开关电源
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开关电源范文第1篇
[关键词]节能；单片机；开关电源
中图分类号：TG303 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）02-0000-01
前言：开关电源就是电源电路中的功率变换器件工作在开关状态，它是在线性稳压电源的基础上产生的。它是一个把交流电变换成电，把直流电又转化为交流电，再把交流电转换为直流电的电源转换电路。它是通过电路中控制元件的导通时间来调整电压大小。开关电源属于电力电子技术，他运用功率变换器进行电能变换，经过变换电能，他可以满足各种用电要求。开关电源是美国 NASA 用于宇宙火箭搭载电源目的而开发的。与线性电源相比开关电源具有体积小、重量轻、效率高的特点，被广泛用于电视机、计算机、自动控制装置、产业机械、通信装置等各个领域。特别是随着半导体技术的进步和信息产业的发展，开关电源的需求量不断扩大。随着现代技术的发展，尤其是和单片机的结合，使得开关电源开关电源迎来了又一个生命――数控开关电源。
1 数控开关电源的基本理论
一般开关电源是随电网电压变化或负载变化而变化的，当电网电压变化或负载变化引起输出电压降低时，反馈线圈的输出电压则会变低，从而使2端电压变低，则脉宽调制器会相应的增大输出PWM波形的占空比，使大功率晶体管导通的时间变长；反之，当电源电压变化或负载变化而引起输出电压升高时，则脉宽调制器会相应的减小PWM输出脉冲波形的占空比，使大功率晶体管导通的时间变短，从而维持输出电压为一恒定值。
本文提出了一种采用单片机作为整机反馈量的控制单元，可以通过我们的实际需要输入相应数字量来改变反馈电压值，通过反馈电电压使脉宽调制器占空比发生变化，间接地改变输出电压大小的新方法。称之为数控开关电源。这种电源不但能够设定系统输出电压值的大小，还能当电网电压在一定范围内变化或负载变化引的电路电压的变化时保持恒定输出。同时还能通过驱动数码管芯片从而驱动4位的共阳数码管进行显示，使系统硬件更加简洁，输出精度更高。
1.1 桥式整流电路
桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，由四个二极管两两顺序连接组成，输出电压V0是单相脉动电压，通常用它的平均值与直流电压等效。输出平均电压为
1.2 脉宽调制电路
脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。本文采用能承受较大电流，漏电流较小的功率开关管，当功率开关管受PWM脉冲激励而导通时，整流电压加在变压器T初级绕组Np上的电能变成磁能储存在变压器中，在场效应管导通结束时，Np绕组中电流达到最大值Ipmax，根据法拉第电磁感应定律：
Ipmax=（Ε/Lp）Ton
式中：E――整流电压；Lp――变压器初级绕组电感；Ton――场效应管导通时间。
在场效应管关闭瞬间，变压器次级绕组放电电流为最大值Ismax，若忽略各种损耗应为
Ismax=nLpmax=n（Ε/Lp）Ton
式中：n――变压器变比，n=Np/Ns，Np、Ns为变压器初、次级绕组匝数。
高频变压器在场效应管导通期间初级绕组储存的能量与场效应管关闭期间次级绕组释放的能量相等：
N（E/Ls）Ton=（Uo/Ls）Toff
式中：Ls――变压器次级绕组电感；Uo――输出电压；Toff――场效应管关闭时间。
因为LP=n2L， 则：（E/nLS）Ton=（Uo/LS）Toff，ETon=nUoToff
Uo=（Ton/nToff）E
1.3 启动电路
电源是通过启动电阻提供电流给电容充电，当电容电压达到启动电压门槛值时，脉宽调制芯片开始工作并提供驱动脉冲，推动开关管工作。
1.4 反馈回路
反馈回路有单片机主导构成，起着稳定电压输出、调节电压输出和显示电路电压的作用。
2 单片机及电路的设计
2.1 复位电路
本文采用的是一个低功耗，高性能CMOS 8位的AT89S52单片机，为了使单片机内特殊功能寄存器初始化，所以需要一个复位电路来实现，复位后可使AT89S52单片机到初始状态，并从初始状态开始正常工作。在正常运行情况下，只要RST引脚上出现两个机器周期时间以上的高电平，即可引起系统复位，
2.2 时钟电路
AT89S52单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，XTAL1 和XTAL2 分别是放大器的输入、输出端。从外部时钟源驱动器件的话，XTAL2 可以不接，而从 XTAL1 接入，由于外部时钟信号经过二分频触发后作为外部时钟电路输入的，所以对外部时钟信号的占空比没有其它要求，最长低电平持续时间和最少高电平持续时间等还是要符合要求的。 外接晶体以及电容C2和C1构成并联谐振电路，它们起稳定振荡频率、快速起振的作用，其值均为30P左右，晶振频率选12MHz。
2.3 D/A转换器
如图1-2在控制电路中需要一可变的基准电源来改变稳压调节器输入端电压的大小，而单片机输出的控制信号为数字信号，所以变化的基准电压需借助数模转换器产生。
3 软件的设计
3.1 主要完成三方面的功能
1）.设置电压并且保存，主要是对EEROM的操作。
2）.把设置的电压送到DA，主要是对DA的操作。
3）.中断显示，把设置的电压显示到LED数码管上。
3.2 程序设计思想
当电源打开的时候，MCU进行复位，寄存器清零。接着电源应该显示和输出上次关机前的电压大小，这时候MCU先读取EEPROM中保存的电压编号，根据电压编号读出对应电压，把该数据送到DA，在转换成BCD码送到显示部分。这时候程序循环检测是否有按键信号，如果调节键按下，电压编号指向下一个，保存该电压编号，读对应电压，把他送到DA并且显示。如果调节键+按下，当前电压数据加1，相对应输出电压（POWER―OUT引脚）增加0.1V，保存设置电压数据。如果调节键-按下，电压数据减1，输出电压减少0.1V，保存设置电压数据。
4 结束语
结合单片机开发的开关电源是电源技术发展的创新技术，其功率小，整机的稳定、可靠，而且其对电网的适应能力也有较大的提高，一般串联稳压电源允许电网波动范围为220V（ 10%），而开关型稳压电源在电网电压在110～260V范围内变化时，都可获得稳定可调的输出电压，使电源模块的智能化程度更高，性能更完美。并使开关电源进入更广泛的领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约资源及保护环境方面都具有深远的意义。
参考文献
[1] 《开关稳压电源原理与实用技术》慕苤勋等编著，科学出版社，2005.6.
