开关电源原理设计
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开关电源原理设计范文第1篇
关键字： 开关电源； 模糊PID控制； DSP； 电源控制算法
中图分类号： TN79?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）21?0149?03
Design and control algorithm of switching power supply with DSP digital control
ZHANG Guo?long， ZHENG Chen?yao
（Detachment 93， Unit 91388 of PLA， Zhanjiang 524022， China）
Abstract： A technology of DSP digital processing combined with fuzzy PID control is proposed in this paper， and ?an intelligent switching power with fast response and high efficiency was designed to make the switching power supply be small， intelligent， etc. Through the cooperation of the external EMI filtering circuit， optical isolation and protection circuit， the power grid pollution caused by switching power supply was solved， this switching power supply which may be damaged by temperature and other uncertain factors was protected. This control algorithm of switching power supply is advanced， its design is reasonable and it has strong reference value for engineering application.
Keywords： switching power supply； fuzzy PID control； DSP； power supply control algorithm
近年来，随着电力电子技术高速发展，开关电源得到广泛应用，普通模拟开关电源逐渐显示出其不足之处：采用模拟器件会导致元器件比较多，分散性大，稳定性差；设计缺乏灵活性，不便于修改，调试不方便，控制不灵活，无法实现复杂的控制算法。为设计出更精确、响应速度更快、效率更高、体积更小的开关电源，开关电源设计人员采用数字化电路与开关电源相结合来设计数字化开关电源。以DSP系统为基础的开关电源电路简单，结构紧凑，性能卓越，功能齐全。DSP系统具有较高的计算与控制能力，利用DSP进行A/D转换后进行运算，可以有效抑制或消除各个功能模块间相互干扰，提高开关电源输出电压的稳定性和精度。本文将重点分析和讨论利用DSP系统设计开关电源的实现方法和控制算法。
1 基于DSP控制的实现方法
DSP系统已广泛应用于开关电源控制电路，是开关电源的控制核心电路，可以有效利用DSP系统的高速性、可编程性、可靠性等特点，结合相应算法实现特定功能，可为开关电源输出质量好、频率和幅值可以任意改变的控制信号。图1为采用DSP系统的控制电路开关变频电源基本控制硬件框图。
图1 开关变频电源基本控制硬件框图
开关电源采用高频SPWM技术和普通电压逆变电路，DSP系统与IGBT功率模块构成全数字控制电路。输出的电压和电感电流经过网络转换成DSP所需要的电平，连接至DSP的A/D单元进行模数变换；控制输入单元输入需要的电压值及频率值，从而得到逆变电路的基准电压。
DSP系统经过特点算法进行相关计算后会产生一定死区的控制信号。由于输出的数字PWM控制信号不足以驱动IGBT开关管，需要经过驱动电路对开关管进行驱动。DSP芯片具有较高的采样速度和运算速度，可以快速地进行各种复杂的运算对电源进行控制，可以实现较高的动态性能和稳压精度。为了有效保护开关电源器件，防止出现过压、欠压、过载等情况，系统专门设计了保护电路，一旦出现故障，DSP控制系统封锁PWM脉冲控制信号，切断开关电源电压输出。
2 开关电源基本控制算法
2.1 PID控制
开关电源的数字化控制需要进行一定的控制算法来产生控制信号，实现控制规律。数字开关电源控制最初是借鉴模拟控制原理，通过数字化实现模拟控制信号。PID算法在数字控制中应用比较广泛，它具有原理简单、易于实现、适用面广、控制参数相互独立、参数的选定比较简单等优点。
PID控制是应用最广泛的控制规律。图2为常规PID控制原理图，系统由PID控制器与被控对象组成。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值[r（t）]与实际输出值[y（t）]构成的控制偏差[e（t）]来计算：
[e（t）=r（t）-y（t）] （1）
将偏差的比例[P、]积分[I]和微分[D]通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。其控制规律为：
[u（t）=KPe（t）+1TI0te（t）+TDde（t）dt] （2）
或写成传递函数的形式：
[G（s）=U（s）E（s）=KP1+1TIS+TDS] （3）
式中：[Kp]为比例系数；[TI]为积分时间常数；[TD]为微分时间常数。
