路中会产生涌流，这类电流对系统造成的影响和干扰最大，所以在整个系统的运行中，要采取合理方法消除这些干扰对系统造成的影响。

1汽车电子中的电源接口常见干扰类型

电源接口的常见干扰包括电流涌流、电路过压和电池反向电流等，这些干扰类型对电源接口的影响效果如下：1.1电流涌流。电流涌流通常发生在车辆的启动阶段，车辆未启动阶段，电子系统不运行，在启动过程中，都可视作各线路中突然产生电流。在这一过程中，电流产生的涌流对电路造成的影响很大，尤其是一些敏感线路，各线路产生的电磁场会在敏感电路中产生电流，降低了整个系统的运行质量[1]。另外这类涌流通常伴随着系统中产生过电压和过电流，对整个电子系统造成过大影响，严重时甚至会击穿电路系统中的一些精密电子器件，导致整个系统无法运行。1.2电路过压。在电源接口的运行中，当电子系统运行稳定性不足时，会产生电路过压问题，该问题发生后，容易击穿电子系统中的电子器件，导致车辆的电子系统无法运行。另外在车辆启动后，发电机成为主要供电设备，发电机产生交变电流，容易对电子线路中的其余系统造成影响。由于发电机运行后产生的电压高于蓄电池，会产生过电压问题。车辆运行中的供电系统原理图如图1。从中可以看出，在发电机运行后，产生的电流容易对蓄电池和起重机造成影响，产生的过电压会降低蓄电池的运行寿命。1.3电池反向电流。从上文中可以发现，在汽车的运行中，主要以发电机为汽车的电源，当发电机产生的电压过大时，会在电路中产生电池反向电流，虽然蓄电池在运行中能够发挥一定的电容作用，并依托发电机充电，但是当反向电流过大时，会导致整个电路的运行效率下降。另外在当前的汽车中，起动机的额定电压较小，与蓄电池的工作电压相同，当出现电池反向电流现象时，通常意味着发电机的电压高于蓄电池电压，容易导致起动机损坏，导致车辆无法启动。

2汽车电子中的电源接口防护电路设计方法

设计工程人员面临许多挑战，其中之一就是为不断发展的中等功率（每板<100W）桌面、数据通讯及电信系统提供低电压配电架构。最新硅产品的工作电压正逐渐步入1.0V～2.5V的范围。在计算机与电信系统中，每个电路板上都必须实现dc电源总线隔离，而其中的典型电源解决方案主要由昂贵的多种系列单输出隔离式dc/dc电源模块组成。

跨多种应用领域的系统设计人员具有类似的需求以及对倾向于采用dc/dc电源模块的要求。最经常提到是对更薄厚度、更小面积、更高效率及更大功率密度[1]等特性的需求。新一代dc/dc电源模块应运而生，正开始步入市场以满足上述要求。这些双输出和三输出隔离式模块运行于标准的-48V局端电源中，可提供3W～100W的功率。它们包括输出电压最低达1.0V的模块及最高输出电流达30A的模块。

尺寸

系统设计人员为在更小空间中实现更高性能的信号处理电路，所面临的竞争挑战日益激烈。先进的DSP与ASIC有助于提供此功能，但需要更多电压较低的电源轨，并需具备高精度排序与调节。通过减少实施电力系统所需的整体模块数，最新的多输出电源模块满足了这一要求。

描述模块效率面积（平方英寸）成本(1千/年)

多个单输出隔离式模块33W效率单输出3.3V/9A89.0%3.742.38美元

摘要：单片开关电源是国际上90年代才开始流行的新型开关电源芯片。本文阐述其快速设计方法。

关键词：单片开关电源快速设计

TOPSwithⅡ

TheWayofQuickDesignforSinglechipSwitchingPowerSupplyAbctract:Threeendssinglechipswitchingpowersupplyisnewtypeswitchingpowersupplycorewhichhasbeenpopularsince1990.Thispaperintroducesquickdesignforsinglechipswitchingpowersupply.

Keywords:Singlechipswitchingpowersupply,Quickdesign,TopswithⅡ

在设计开关电源时，首先面临的问题是如何选择合适的单片开关电源芯片，既能满足要求，又不因选型不当而造成资源的浪费。然而，这并非易事。原因之一是单片开关电源现已形成四大系列、近70种型号，即使采用同一种封装的不同型号，其输出功率也各不相同；原因之二是选择芯片时，不仅要知道设计的输出功率PO，还必须预先确定开关电源的效率η和芯片的功率损耗PD，而后两个特征参数只有在设计安装好开关电源时才能测出来，在设计之前它们是未知的。

在设计开关电源时，首先面临的问题是如何选择合适的单片开关电源芯片，既能满足要求，又不因选型不当而造成资源的浪费。然而，这并非易事。原因之一是单片开关电源现已形成四大系列、近70种型号，即使采用同一种封装的不同型号，其输出功率也各不相同；原因之二是选择芯片时，不仅要知道设计的输出功率PO，还必须预先确定开关电源的效率η和芯片的功率损耗PD，而后两个特征参数只有在设计安装好开关电源时才能测出来，在设计之前它们是未知的。

下面重点介绍利用TOPSwitch－II系列单片开关电源的功率损耗（PD）与电源效率（η）、输出功率（PO）关系曲线，快速选择芯片的方法，可圆满解决上述难题。在设计前，只要根据预期的输出功率和电源效率值，即可从曲线上查出最合适的单片开关电源型号及功率损耗值，这不仅简化了设计，还为选择散热器提

η/％(Uimin=85V)

1TOPSwitch－II的PD与η、PO关系曲线

TOPSwitch－II系列的交流输入电压分宽范围输入（亦称通用输入），固定输入（也叫单一电压输入）两种情况。二者的交流输入电压分别为Ui=85V～265V，230V±15％。

1．1宽范围输入时PD与η，PO的关系曲线