开关电源范文第2篇
关键词：开关电源 电磁兼容 气体放电管 瞬态电压抑制器
Electromagnetic Compatibility of Switching Power Supply
ZHU Liang1
（1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion， CSIC， Wuhan 430064， China ）
Abstract： This paper first introduced the switch power supply of the basic composition， working principle， working mode and main features， and then illustrates the two main types of modern switch characteristics， and during the second half of the article， it emphatically describes a DC/DC switching power supply for electromagnetic compatibility test CS106 projects， for the problems and the causes of the problems are analyzed， and finally gives the solution to the problem is in the switch power supply input terminal with a transient voltage suppressor （TVS diode） replace the gas discharge tube， after many times of electromagnetic compatibility test， proved that the method is feasible.
Key words： switching power supply； electromagnetic compatibility（EMC）； gas discharge tube； transient voltage suppressor
1 引言
电子技术的高速发展，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入21世纪后，开关电源相继进入各种电子、电器 设备领域，程控交换机、通讯、电力检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电子技术，控制开关晶体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）和MOSFET 构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。开关电源比普通的线性电源效率高，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。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，开关电源比普通线性电源体积小，轻便化，更便于携带。但是随着体积越来越小带来的问题是，众多的电子系统集中装备在的狭窄空间内，电子设备的使用密度日趋增大。频谱的拥挤，发射电平的增大、接收灵敏度的提高、数据和弱信号传输量的扩大、各种金属构件的天线和非天线效应、大量成束电缆的敷设等等，都给电磁干扰的产生和传播提供了条件和途径。
2 开关电源简介
开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。
2.1 基本组成
开关电源大至由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成。
2.1.1主电路
冲击电流限幅：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。
输入滤波器：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。
整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。
逆变：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。
输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。
2.1.2 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，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。
2.1.3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。
2.1.4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。
2.2 工作原理
开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。
与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。
脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。
控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。
开关电源有两种主要的工作方式：正激式变换和升压式变换。尽管它们各部分的布置差别很小，但是工作过程相差很大，在特定的应用场合下各有优点。
2.3 工作模式及主要特点
开关电源就是利用电子开关器件（如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等），通过控制电路，使电子开关器件不停地“接通”和“关断”，让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现DC/AC、DC/DC电压变换，以及输出电压可调和自动稳压。[1]
开关电源一般有三种工作模式：频率、脉冲宽度固定模式，频率固定、脉冲宽度可变模式，频率、脉冲宽度可变模式。前一种工作模式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换；后两种工作模式多用于开关稳压电源。另外，开关电源输出电压也有三种工作方式：直接输出电压方式、平均值输出电压方式、幅值输出电压方式。同样，前一种工作方式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换；后两种工作方式多用于开关稳压电源。
跟传统的线性电源相比，由于没有工频变压器，所以体积和重量只有线性电源的20～30%；并且功率晶体管工作在开关状态，所以晶体管上的功耗小，转化效率高，一般为60～70%，而线性电电源只有30～40%。
2.4 主要类型
现代开关电源有两种：一种是直流开关电源；另一种是交流开关电源。这里主要介绍的只是直流开关电源，其功能是将电能质量较差的原生态电源（粗电），如市电电源或蓄电池电源，转换成满足设备要求的质量较高的直流电压（精电）。直流开关电源的核心是DC/DC转换器。因此直流开关电源的分类是依赖DC/DC转换器分类的。也就是说，直流开关电源的分类与DC/DC转换器的分类是基本相同的，DC/DC转换器的分类基本上就是直流开关电源的分类。
2.4.1 按直流DC/DC转换器之间的电气隔离分
一类是有隔离的称为隔离式DC/DC转换器；另一类是没有隔离的称为非隔离式DC/DC转换器。
隔离式DC/DC转换器也可以按有源功率器件的个数来分类。单管的DC/DC转换器有正激式（Forward）和反激式（Flyback）两种。双管DC/DC转换器 有双管正激式（DoubleTransistor Forward Converter），双管反激式（Double Transistr Flyback Converter）、推挽式（Push-Pull Converter） 和半桥式（Half-Bridge Converter）四种。四管DC/DC转换器就是全桥DC/DC转换器（Full-Bridge Converter）。