图2 PID控制框图
数字PID控制是一种采样控制，它只能根据采用时刻的偏差值计算控制量。因此，连续域PID控制算法不能直接使用，需要采用离散化方法。数字PID控制算法又分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法，还有一些微分先行法和带死区的PID控制算法等。
2.2 模糊PID控制算法
目前，开关电源的各种应用场合对电源的动态性能提出了越来越高的要求，其中电压超调与恢复时间是重要指标。负载的变化或者输入电压的变化引起输出电压变化，而输出电压值取决于滤波器和控制策略。由于开关变换器为一个时变、非线性系统，无法建立精确的数字模型。而模糊PID控制算法的优点在于不需要建立准确的变换器数字模型，非常适合DC?DC变换器的强非线性。自适应的模糊控制可以保证控制系统的信号稳定性。
模糊控制器是以误差量化因子[e]和误差变化率量化因子[ec]作为输入，利用模糊控制规律自整定找出PID控制器三参数[KP，][KI，][KD]与和之间的模糊关系。模糊PID控制原理框图如图3所示。
图3 模糊控制原理框图
取[e]和[ec]为输入语言变量，每个语言变量取“大、中、小”三个词汇来描述输入输出变量的状态。模糊推理的模糊规则一般形式为：
If [e=Ai]and [ec=Bj]then[Δu=Ci]
其中[Ai，][Bj，][Ci]为其理论上的语言值。
上述规则可以用一个模糊关系矩阵来描述：
[R=i，jAi×Bj×Ci]
根据各模糊子集的隶属度幅值表和各参数模糊控制规则，应用模糊合成推理设计PID参数的模糊矩阵得到[KP，][KI，][KD]参数调整算式如下：
[KP=K′P+ei，ecj×KuP]
[KI=K′I+ei，ecj×KuI] （4）
[KD=K′D+ei，ecj×KuD]
式中：[KP，][KI，][KD]是PID控制参数，[{e，ec}]是误差[e]和误差变化率[ec]对应控制表中的值，它需要查控制表得到。[KuP，][KuI，][KuD]作为修正系统，在控制过程中，控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理、查表和运算，完成PID参数的在线自校正。
3 系统硬件及关键点设计
3.1 硬件主体
本文设计的开关电源主要是将开关电源优良特性和DSP系统精细化控制相结合。开关电源采用反激式拓扑结构，包括EMI滤波电路、整流/直流平波电路、控制器、信号采样、PWM驱动、键盘及显示部件组成，力求使开关电源具有高效低耗、便携化、负载输出稳定、电路保护可靠、电网宽电压输入、电网污染小等特点。图4为硬件系统主体设计示意图。
图4 系统主体设计示意图
3.2 输出电压检测隔离设计
开关电源输出电压检测过程中对控制电路的隔离保护是非常必要的，这样不仅可以实现控制电路的安全工作，而且避免了将输出电路的噪声引入控制电路中。电压检测电路与控制电路隔离保护采用光耦合器进行隔离，它由发光二极管LED、输出光电二极管PD组成。光耦合器在开关电源的主振回路与输出采样之间进行电气隔离，并为电源稳压控制电路提供信号通路。
3.3 EMI滤波器设计
开关电源在正常工作时会产生传导噪声和辐射噪声，毫无疑问噪声主要产生于电源开关过程。开关过程中包含了最大的功率以及最大的电压变化率dV/dt，同时也包括了最高频率成分。噪声的存在将污染电力线路，影响周围精密电子仪器的运行，比如设计滤波器。EMI滤波器是一种由电感、电容组成的低通滤波器，它允许直流或者工频信号通过，对频率较高的其他信号有较大的衰减作用。图5为EMI滤波模型，滤波器的基本结构就是一个分离的二阶LC滤波器，其取值原则就是在最小的体积下可以获得期望的抑制效果。在滤波器模型中还有一个额外的高频LC滤波器；高频滤波器当寄生参数使得前面的LC滤波器性能变差时，用来抑制这些高频噪声。
图5 EMI滤波器模型
3.4 高温保护电路
开关电源在设计中由于转换效率不同，将部分能量以热量辐射。温度升高将影响系统正常工作甚至产生人身危险，为了保证系统安全，开关电源工作时温度需要实时监控。图6为温度采集电路部分电路图。当系统检测到温度过高时，控制模块立即关断开关电源输出，待系统温度达到工作温度范围后开始继续工作。
图6 温度采集电路
4 开关电源性能分析
本文采用反激式开关电源和模糊PID控制算法进行仿真。反激式开关电源的等效模型传递函数为：
[U（S）d（s）=K1s+K2B1s2+B2s+B3] （5）
式中：[K1，][K2，][B1，][B2，][B3]为系统比例系数，由开关电源电器元件参数决定。
模糊PID控制器由系统误差[e]和误差变化率[ec]为输入，通过不同时刻的[e]和[ec]值，利用模糊控制规则在线对PID控制器参数[KP，][KI，][KD]参数进行修改。模糊PID控制系统组成如图7，图8所示，阶跃响应曲线如图9所示。
图7 模糊控制PID控制系统组成
图8 误差[e]和误差变化率[ec]的隶属函数
本设计开关电源把DSP完美融入到开关电源设计中，充分利用了DSP系统快速运算能力，采用模糊控制算法使开关电源控制智能化，电源快速达到稳定输出，提高了抗负载扰动能力。
图9 系统阶跃响应
5 结 论
本系统将DSP作为开关电源控制单元，应用模糊PID控制算法，使开关电源和DSP系统完美配合工作。利用了DSP快速处理能力特点产生开关电源PWM控制信号，对开关电源输出进行精确控制，提高了开关电源输出精度和转换效率，使开关电源控制实现智能化；能够按照负载情况进行实时修正，使电源达到快速稳定输出；同时利用DSP资源设计完成开关电源显控单元及保护模块，提高了开关电源操作性和安全性。
参考文献
[1] LENK R.实用开关电源设计[M].北京：人民邮电出版社，2006.
[2] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，1998.
[3] 赵同贺，刘军.开关电源设计技术与应用实例[M].北京：人民邮电出版社，2007.
[4] 许邦建，唐涛.DSP处理器算法概论[M].北京：国防工业出版社，2012.
开关电源原理设计范文第2篇
关键词：继电保护；开关电源；电源故障；改进后的电源
中图分类号：TG434.1 文献标识码：A
引言
近年来，停电事故的后果日益严重，大型停电事故主要是由连锁故障引起的。如1996年7月美国西部电网(wscc)和1998年6月美国中部大陆电网(MAPP)解列事故，2003年8月美、加大停电事故、2003年的英国伦敦大停电等。而造成这些大规模停电事故的罪魁祸首正是继电保护系统的隐性故障降引，有资料表明世界上大约有75％的大的停电事故都和保护系统的不正确运作有关，继电保护的隐性故障已经成为电力灾难性的一种机理。
1 继电保护隐性故障
继电保护隐性故障是指系统正常运行时对系统没有影响的故障，而当系统某些部分发生变化时，这种故障就会被触发，从而导致大面积故障的发生。隐性故障在系统正常运行时是无法发现的，但是一旦有故障发生，继电器正确切除故障后，电力系统潮流重新分配，在这样的运行状态下就可能会使带有隐性故障的保护系统误动作。从而有可能造成连锁故障，扩大事故范围。
2 开关电源工作原理
用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变为另一形态，用闭环控制稳定输出，并有保护环节的模块，叫做开关电源。
高压交流电进入电源，首先经滤波器滤波，再经全桥整流电路，将高压交流电整流为高压直流电；然后由开关电路将高压直流电调制为高压脉动直流；随后把得到的脉动直流电，送到高频开关变压器进行降压，最后经低压滤波电路进行整流和滤波就得到了适合装置使用的低压直流电。
电源工作原理框图如图1所示。
3 故障现象分析
由于继电保护用开关电源功能要求较多，需考虑时序、保护等因素，因此开关电源设计中的故障风险较高。另外供电保护装置又较民用电器工作条件苛刻，影响继电保护开关电源的安全运行。本文着重分析了两种因设计缺陷而造成故障的开关电源。
3.1 输入电源波动，开关电源停止工作
3.1.1 故障现象：外部输入电源瞬时性故障，随后输入电压恢复正常，开关电源停止工作一直无输出电压，需手动断电、上电才能恢复。
3.1.2 故障再现：用继电保护试验仪，控制输入电压中断时间，通过便携式波形记录仪记录输入电压和输出电压的变化。控制输入电压中断时间长短，发现输出存在如下三种情况：
a)输入电源中断一段时间(约100～200ms)后恢复，此后输入电压恢复正常，开关电源不能恢复工作。(此过程为故障情况)，具体时序图见图2所示。
b)输入电压长时中断(大于250ms)后恢复，+5V、+24V输出电压均消失，此过程与开关电源的正常启动过程相同。具体时序图见图3所示。
c)输入电压短暂中断(小于70ms)后恢复，+5V输出电压未消失，而+24V输出电压也未消失，对开关电源正常工作没有影响。具体时序图见图4所示。输入电压消失时间短暂，由于输出电压未出现欠压过程，电源欠压保护也不会动作。
3.1.3 故障分析：要分析此故障，应先了解该开关电源的正常启动逻辑和输出电压保护逻辑。输入工作电压，输出电压+5V主回路建立，然后由于输出电压时序要求，经延时约50ms，+24V输出电压建立。
输出电压欠压保护逻辑为：当输出电压任何一路降到20％乩以下时，欠压保护动作，且不能自恢复。
更改逻辑前，因输入电压快速通断而引起的电源欠压保护误动作，其根本原因是延时电路没有依据输入电压的变化及时复位，使得上电时的假欠压信号得不到屏蔽，从而产生误动作，如图2所示。
3.1.4 解决措施：采取的措施是在保护环节上增加输入电压检测电路，并在延时电容上并接一个电子开关，只要输入电压低于定值(开关电源停止工作前的值)，该电子开关便闭合，延时电路复位，若输入电压重新上升至该设定值，给保护电路供电的延时电路重新开始延时，电源重启动时的假欠压信号被屏蔽，彻底解决了由于输入电压快速波动所产生的电源误保护。从而避免了图2的情况，直接快速进入重新上电逻辑，此时的输出电压建立过程见图3所示。逻辑回路见图5所示。
3.1.5 试验验证：用继电保护试验仪状态序列模拟输入电源中断，用便携式波形记录仪记录输出电压随输入电压的变化波形。调整输入电压中断时间，发现调整后的电源仅出现b)、c)两种情况，不再出现a)即故障情况。
3.2 启动电流过大，导致供电电源过载告警
3.2.1 故障现象：电源模块稳态工作电压为220V，额定功率为20.8W，额定输出时输入电流约为130mA。当开关电源输入电压缓慢增大时，导致输入电流激增，引起供电电源过载告警。