非隔离式DC/DC转换器，按有源功率器件的个数，可以分为单管、双管和四管三类。单管DC/DC转换器共有六种，即降压式（Buck）DC/DC转换器 ，升压式（Boost）DC/DC转换器、升压降压式（Buck Boost）DC/DC转换器、Cuk DC/DC转换器、Zeta DC/DC转换器和SEPIC DC/DC转换器。在这六种 单管DC/DC转换器中，Buck和Boost式DC/DC转换器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC转换器是从中派生出来的。双管DC/DC转换 器有双管串接的升压式（Buck-Boost）DC/DC转换器。四管DC/DC转换器常用的是全桥DC/DC转换器（Full-Bridge Converter）。
非隔离式DC/DC转换器，按有源功率器件的个数，可以分为单管、双管和四管三类。
单管DC/DC转换器共有六种，即降压式（Buck）DC/DC转换器 ，升压式（Boost）DC/DC转换器、升压降压式（Buck Boost）DC/DC转换器、Cuk DC/DC转换器、Zeta DC/DC转换器和SEPIC DC/DC转换器。在这六种 单管DC/DC转换器中，Buck和Boost式DC/DC转换器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC转换器是从中派生出来的。双管DC/DC转换 器有双管串接的升压式（Buck-Boost）DC/DC转换器。四管DC/DC转换器常用的是全桥DC/DC转换器（Full-Bridge Converter）。
隔离式DC/DC转换器在实现输出与输入电气隔离时，通常采用变压器来实现，由于变压器具有变压的功能，所以有利于扩大转换器的输出应用 范围，也便于实现不同电压的多路输出，或相同电压的多种输出。
在功率开关管的电压和电流定额相同时，转换器的输出功率通常与所用开关管的数量成正比。所以开关管数越多，DC/DC转换器的输出功率越大，四管式比两管式输出功率大一倍，单管式输出功率只有四管式的1/4。
非隔离式转换器与隔离式转换器的组合，可以得到单个转换器所不具备的一些特性。
2.4.2 按能量的传输来分
DC/DC转换器有单向传输和双向传输两种。具有双向传输功能的DC/DC转换器，既可以从电源侧向负载侧传输功率，也可 以从负载侧向电源侧传输功率。
DC/DC转换器也可以分为自激式和他控式。借助转换器本身的正反馈信号实现开关管自持周期性开关的转换器，叫做自激式转换器，如洛耶尔 （Royer）转换器就是一种典型的推挽自激式转换器。他控式DC/DC转换器中的开关器件控制信号，是由外部专门的控制电路产生的。
2.4.3 按照开关管的开关条件
DC/DC转换器又可以分为硬开关（Hard Switching）和软开关（Soft Switching）两种。硬开关DC/DC转换器的开关器件 是在承受电压或流过电流的情况下，开通或关断电路的，因此在开通或关断过程中将会产生较大的交叠损耗，即所谓的开关损耗（Switching loss）。当转换器的工作状态一定时开关损耗也是一定的，而且开关频率越高，开关损耗越大，同时在开关过程中还会激起电路分布电感和寄生 电容的振荡，带来附加损耗，因此，硬开关DC/DC转换器的开关频率不能太高。软开关DC/DC转换器的开关管，在开通或关断过程中，或是加于 其上的电压为零，即零电压开关（Zero-Voltage-Switching，ZVS），或是通过开关管的电流为零，即零电流开关（Zero-Current·Switching，ZCS）。这种软开关方式可以显着地减小开关损耗，以及开关过程中激起的振荡，使开关频率可以大幅度提高，为转换器的小型化和模块化创造 了条件。功率场效应管（MOSFET）是应用较多的开关器件，它有较高的开关速度，但同时也有较大的寄生电容。它关断时，在外电压的作用下， 其寄生电容充满电，如果在其开通前不将这一部分电荷放掉，则将消耗于器件内部，这就是容性开通损耗。为了减小或消除这种损耗，功率场 效应管宜采用零电压开通方式（ZVS）。绝缘栅双极性晶体管（Insu1ated Gate Bipo1ar tansistor，IGBT）是一种复合开关器件，关断时的电流拖 尾会导致较大的关断损耗，如果在关断前使流过它的电流降到零，则可以显着地降低开关损耗，因此IGBT宜采用零电流（ZCS）关断方式。IGBT在 零电压条件下关断，同样也能减小关断损耗，但是MOSFET在零电流条件下开通时，并不能减小容性开通损耗。谐振转换器（ResonantConverter ，RC）、准谐振转换器（Qunsi-Tesonant Converter，QRC）、多谐振转换器（Mu1ti-ResonantConverter，MRC）、零电压开关PWM转换器（ZVS PWM Converter）、零电流开关PWM转换器（ZCS PWM Converter）、零电压转换（Zero-Vo1tage-Transition，ZVT）PWM转换器和零电流转换（Zero- Vo1tage-Transition，ZVT）PWM转换器等，均属于软开关直流转换器。
3 关于开关电源的电磁兼容
3.1 开关电源的电磁兼容性问题
我们使用的DC/DC型电源设备在进行电磁兼容性试验的CS106项目时，可以使在该电源前端的0.75A的保险丝熔断，导致试验失败。
电磁兼容性试验的CS106项目的内容为：将尖峰发生器与受试设备并联，调整尖峰发生器的输出幅度，使5欧姆无感电阻上的信号幅度符合标准中的规定值，这个值即为校准值[2]，如图所示：
在试验中，干扰以差模方式注入：具有较大的瞬间功率和一定的能量。
我们所使用的是一款DC/DC的开关电源，其主要功能是将外部蓄电池的250V左右的直流电转换为直流±15V的直流电，给后续的电力电子设备提供电源，其主要电路图如下：
3.2 针对电磁兼容性问题的分析及解决方法
由于CS106试验主要测试在设备分系统所有不接地的交流和直流输入电源线上测试设备、分系统对电源线上注入的尖峰信号的敏感度。而在此电源中，我们使用的是型号为2RM600-8的气体放电管，其动作电压为DC600V±20%，电源在正常工作时，输入端电压是DC250V，因此气体放电管不动作。当电源输入端的电压有超过该只气体放电管动作电压的时候，气体放电管可靠的动作，并产生放电吸收的现象，该过程能将来自于输入端的尖峰过电压以气体放电的形式被吸收，从而保护电路其他元器件不受过压损坏。但是，在放电过程中，会使电源的输入端瞬间的峰值吸入电流。当在进行CS106试验时，其输入端接有保险丝，当超过DC600V的尖峰电压出现时，开关电源内的气体放电管工作，使电源的输入端产生瞬间的峰值吸入电流，该峰值电流要远大于0.75A保险丝的熔断电流，因此该保险丝会瞬间熔断。此时开关电源内部的气体放电管又恢复常态，当下一次再出现DC600V以上的尖峰浪涌电压时，气体放电管又会重复上述工作过程[3]。
为了不影响开关电源外部电力电子设备的正常使用，我们将开关电源内的气体放电管更换为TVS管，更换后的电路如下：
如图所示，将气体放电管从开关电源前端去除后，在限流电阻后并联了一个TVS管。TVS管是一种二极管形式的高效能保护器件，我们选用的型号为1.5KE400A，当该TVS管的两极高于直流电压400V±20V时，它能以10-12秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达1.5千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于548V，有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。
我们将更换了TVS管的开关电源重新进行了CS106试验项目，结果保险丝完好，顺利通过该项试验。
4 结束语
综上所述，对于电磁干扰的抑制方法很多，可以选择一种或多种综合运用。本文提到的只是此种DC/DC类型的直流开关电源在进行电磁兼容性试验中所涉及的问题，并针对出现这种问题提出了解决方案且进行了验证，结果证明该方法是可行的，希望对其他遇到类似的问题给予帮助。
参考文献：
[1] 开关电源的工作模式. 电气自动化技术网，2013.