3.2.2 故障分析：经查发现输入电压为60V时，电源启动，此时启动瞬态电流约为200mA，稳态电流为600mA，启动时稳态电流和瞬态电流将为600士200mA，造成输出电流激增。而由于条件限制，此电源模块的供电电源输出仅为500mA，因此造成供电电源过载。
由于开关电源工作需要一定的功率，设计中由于未考虑到电源启动时，输出回路的启动需要一定的功率，而启动电压比较低，所以功率的突增，必然带来开关电源启动瞬态电流的激增，电流的激增对供电电源有较大的冲击。
3.2.3 解决措施：启动需要的功率一定，如果要减小启动电流，可以考虑增加启动电压的门槛。将开关电源的启动电压提高到130～140V。
3.2.4 试验验证：调整开关电源的启动电压后，通过试验仪模拟输入电压缓慢启动。当开关电源在满载情况下，试验中缓慢上升输入电压(上升速率5V／s或10v／s)，从0～130V启动，启动时稳态电流降低到200～220mA，稳态电流大约为200士l00mA，因而启动时稳态电流和瞬态电流将为400士loon迭，启动电流较改进前减小300nA，不会对供电电源造成太大的冲击。可有效避免输入电压瞬间降低时，给整个供电回路造成较大的电流冲击。
结束语
从以上问题分析可知，开关电源设计时，需要关注电能变换的各个环节，开关电源的输出电压建立和消失时序和电源的保护功能，是紧密联系的，当其中的某一环节存在缺陷时，开关电源就不能正常工作。因此在开关电源设计前，应重点进行两种工作：
考虑诸如此类的问题，如启动功率一定时，启动电压门槛过低，会产生输出电流瞬态突增的现象。
在设计后尽可能依据继电保护用开关电源行标，经专业测试部门验证。从而设计出稳定可靠的开关电源。
参考文献
[1]沈晓凡，舒治淮，刘军，等．2007年国家电网公司继电保护装置运行情况[J]．电网技术，2008，32(16).
开关电源原理设计范文第3篇
随着电子技术的飞速发展以及国家出台的节能降耗政策，与电子设备密不可分的开关电源技术在人们生活、工作中的得到越来越广泛的应用，任何的电子设备离不开可靠的电源，相应地它们对电源的要求越来越高。为了开关电源的快速发展也为促进我国的国民经济进一步发展做出贡献必须坚持走技术创新之路，坚持可持续发展观，将节能减排与技术发展紧密结合。
1、高频化
理论分析以及实践经验表明， 当我们把供电频率提高的时候，用电设备的体积重量以其供电频率的平方根成反比地减小。这正是开关电源新技术得以实现功率变频而带来明显效益的根本原因。以此方法应用到电镀、电解、电加工、充电、浮充电、合闸用等各种直流电源类整机加以类似地改造，其主要材料可以节约90%甚至更高， 还可以做到省电30%及以上。技术升级带来物质材料的减少，从而降低了成本，提高了市场竞争力，也节约了各种物资。这些经济效益的反应体现了技术含量的价值。如果单纯地追求高频化，开关电源的噪声也会随之而增大。采用部分谐振转换回路技术，原理上在提高频率的同时又可以降低噪声。所以，开关电源的又一发展方向是尽可能地降低噪声影响。
2、数字化
传统的开关电源技术中，是靠模拟式信号控制来设计和工作的。几十年前，开关电源技术完全是建立在模拟电路的基础之上的。但是数字信号处理技术日臻完善成熟，越来越多的优点被显示出来：便于计算机处理和控制，可以使模拟信号传递的真实可靠，提高其抗干扰的能力，便于软件包调试和遥感、遥测、遥调，也便于其它技术的植入。目前，在整个的电子模拟电路系统中，网络、电视、通讯、音响设备、照片处理等都逐步实现了数字化，而最后一个没有数字化的领域就是电源。近年来，数字电源的研究势头旺盛，成果也越来越多。开关电源的发展离不开数字化。
3、模块化
模块化指功率器件的模块化以及电源单元的模块化。生活中常见的器件模块，含有一单元、两单元、六单元直至七单元，包括开关器件和与之反并联的续流二极管，实质上都属于“标准”功率模块（SPM）。近年，有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去，构成了“智能化”功率模块（IPM），不但缩小了整机的体积，更方便了整机的设计制造。实际上，由于频率的不断提高，致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重，对器件造成更大的电应力（表现为过电压、过电流、毛刺）。为了提高系统的可靠性，有些制造商开发了“用户专用”功率模块（ASPM），它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中，使元器件之间不再有传统的引线连接，这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计，达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路（ASIC）。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片，再把整个模块固定在相应的散热器上，就构成一台新型的开关电源装置。由此可见，模块化的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积，更重要的是取消传统连线，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高系统的可靠性。
4、绿色化
电源系统的绿色化有两层含义： 一是发电容量的节约，发电过程对环境造成了很大的污染，节电就意味着为环境的绿化做了贡献。二这些电源尽可能少地或不对电网产生污染，许多电子设备向电网诸如严重的高次谐波电流，使总功率因数下降，使电网电压出现很多问题甚至缺角和畸变。国际电工委员会（IEC）对此还制定了一系列标准，如IEC555、IECl000、IEC917等。在当今，节能环保被人们越来越重视，电子产品的耗能问题将愈来愈突出，对电能的合理利用也是非常重要的。在开关电源的广泛应用发展下，开关电源的体积变小了，效率提高了， 正向着小型化和高频化的方向发展，但也存在着能量的损耗，所以节能对于开关电源也有重要意义。首先，开关电源的节能就是提高开关电源的效率，对开关电源的能耗进行分析可知对开关电源的电路结构和元器件进行改进可以提高开关电源效率，从而达到节能目的。其次，降低开关电源的开关损耗方法主要是软开关技术，理论上说是可以将开关电源的开关损耗降低到零，使其更加节能环保。可见开关电源小型化的发展趋势与开关电源的节能是相辅相成的。在大力提倡节能环保的环境下， 对开关电源节能的研究、提高开关电源的效率就显得意义重大，它适应了当今科技发展的潮流， 也符合人们生活的需要。
开关电源的发展趋势将以“四化”为主流即应用技能的智能化、硬件结构的模块化、软件控制的数字化、产品性能的绿色化，这些会使产品性能可靠、成熟、经济、实用。
5、开关电源技术发展的前景展望
当开关电源按照理想的发展趋势发展下去，将标志着开关电源技术的成熟。随着电力电子技术的不断创新，开关电源产业发展前景更加广阔，我国的开关电源也得到快速发展。近年来，随着通信行业的发展，以开关电源技术为核心的通信用开关电源，吸引了国内外一大批科技人员对其进行研究和开发，开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋。我国产品的性能虽然有了很大提高，能基本满足国内用户的要求，但与国外比起来，在设计技术、生产规模、制造工艺、可靠性重视程度和产品更新速度等方面，仍然存在不小的差距。因此，为了把具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源产业牢牢占据。我国应提高质量管理、加强可靠性设计、降低产品的设计和生产成本、加快产品创新开发、实现产品的标准化和系列化， 成为国内电源生产厂商迎接挑战，壮大自身实力。
参考文献
[1]周志敏，周纪海，开关电派实用技术设计与应用.北京人民邮电出版社，2003.
开关电源原理设计范文第4篇
关键词 自激振荡；开关电源；分析
中图分类号TN86 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）44-0078-02
0 引言
目前，CRT彩色电视机中主要采用分立元件组成的自激振荡式并联型开关电源电路。由于其核心器件电源调整管工作在非线性状态，与串联稳压电源相比，具有体积小、重量轻、效率高、电压适应范围宽等显著优点，但是其工作原理复杂、维修困难，在实际教学过程中学生难以迅速掌握。本文介绍了以自激振荡过程为核心的分析方法，便于在教学过程中使学生熟悉其工作原理，具备快速检修开关电源的能力。
1 开关电源的工作原理
220V交流电直接经低频整流滤波后得到300V左右的直流电压，利用高频自激振荡电路将直流电转化为30kHz~60kHz的脉冲信号，再经储能变压器的能量转换送入高频整流滤波电路，经高频续流二极管整流后得到所需的多组直流电压输出。通过取样调整电路，改变高频脉冲的脉冲宽度或脉冲周期来稳定输出电压。
开关电源电路常分为低频整流滤波电路、自激振荡电路、稳压电路、保护电路和高频整流滤波电路等部分。其工作过程中的关键环节是产生高频脉冲，在将能量转化为高频脉冲时，开关管工作在饱和导通和截止状态，提高了能量利用效率；将能量转化为高频脉冲，可以通过改变占空比调节向输出端提供的能量，有利于适应电网电压大范围的波动；将能量转化为高频脉冲后，可以减小高频滤波电容容量，有利于缩小电源体积，减少电源重量。
2 自激振荡电路原理分析