[2] 白同云等.电磁兼容设计[M].北京： 北京邮电大学出版社，2001.
开关电源范文第3篇
我们在使用计算机、电视机时，只要接通市电，打开开关即开始工作。实际上这些设备里面已经做了电源变换，将正弦波交流市电转换成各自需要的直流高压电，让设备即可工作。在这些设备的高可靠性电源中，开关电源起着关键作用。
随着经济发展和科学技术的进步，节约能源、提高效率、保护环境已被社会各界所重视，而开关电源是节约电能的重要环节，经过电力电子和开关电源技术处理后的电力供应，其节电效果是明显的。
开关频率达兆赫级的开关电源，为高频变换电池提供技术基础，促进现代电源技术的繁荣与发展，高频化带来的好处是，降低材料消耗，装置小型化，加快系统的动态反应，从而进一步扩展应用范围。然而这种高频化，其基波本身就构成一种干扰源，能发一种较强的传导干扰波。此外，通过元件的改进达到高频化的同时，也会因辐射干扰波而产生一种杂散的信号，这些信号就构成电磁干扰。为此，必须采取有效措施，抑制这种电磁干扰，使之符合电磁兼容为特征的绿色能源技术的要求，使无线电波免遭电磁干扰的影响。
1 电磁干扰的产生与特征
开关电源功率变换器中的功率半导体器件，其开关频率通常很高，功率开关器件在频繁的接通与断开过程中，不可避免地要产生电磁干扰。开关电源电磁干扰的产生与特征：电磁干扰的干扰源主要集中在功率开关器件、二极管以及与之相连的散热器和高频变压器上；作为开关状态的能量转换装置，开关电源的电压、电流变化率很高，因而产生电磁干扰的噪声信号强度大，而且频率范围宽。此外，印制电路板的布线，若有存在欠妥之处，也是产生电磁干扰的原因。
开关电源电磁干扰对通讯设备等各类电子设备的干扰途径是：传导干扰和辐射干扰。为此，在开关电源输入和输出电路中，加装滤波器是抑制电磁干扰的最有效方法。
2 抑制电磁干扰滤波器的选用与安装
抑制开关电源电磁干扰的技术是滤波技术，它可以把不需要的电磁能量，即传导干扰噪声信号减少到满意的程度，所以在抑制传导干扰方面，滤波技术是有效的手段。
2.1 滤波器的选用
电磁干扰滤波器的选用，应根据干扰源的特性、频率范围、电压、阻抗等参数及负载特性的要求进行综合考虑后确定，一般应满足如下要求：(1)滤波器工作频率范围应满足负载衰减特性的要求，并能在宽频带内获得良好的衰减特性。(2)若抑制频率与有用信号频率非常接近时，则需选用频率特性非常陡峭的滤波器。(3)滤波器的阻抗必须与它相连接干扰源的阻抗和负载阻抗相匹配。(4)滤波器电压应根据电源和干扰源的额定电压来确定，使之具有一定耐压能力，并能够承受输入瞬时高压的冲击。万一发生电压击穿，它应处于开路状态，而不会使机壳带电。(5)滤波器允许通过的电流应与电路中连续运行的额定电流相一致。(6)滤波器工作在高电压、大电流、恶劣的电磁干扰环境中。其电感器、电容器等必须具有更良好的安全性能。(7)滤波器应具有足够的机械强度。并且结构简单、体积小、重量轻、安装方便、性能可靠，给用户带来低成本。
开关电源范文第4篇
【关键词】开关电源;保护措施;分析
引言
开关电源由于具有体积小、质量轻、效率高、输出稳定灵活等优点，在各个领域得到广泛应用。电源系统在整个电子系统中，是一个比较重要的不见，它的稳定运行对于整个系统都有着相关的关系。因此，对其的安全保护措施的分析是一个重要的课题。
1.开关电源原理
高频开关电源由以下几个部分组成：
1.1 主电路
从交流电网输入、直流输出的全过程，包括：①输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。②整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。③逆变：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，频率越高，体积、重量与输出功率之比越校。④输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。
1.2 控制电路
一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。
1.3 检测电路
除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表数据。
1.4 辅助电源
提供所有单一电路的不同要求电源。开关控制稳压原理开关K以一定的时间间隔重复地接通和断开，在开关K接通时，输入电源E通过开关K和滤波电路提供给负载RL，在整个开关接通期间，电源E向负载提供能量;当开关K断开时，输入电源E便中断了能量的提供。可见，输入电源向负载提供能量是断续的，为使负载能得到连续的能量提供，开关稳压电源必须要有一套储能装置，在开关接通时将一部份能量储存起来，在开关断开时，向负载释放。
改变接通时间TON和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比，这种方法称为“时间比率控制”。
1.5 开关电源原理框图见图1所示。
图1 开关电源原理框图
（1）通电瞬间，灯泡闪亮一下后，逐渐熄灭，则电源从输入至整流滤波均正常，故障应在后面电路。否则电源保险或输入滤波电感开路。
（2）若整流滤波电路正常，则检测开关管两端是否有310V电压，若无，则取样电阻RO或变压器初级开路。