自激振荡电路起振是自激式开关电源正常工作的必要条件，开关调整管和变压器初级绕组L1参与振荡过程。当开关调整管工作在饱和导通状态时，在变压器初级绕组L1上产生上正下负的感应电动势，次级绕组L2产生上负下正的感应电动势，初级绕组L1中的电流逐渐增大；当开关调整管截止时，变压器初级绕组L1上产生上负下正的感应电动势，次级绕组L2产生上正下负的感应电动势，续流二极管vD导通，向负载提供能量，并对电容C充电。当开关调整管再次导通，续流二极管vD截止时，由电容C向负载提供能量。
自激式电源电路中，常利用正反馈电路实现开关调整管的饱和导通和截止，使其集电极串接的初级绕组L1上不断产生上正下负或者上负下正的感应电动势，通过线圈的互感作用传递给次级绕组，从而将直流能量转化为高频脉冲，为负载端供电。同时，不少开关电源中稳压过程和保护过程的实现，是通过调整开关管的饱和导通时间实现的。因此，开关电源工作原理的分析应以自激振荡过程为核心。自激振荡电路通常由开关管发射结和开关变压器反馈绕组参与构成，因此在振荡回路的分析过程中应注意以下两点：
1）如果没有反馈电路的作用，开关调整管是可以保持导通状态而不会截止的；
2）有些电路整个自激振荡过程采用LC自激振荡电路形式，有的电路部分工作过程采用LC自激振荡电路形式，且常利用反馈绕组作为LC振荡电路中的振荡线圈。
3 稳压电路原理分析
输出电压从高频整流滤波电路得到，忽略二极管vD的正向压降，输出电压的计算公式如下：UO= Um×TON/T (其中Um脉冲峰值电压，TON为脉冲宽度，T为周期)。当输出电压发生变化时，改变脉冲宽度和改变脉冲周期都可以调节输出电压达到稳压目的，这两种输出电压的调整方式被称为调频式和调宽式。目前，自激式开关电源常采用改变脉冲宽度的方式，即通过改变电源调整管的饱和导通时间长短来稳定输出电压。
如图2所示，取样电路对稳压电源的主输出电压进行取样，取样电路分为电阻分压电路中利用电位器取样或利用电源变压器中的取样绕组取样，将输出电压的变化取样送入取样放大管的基极。基准稳压电路通常为稳压二极管，常接在取样放大管的发射极以稳定发射极电压。当输出电压发生变化时，取样放大管的导通程度发生改变，通过脉宽控制电路去微调电源调整管的饱和导通时间，可以达到稳定输出电压的目的。
需要注意电源调整管由饱和导通状态转入截止状态，主要通过减小基极电流IB后，利用正反馈作用不断减小集电极电流IC和基极电流IB来实现的，电源调整管的饱和导通时间主要是由自激振荡电路决定。但在有些开关电源电路中，自激振荡过程和稳压过程中都要对基极电流IB进行分流，但要注意自激振荡过程中的分流是为了使开关调整管进入截止状态，稳压过程中的分流是为了改变高频脉冲宽度进而实现稳压，一定要区分两者目的的不同。
4 保护电路原理分析
开关电源电路中的保护电路主要包括过压保护电路、过流保护电路和尖峰脉冲吸收电路，这些电路主要是为了保护电源调整管设计的，避免调整管集电极出现较大的冲击电压使其击穿，或者避免出现大电流烧毁开关管。自激式开关电源正常工作的重要条件是振荡电路的正常工作，若停振则电源不工作，所以各种保护电路也是针对着自激振荡电路而设计的。
1）过压保护。由于电网电压波动或负载原因使低频整流输出的直流电压突然升高时，图2中开关调整管V的集电极会受到电压冲击而损坏。保护电路的设计思路是破坏自激振荡的工作条件，通常在开关调整管V的基极和发射极之间接上压控晶体管，当直流电压突然升高时，将这种变化通过反馈绕组传递到压控晶体管上，使其迅速进入饱和导通状态，将开关调整管V的基极和发射极短接，迫使开关管停止自激振荡，开关电源不再有直流电压输出，从而避免过高输入电压对开关管的损害；
2）过流保护。由于开关调整管V处于饱和导通期间，基极有较大电流以维持其饱和导通状态。如果负载电流突然增加，则饱和导通时间会延长，所需的基极电流也会增大。开关调整管V中的基极电流和集电极电流的增加，会引起调整管烧毁。过流电路的设计思路是当基极电流增大时对其分流，通常利用开关调整管V的基极和发射极之间接上的压控晶体管，使其导通构成对开关管基极较大的分流，使开关调整管饱和导通的时间相应缩短，使集电极电流的增长不超过允许值，起到过流保护的作用；
3）尖峰脉冲吸收电路。开关调整管在饱和导通转向截止时，在高频整流二极管尚未导通的时刻，在图2初级绕组L1和次级绕组L2上保持较大的电磁能量，会使线圈L1上出现上负下正的感应电动势。由于分布电容和漏感的作用，容易产生自激振荡并出现较大的尖峰脉冲。为了避免尖峰脉冲击穿开关管，吸收电路的设计思路是消除尖峰脉冲，通常在初级绕组L上并接电阻和电容构成的阻尼电路，消除振荡从而保护开关调整管。
5 结论
由于自激振荡式开关稳压电源的体积小、重量轻、电网电压适应范围宽的优点，目前在彩色电视机和民用电子产品中应用较广泛。开关电源中的稳压电路和保护电路都是针对自激振荡电路原理设计的，自激振荡电路的正常工作是电源正常工作的充分条件，因此在教学和维修过程中，以自激振荡电路原理为核心进行分析，是理解整机工作原理和快速维修的关键。
参考文献
[1]姜夔.电视机原理与维修[M].高等教育出版社，2002.
[2]何祖锡.彩色电视机原理与维修[M].电子工业出版社，2008.
开关电源原理设计范文第5篇
关键字：高频开关电源； 发展
对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高频开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中，通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。
由于科学技术的不断发展，现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。其主要有以下4种发展方向：
1 高频化
理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz,提高400倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5~l0%。无论是逆变式整流焊机,还是通讯电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。同样,传统"整流行业"的电镀、电解、电加工、充电、浮充电等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造,成为"开关变换类电源",其主要材料可以节约90%或更高,还可节电30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,带来显著节能、节水、节约材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。
2 模块化
模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块,含有一单元、两单元、六单元直至七单元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于"标准"功率模块(SPM)。近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了"智能化"功率模块(IPM),不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了"用户专用"功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,这样的模块经过严格、合理的热、电、 机械方面的设计,达到优化完美的境地。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。
3 数字化
在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代,电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入。所以,在八、九十年代,对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的,特别是:诸如印制版的布图、电磁兼容(EMC) 问题以及功率因数修正(PFC)等问题的解决,离不开模拟技术的知识,但是对于智能化的开关电源,需要用计算机控制时,数字化技术就离不开了。
4 绿色化
电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电,这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能(或少)对电网产生污染,国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准,如IEC555、IEC917、IECl000等。事实上,许多功率电子节电设备,往往会变成对电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流,使总功率因数下降,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚至出现缺角和畸变。20世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了多种修正功率因数的方法。这些为2l世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。
总而言之,开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着开关电源技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年,随着通信行业的发展,以开关电源技术为核心的通信用开关电源,吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋,因此,同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来。还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。
参考文献：
[1]刘胜利,高频开关电源实用新技术[M].
开关电源原理设计范文第6篇
关键词： 开关电源； 单端反激； 高频变压器； 双反馈
中图分类号： TN702?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）14?0162?04
Design of multi?channel switching power supply with single?ended flyback
HU Zhi?qiang 1， WANG Gai?yun1， WANG Yuan 2
（1. Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China；2. Shandong Huayu Vocational College， Dezhou 253034， China）
Abstract： A TOP223Y?based switching power supply with multi?channel output single?end flyback AC/DC module was designed. Peripheral circuits are analyzed by TOP Switch series single?chip switching power supply chip and the feedback system composed of TL431 and PC817A. The AC/DC switching power supply whose voltage stabilization adjusting weight is 0.6 and 0.4 with the outputs of +5V/3A and +12V/1A was designed. The experimental results show that the switching power supply has high efficiency， small ripple， high output accuracy and high stability.