（3）若开关管电压正常，则检测开关管驱动电路是否有几伏至十几伏电压，若无则检测启动电阻和驱动电路。
（4）若驱动有电压，开关管正常，则自激绕组有故障或反馈电路有故障。
（5）若灯泡常亮，则开关管击穿（短路）或整流桥击穿（短路）。
（6）若灯泡周期性亮灭，则负载有短路故障，可着重检测负载。
（7）若更换开关管多次击穿，则检测峰值电压消除电路及负载是否有开路故障。
（8）经过上述维修步骤并检测负载电压基本正常后，即可闭合开关K，再次检测时若输出正常，则说明开关电源已修复。
2.影响开关电源可靠性的因素
2.1 环境温度对元器件的影响
环境温度对半导体、电容、电阻等元器件的可靠性均有很大影响。如表1所示，当温度从20℃增加到80℃时，硅三极管（在PD/PR=0.5负荷设计条件下）失效率增加了30倍;电容（在UD/UR=0.65负荷设计条件下）失效率增加了14倍;电阻器（在PD/PR=0.5负荷设计条件下）失效率增加了4倍。
2.2 负载率对元器件的影响
负载率对元器件失效率的影响同样很明显。以电阻器为例，在环境温度为50℃条件下，其PD/PR对电阻器失效率的影响，当PD/PR=0.8时，失效率比PD/PR=0.2时增加了8倍。
同样，在环境温度为50℃条件下，当PD/PR=0.8时，半导体器件失效率比PD/PR=0.2时增加1000倍。因此，在开关电源的设计和使用时，应尽量避免其负载率过大而导致电源故障。
3.开关电源中的具体保护措施探究
3.1 开关电源中的整机保护分析
通过上文对于开关电源的相关分析，结合实际的电源装置的需要进而对报警措施来加以确定，对于开关电源的报警措施主要可以分为光报警以及有声报警两种。光报警能够比较明显的指出故障的部位以及类型，而有声报警则是安装在不容易看到的一些部位，能够指引工作人员进行事后的处理。在电源当中如果加设了保护电路之后就会对整个的系统可靠性有一定的影响，所以就对电路本身的可靠性保护要求较高，从而才能够有效的提高电源系统的可靠性。在对开关电源的保护在逻辑上要比较的严密，电路尽可能的简单化，所用的元件也要对应的要少，对于维修的难度以及电源的损坏程度也要进行详细的考虑。
3.2 开关电源过电流保护措施
根据图2可知，这一电路主要就是通过三极管以及分压电阻构成，当在正常的工作中所经过的R4以及R5起到了分压的作用，这样就会使得三极管基极电位要比发射极电位高出很多，发射极承受反向的电压，当出现了截止状态的时候对于稳压的电路是没有什么影响的，而出现短路状态时候所输出的电压值为零，发射极为接地，出现短路，处于截止状态从而对电流进行切断，达到保护的目的。
图2 过电流保护电路图
3.3 对浪涌电流电路的保护措施
对于开关电源的输入电路基本都是采用的电容滤波型的整流电路，当处在进线的电源合闸的瞬间在电容器上的初始电压基本为零，当对其进行充电的时候就会造成很大的浪涌电流，尤其是功率较大的开关电源所用的电容器，这样就会很容易造成输入熔断器烧断以及合闸开关触点烧损的情况发生，造成整流桥过流损坏，对于开关电源会造成无法工作的后果，对其设置涌浪电流的抑制措施能够有效的防治这一类情况的发生，从而正常的使其工作，最为常用的方法措施有热敏电阻保护法，晶闸管保护法，继电器保护法。
3.4 开关电源过电压保护措施
在开关电源的稳压器过电压的保护有两种，即：过电压保护、输出过电压保护。对于开关稳压器使用的未稳压的电源电压倘若太高就会使得稳压器不能进行正常的工作，还有可能对于内部器件发生损坏，所以对于输入电压保护电路的使用比较的有必要。
4.结束语
在开关电源中，有时由于其可靠性较低的缘故，会对整个设施产生严重的影响，因此，就需要采取相应的保护措施。根据实际的情况的需要，选择合理有效的措施，从而对开关电源的安全起到保险的效果。
参考文献
[1]牛春远.开关电源的电磁兼容性研究[D].广东工业大学，2013.
开关电源范文第5篇
关键词：稳流； 开关电源； 控制系统； PSpice
在实际的应用过程中，很多的电气设备都对电源提出了稳流的要求。而在进行稳流的过程中，传统的稳流电源一般都是通过利用线性电源或者是相控电源来达到目的，存在着效率低、体积大、响应速度跟不上、对电网污染大以及可靠性较差的特点。下面将PWM电源控制器UCC3895对中、大功率全桥移相软开关控制的恒流型开关电源的控制系统进行设计，并利用电子仿真软件——PSpice进行仿真分析。
全桥移相 PWM电源控制器属于一种应用范围极为广泛且能够很好的胜任较高直流电压、较大输出功率，同时还需要将电源与负载完全隔离开来的电源变换器。该种拓扑可以通过利用功率开关的结电容以及变压器的漏感形成谐振，进而实现零电压开关的目的。整个过程中不需要附加其他的设备，不会增加电路的设计成本，而且能够保证其具有较大的开关范围。同时，由于传统稳流电源一般都采用单环反馈的方式进行控制，在提高开关电源性能指标方面具有一定的局限性。因此，在这里采用双闭环控制的方式，不但建立起开关电源的小信号模型，而且还给整个反馈环电路设计一个有效的补偿网络，选用UCC3895作为主控制芯片，最终实现双闭环稳流型开关电源控制系统。
1 稳流型开关电源的基本原理
采用的双闭环稳流型开关电源的系统整体示意图如下图1所示。其中，三相交流输入在通过不可控整流桥、全桥逆变，高频降压以及二次全波整流和滤波之后，得到了应用过程中需要的直流输出。同时，该系统当中采用了频率为20KHz 的整流器。其中的MOSFET能很好的适应高频、中小功率的应用场合，而且主电路都采用了IGBT作为主功率开关。该系统当中的副边输出整流结构没有采用传统的全桥整流，而是采用全波整流，这能很好的适应低压大电流的情况。
该双闭环控制电路的设计思想是：将电流反馈环作为电路的外环，而将电压反馈环作为电路的内环，之后利用之将输出电流转化成为电压 ，再将放大器正相端的电流基准与反相端进行对比，将两者的输出送至UCC3895的运算放大器中，将之作为控制器正相端的基准电压，再次与反向端的输出电压获得的采样信号电压 进行对比，将输出的信号送到芯片内部的比较器，将之与三角波进行对比，最终得到以方波形式表现的占空比变化，实现对全桥变换器的控制。
2 全桥移项PWM DC/DC 变换器闭环小信号系统模型
为了有效的避免主电路给控制电路信号带来的干扰，应该将主电路与控制电路进行电气隔离，同时满足控制精度的相关要求。在应用中、大型移相全桥DC／DC电源变换器的电路当中，应该采用霍尔电流传感器，将之直接串接在逆变主变压器的原边、输出滤波负载支路以及直流输入母线的返回端的支路上。但是对于那些对于电源的稳流特性高的恒定电源而言，电流传感器最好设置在负载支路上，这样可以有效的提高当负载扰动存在时依然可以实现较灵敏的响应速度。而在进行电流采样时，当设置在负载支路之上时，电流源型移相全桥DC／DC变换器小信号闭环系统的结构示意图如下图2所示。
3 稳流源控制系统设计
3.1 电流源型闭环小信号控制系统调节元件参数设计
由于电流源型闭环小信号控制系统属于二阶系统，并且其输出的滤波参数LC一般较大，其频率参数 则较低。这时，系统在频率中段以-40 dB/dec的斜率穿过零分贝线。假若采用的是PI调节元件，那么可以通过减少稳态误差来实现；若想增加系统的响应速度和灵敏度，则可以增加比例系数来实现。但是，这样将使得系统不够稳定，导致系统的控制能力下降。为了确保系统达到性能基本稳定、动态性能达到要求的目的，在保证控制系统幅频特性的基础上，利用PID调节元件来实现这些要求。这里假设PID调节元件的传递函数是：
其中： 、 、 分别表示比例系、积分校正以及微分校正中用到的时间常数。
中包含有两个零点需要确定，根据开环的波德图，其中的一个零点应该设置在滤波过程中的谐振角频率处，此时 ；而另外一个零点应该设置在上一个零点的1/3角频率处，也就是 处。此时， ，而
而比例系数K则可以根据波德图进行对应的调整，确保系统在稳定的情况下尽量增加其整体相应速度。
3.2 稳流电源控制电路设计
UCC3895属于一种全桥移相的PWM电源开关控制器件，其功能较为完善，能够自适应死区的功能和软启动/关断的基本能力，能够较好的实现对全桥主电路的软开关工作控制。此处将该芯片作为稳流电源的控制器，包括对时钟和锯齿波的形成、电气隔离、电压电流采样等控制子模块，对输出电流进行采样反馈之后形成闭环电流。同时，在对输出电压及其母线电流进行采样之后，可以完全实现对过流、过压现象的保护，其控制电路图如下图3所示。
在图3中，自适应死区的延时功能将和ADS、CS以及DELAB、DELCD等信号针脚的设置相关，其处于最大延时模式时， 为开路，这时， ，而ADS针脚的电压为 ，两桥臂的极限死区时间分别为： ， 。
在图3中， 表示负载电流检测电路的输出电压，而 、 分别表示输出电压和母线电流在采用隔离电路后的电压和电流，这样可以满足工业现场对于电流源的输出特性的要求，且实现对过流与过压的保护作用。
4 稳流型开关电源控制系统仿真
这里采用PSpice电子仿真软件对上述设计的控制系统进行仿真。仿真过程中将扰动模拟为：t=2.5ms时输出电压从500V下降至400 V，而当t=4ms时，系统的负载电阻R从40 Ω下降到20Ω，其具体的仿真结果如下图4所示。其中，曲线1和2分别表示调节器的输出电压值以及输出滤波的电感电流的波形图；而曲线3和4则表示 以及输出电流 的波形。
通过仿真结果的分析，以小信号模型为基础设计的控制器能够在电源电压扰动较大以及电源自身启动扰动的情况下稳定的工作。当负载突然变化时，系统可能出现不稳定的情况，导致调节元件出现输出极值的问题。但是，依然可以通过利用PWM控制器对电路的固有限幅特性进行调节，能够使得系统从非线性控制状态进入到线性的控制状态，基本实现对电源的技术要求。
5 结束语
开关电源广泛应用于工业自动化控制、电力电子设备及其它多个领域。随着电力电子技术的高速发展，其发展也将趋向于高频、高可靠、低功耗、抗干扰和模块化。本文浅谈了稳流型开关电源的控制系统，对其电路组成以及数学模型进行了分析和研究，虽然稳流型开关电源应用相对没有稳压型开关电源广泛，但伴随着更多领域中的需求，其作用也是不容忽视的，其优点也将更广泛地得到认识与应用。
参考文献
[1] 蔡子亮，方波. 稳流型开关电源控制系统研究. 电力自动化设备，2007（8）：69-72.
[2] 张冬梅，杨苹，刘军，等. 基于UC3875的双闭环控制稳流型开关电源. 微计算机技术，2009，25(7-1)：127-129.
开关电源范文第6篇
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.
[3] 户川治郎.实用电源电路设计[M].北京：科学出版社，2005.
[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.
开关电源范文第7篇
1 前言
开关电源以其供电效率高，稳压范围大，体积小被越来越多的电子电器设备所采用，在大屏幕电视机、监视器、计算机等电器的待机或备用（stand-by）状态会继续耗电，为此，Philips公司采用BiCOMS工艺开发出了被之为Green Chip TM(绿色芯片)的高压开关电源控制芯片。该类集成芯片（IC）的稳压范围为90～276V(AC)，能将开关电源待机功耗降至2W以下，其本身的待机损耗小于100mW，并具有快速和高效的片内启动电流源；在负载功率较低时，它还能自动转换到低频工作模式，从而降低了开关电源的损耗。高水平的集成技术使IC的外围元件大大减少，以实现开关电源的小型化、高效率和高可靠性。本文介绍的TEA1504是Green Chip TM系列IC中的重要成员之一。
图1 TEA1504的内部原理框图
2 TEA1504的工作原理
TEA1504采用14脚双列直插式(DIP14)塑料封装，它的引脚功能如表1所列，内部原理框图如图1所示。该IC内部集模拟电路和数字电路于一体。它除含有误差放大器、振荡器、脉宽调器（PWM）、锯齿波发生器等一般开关电源控制IC的单元电路外，还集成了高压启动电流源、独特的开、关功能电路和猝发待机（burst mode stand-by）电路。TEA1504具有三种工作模式，即：正常开/关工作模式、猝发待机模式和轻负载功率低频模式。通过灵活设置工作模式可大大提高开关电源的工作效率。
表1 TEA1504引脚功能
符 号引 脚功 能
Vi1高压启动电流源输入DRIVER4驱动信号输出，接功能MOSFET管的栅极Isense5电流取样输入，连接到电流取样电阻Vaux6IC电源端，连接到辅助电源滤波电容DS7IC内部驱动电路电源，可与6端共用电源REF8参考输入，连接到参考电阻，于设置内部参考电流CTRL9振荡周期和脉冲占空比控制GND11地DEM13消磁信号输入端OOB14猝发待机模式，开/关工作模式控制信号输入端n.c.其它未连2.1 内部启动电流源和电源Vaux管理
TEA1504内部设计有先进的启动电流源，因而无需外加高耗能的连续充电电路。启动电流源由外部主电压从Vi端（pin1）输入，可为IC的电源电容Caux提供充电电流，同时也为IC的内部控制电路提供工作电流。当Vaux端的电源电容被充电到11V时，振荡器开始起振，IC输出脉宽调制信号（PWM）来驱动功率MOSFET管，从而使开关变压器的次级随之输出直流电压Vo。Caux上的电压在启动时有一次充放电的过程，启动时由启动电流源对Caux充电。当Caux上的电压上升到11V时，电路将产生振荡并输出PWM波。同时Caux上的电压开始下降，当该电压下降到下限门限值8.05V时（UVLO）,开关变压器输出电压，从而使Caux被辅助绕组重新充电到11V。TEA1504的正常启动波形如图2（a）所示。
另外，启动电流源还能帮助实现系统故障状态下的安全再启动或“打嗝”工作模式。一般在故障状态下，IC将停止正常工作模式。因为当IC检测到输出故障状态时，会立即封锁驱动脉冲输出，而使Caux无法得到补充充电，从而使其电压随之下降，一旦Caux上的下降到电压下限锁定值，启动电流源将重新被激活，并将Caux充电到11V，系统又开始进入安全再起动模式，如此往复循环。而在“打嗝”工作模式（其工作波形如图2（b）所示），为了达到安全的“打嗝”工作模式，在安全再启动模式下，Caux的充电电流Irestart应为0.53mA，而正常工作模式下的充电电流Istart为1mA，因而可确保在输出短路情况下系统元件不致损坏。IC内带温度补偿的2.5V基准电压在经REF脚（pin8）外接参考电阻RREF后可产生一个不受温度影响的偏置电流IREF，但应注意：RREF的取值会影响到振荡频率。
图2 TEA1504典型波形
2.2 脉宽调制器（PWM）与振荡器
TEA1504使用独特的电压反馈结构。它的初级电压反馈信号通过RDEM从DEM端（pin13）输入，采样与保持电路通过流入DEM端的采样电流来工作，采样电流的大小与RDEM上的电压有关。次级采样电流的大小被储存在CTRL脚的外接电容CCTRL上，并由它给PWM调制器设定驱动脉冲的占空比。在次级反馈电路中，反馈电压一般通过光耦合器提供。
PWM单元由一个反相误差放大器和比较器组成，它输出的PWM波的占空比与CTR端（pin9）的控制电压成反比。来自振荡器的信号通过触发器送到功率MOSFET的驱动级可使MOSFET管开通，而来自脉宽调制器的信号或占空比限制电路信号，则可使MOSFET关断。当PWM输出波形不稳时，触发器将停止输出PWM波形。PWM波形的最大占空比为80%。
在脉宽调制电路中，将振荡器输出的锯齿波电压与误差放大器的输出进行比较，可调整PWM波形的占空比。振荡器被全部集成在IC内，通过内部电容的充、放电产生锯齿波，锯齿波的斜坡段占整个振荡周期的80％，所以IC输出波形的最大占空比为80％。改变外部参考电阻RREF的电阻值（RREF可在16.9kΩ～33.2kΩ之间选择）可使振荡频率在50～100kHz之间改变。IC内部有一个频率控制单元，它能根据输出负载的轻重自动使振荡器工作于低频或高频状态。当开关电源的输出功率小于最大输出功率的1/9时，TEA1504将转换到低频工作模式，低频与高频工作模式的频率比为1:2.5。低频工作可减小开关电源的开关损耗，而且在转换时不会影响到输出电压的调节。
TEA1504输出的驱动脉冲正向电流可达120mA，反向脉冲电流可达550mA。它允许快速开通和关断功率MOSFET管。选择较低的正向脉冲，是为了限制MOSFET管开通时的dV/dt(电压上升率)，以降低电路的电磁干扰（EMI），同时减少通过电阻Rsense的电流峰值。
2.3 TEA1504的保护功能
TEA1504的保护功能主要有过电流保护（OCP）、过电压保护（OVP）、140℃超温保护和磁饱和保护等。其中磁饱和保护是为了确保能提供间断性的电源输出、简化反馈控制电路的设计以及提供较快的暂态响应，从而防止变压器和电感元件在启动时出现磁饱和或储能元件在释放能量时承受的应力过大。另外，当开关电源的输出处在短路状态时，磁饱和保护还能对开关电源提供逐周电流保护。
图3 开/关模式下的次级反馈式开关电源
3 TEA1504的应用电路
由TEA1504构成的开关电源的主要组成部分有EMI滤波器、全桥整流器、滤波电容、开关变压器、功率MOSFET管及缓冲电路等。取样电阻将初级电流转变为电压加到ISENSE端（pin5）后，IC将根据该电压来设置开关电流的峰值电流。辅助线圈用于给Caux提供能量，从而提供给IC的内部电源，该线圈也是初级输出电压调节电路的一部分。电阻RREF可决定进入REF(pin8)的参考电流。电容CCTRL的取值很小，一般为0.2～2nF，通常接到CTRL端（pin9），因此可通过内部的采样保持电路来调节初级反馈，同时这一端也是次级光电耦合器的信号输入端。输入端OOB(pin14)可选择开/关模式或猝发待机模式。主输入电源连接到Vi(pin1)，可作为IC内部启动时的电流源，同时在启动和安全再启动模式下给电容Caux充电。
图3是一种采用开/关模式的反馈式开关电源。图中，开关S1的一端连接到OOB端（pin14），另一端连接到地或2.5V电压上。如果VOOB为低电平，则IC进入关断模式，VI脚消耗电流的典型值为350μA；如果VOOB为2.5V，则IC将安启动时序开始正常工作，此时Ivi=60μA。
图4是另一种使用3只电阻的开关模式开关电源，假定R3的阻值很高，那么，在IC启动时，如果VOOB=2.5V且R1>>R2,那么，由VOOB=VmainsR2/（R1+R2）可以得出：Vmains=VOOBR1/R2,这就确保了只有当主电压高于某一值（例如Vmains=80V）时，开关电源才能进行工作模式，从而使得流过R1的电流降低。IC的OOB脚（pin14）也可用于猝发待机模式。在IC待机状态下，开关电源进入一种特殊的低功耗状态，其功耗低于2W。实际上，图4也是一种利用猝发式待机和开/关模式的反馈式开关电源。图中，当微处理器（μP）将次级的开关S2、S3闭合时，系统进入猝发待机状态，开关S2将次级绕组连接到微处理器电容（Cμc）可旁路掉输出电容C0。当Cμc上的电压高于稳压管(Vz)的击穿电压时，光耦合器被触发并将反馈信号送到OOB端，以使IC停止工作而进入“打嗝”模式。系统故障状态下的“打嗝”模式与猝发模式工作期间的“打嗝方式是不同的。系统故障时，在安全再启动状态下的输出功率非常小，而猝发模式还需输出足够的功率提供给微处理器。为防止变压器发出噪声，变压器的峰值电流应减小3.3倍，也就是说，在μP打开开关S2和S3之前，猝发式待机模式一直持续。S2和S3一旦打开，系统则进入起动时序并开始正常的开关。
图4 猝发待机模式下的次级反馈式开关电源
4 主要电气性能
开关电源范文第8篇
关键词：COOLMOS；PWM;开关电源；功率器件
1主要特点
InfineonTechnologies公司的ICE2A165／265／365系列芯片是新型COOLMOS器件，该器件是PWM控制器和MOSFET开关管组合为一体的功率器件，它的主要特点如下：
FET耐压为650V，导通电阻低；
无需散热器即可输出较大的功率；
具有过、欠压保护、过热保护、过流保护和自恢复功能；
待机状态及空载时能自动降低工作频率，从而降低损耗；
最低工作频率为21．5kHz，可以避免可闻噪声；
电路结构简单，所需外部电路元件少，可大大减少开关电源的体积和重量，提高系统的可靠性。
由于ICE2A165／265／365系列芯片具有以上诸多特点，因而可广泛用于中、低功率的开关稳压电源中。使用该芯片不仅电路组成简单，而且可靠性很高，所以在中、低功率电子设备中有着广泛的应用前景。
2引脚功能
ICE2A165／265／365采用双列直插式结构，其封装形式为DIP－8，现将各管脚功能说明如下：
1脚：软启动设置端，设计者可通过改变电路参数自行设置所需的软启动时间。
2脚：反馈信号输入端，在启动瞬间，通过输出取样电路可控制光耦的输出电流，从而改变反馈信号的大小，进而控制PWM控制器的输出占空比。该器件的最大输出占空比为0．72。
3脚：MOSFET工作电流检测端，该器件可对输出电流的大小进行实时监测，以便在输出电流过大时切断PWM信号的输出，从而实现过流保护。
4、5脚：为MOSFET的漏极。
6脚：空脚。
7脚：内部PWM控制器供电电源端，输入电压范围为＋8．5～＋21V。
8脚：电源地。
345W／15V开关电源的设计
采用COOLMOSICE2A165／265／365组成的开关电源的原理电路如图1所示。该电路的设计要求是：
输入电压：AC85V～AC265V50Hz；
输出电压：＋8V～＋15V；
输出电流：3．0A。
下面根据设计要求，给出图1所示电路的主要元件的设计方法。
3．1电流检测电阻的选择
根据设计要求，如选择ICE2A365为核心控制器件，可通过将COOLMOS器件设定在输出功率的上限，然后通过取样电阻R7设定电流的最大值。由于R7接在MOSFET的源极，因而可检测MOSFET的工作电流。由于要求R7Idpeak≤1V，因此，在Idpeak为3．0A时，R7可选在0．33Ω以下。
3．2脉冲变压器的设计要求
脉冲变压器的初级电感（即励磁电感）Lm中的电流与电压的关系近似为：
Im＝U0τ／Lm
式中：U0为初级电感两端的电压；τ为开关脉冲宽度。
图1
由上式可知，脉冲变压器的初级电感值要适当，一般在400μH到600μH之间比较合适。输出功率较大时可取低一些；反之则应取高点。在反激式电路中，磁芯应加气隙，以调整脉冲变压器的初级电感，同时应注意变压器的绕组排列，以尽量减少漏感，避免造成对MOSFET过大的应力。
3．3次级电路的设计
次级电路主要是选择整流管和滤波电容。整流管应根据输出电流和电压来选择，一般在低输出电压情况下，可采用肖特基二极管，而输出电压较高时，则需要采用快恢复二极管。当开关频率较高时，应采用超快恢复二极管作整流管，以减小其反向电流对初级的影响。
滤波电容E4的容量应满足输出电压纹波的要求，L6及E5应能有效滤除开关所产生的噪声。
3．4反馈调整电路的设计
反馈调整电路由光耦和可调三端稳压器TL431组成。在启动瞬间，通过输出取样电路可以控制光耦的输出电流，从而改变反馈信号的大小，同时控制PWM控制器的输出占空比，以确保电源在低电网电压和满载启动时达到规定的调整值。用C10、R14组成滞后补偿网络时，其时间常数τ应为1～3ms，若C1选为0．1μF，那么，R14应选择在10～30kΩ。
4设计注意事项
用ICE2A165／265／365设计开关电源时，最主要的问题是不易起振。所以在设计过程中必须注意以下问题：
（1）输出端必须加假负载。因为输出端在空载时，电路不易起振，而当流经假负载的电流超过15mA时，则比较容易启动。
（2）内部PWM控制器的供电电压不能超过16．5V，若超过，则会因易受保护而难以起振。