Keywords： switching power supply； single?ended flyback； high?frequency transformer； double feedback
单片开关电源自问世以来，以其效率高，体积小，集成度高，功能稳定等特点迅速在中小功率精密稳压电源领域占据重要地位。美国PI公司的TOPSwitch系列器件即是一种新型三端离线式单片高频开关电源芯片，开关频率fs高达100 kHz，此芯片将PWM控制器、高耐压功率MOSFET、保护电路等高度集成，连接少许器件即可使用[1?2]。本文介绍了一种基于TOP223Y输出为+5 V/3 A，+12 V/1 A的单端反激式开关电源的设计原理和方法。
1 设计原理
开关电源是涉及众多学科的一门应用领域，通过控制功率开关器件的开通与关闭调节脉宽调制占空比达到稳定输出的目的，能够实现AC/DC或者DC/DC转换。
TOP223Y共三个端：控制极C、源极S、漏极D。因只有漏极D用作脉宽调制功率控制输出，故称单端；高频变压器在功率开关导通时只是将能量存储在初级绕组中，起到电感的作用，在功率开关关闭时才将能量传递给次级绕组，起变压作用，故称反激式[1]。
图1 开关电源控制原理框图
电路功能部分主要由输入/输出整流滤波、功率变换、反馈电路组成。工作原理简述为：220 V市电交流经过整流滤波得到直流电压，再经TOP223Y脉宽调制和高频变压器DC?AC变换得到高频矩形波电压，最后经输出整流滤波得到品质优良的直流电压，同时反馈回路通过对输出电压的采样、比较和放大处理，将得到的电流信号输入到TOP223Y的控制端C，控制占空比调节输出，使输出电压稳定。
2 设计要求
设计作为某智能仪器的供电电源，具体的参数要求如下：交流输入电压最小值：VACMIN=85 V；交流输入电压最大值：VACMAX=265 V；输出：U1：+5 V/3 A；U2：+12 V/1 A；输出功率：Po=27 W；偏置电压：VB=12 V；电网频率fL=50 Hz；开关频率fs=100 kHz；纹波电压：小于100 mV；电源效率：η大于80%；损耗分配因数Z为0.5；功率因数为0.5。
3 设计实例
本设计是基于TOP223Y的多路单端反激式开关电源，性能优越，便于集成。电路原理如图2所示，可分为输入保护电路、输入整流滤波电路、钳位保护电路、高频变压器、输出整流滤波电路、反馈回路、控制电路7个部分。
图2 开关电源电路原理图
3.1 输入保护电路
由保险丝F1、热敏电阻RT和压敏电阻RV组成，对输入端进行过电压、过电流保护。
保险丝F1用于当线路出现故障产生过电流时切断电路，保护电路元器件不被损坏，其额定电流IF1按照IF1>2IACRMS选择3 A/250 VAC保险丝，其中IACRMS为原边有效电流值。热敏电阻RT用以吸收开机浪涌电流，避免瞬间电流过大，对整流二极管和保险丝带来冲击，造成损坏，加入热敏电阻可以有效提高电源设计的安全系数，其阻值按照RRT1>0.014VACMAX/IACRMS选择10D?11（10 Ω/2.4 A）。压敏电阻RV能在断开交流输入时提供放电通路，以防止大电流冲击，同时对冲击电压也有较好钳位作用。RV选取MY31?270/3，标称值为220 V。
3.2 输入整流滤波电路
由EMI滤波电路、整流电路、稳压电路组成。
EMI滤波电路针对来自电网噪声干扰。采用由L1，CX1，CX2，CY1，CY2构成典型的Π型滤波器。
CX1和CX2用来滤除来自电网的差模干扰，称为X电容，通常取值100～220 nF，这里取100 μF；CY1和CY2用来滤除来自电网的共模干扰，称为Y电容，通常取值为1～4.7 nF，这里取2.2 nF；同样用来消除共模干扰的共模电感L1的取值8～33 mH，这里取8 mH，采取双线并绕。
输入整流电路选择不可控全波整流桥。整流桥的反向耐压值应大于1.25倍的最大直流输入电压，整流桥的额定电流应大于两倍的交流输入的有效值，计算后选择反向击穿电压为560 V，额定电流为3 A的KBP306整流桥。
在当前的供电条件下，输入储能电容器CIN的值根据输出功率按照2～3 μF/W来取值，考虑余量，取CIN=100 μF/400 V的电解电容。假设整流桥中二极管导通时间为tc=3 ms，可由：
（1）
（2）
得到输入直流电压的最小值和最大值。
3.3 钳位保护电路
当功率开关关断时，由于漏感的影响，高频变压器的初级绕组上会产生反射电压和尖峰电压，这些电压会直接施加在TOPSwitch芯片的漏极上，不加保护极容易使功率开关MOSFET烧坏。加入由R1、C2和VD1组成经典的RCD钳位保护电路，则可以有效地吸收尖峰冲击将漏极电压钳位在200 V左右，保护芯片不受损坏。推荐钳位电阻R1取27 kΩ/2 W，VD1钳位阻断二极管快恢复二极管耐压800 V的FR106，钳位电容选取22 nF/600 V的CBB电容。
3.4 高频变压器
3.4.1 磁芯的选择
磁芯是制造高频变压器的重要组成，设计时合理、正确地选择磁芯材料、参数、结构，对变压器的使用性能和可靠性，将产生至关重要的影响。高频变压器磁芯只工作在磁滞回线的第一象限。在开关管导通时只储存能量，而在截止时向负载传递能量。因为开关频率为100 kHz，属于比较高的类型，所以选择材料时选择在此频率下效率较高的铁氧体，由：
（3）
估算磁芯有效截面积为0.71 cm2，根据计算出的考虑到阈量，查阅磁芯手册，选取EE2825，其磁芯长度A=28 mm，有效截面积SJ=0.869 cm2，有效磁路长度L=5.77 cm，磁芯的等效电感AL=3.3 μH/匝2，骨架宽度Bw=9.60 mm。
3.4.2 初级线圈的参数[3]
（1）最大占空比。根据式（1），代入数据：宽范围输入时，次级反射到初级的反射电压VoR取135 V，查阅TOP223Y数据手册知MOSFET导通时的漏极至源极的电压VDS=10 V，则：
（4）
（2）设置。KRP=，其中IR为初级纹波电流；IP为初级峰值电流；KRP用以表征开关电源的工作模式（连续、非连续）。连续模式时KRP小于1，非连续模式KRP大于1。对于KRP的选取，一般由最小值选起，即当电网入电压为100 VAC/115 VAC或者通用输入时，KRP=0.4；当电网输入电压为230 VAC时，取KRP=0.6。当选取的KRP较小时，可以选用小功率的功率开关，但高频变压器体积相对要大，反之，当选取的KRP较大时，高频变压器体积相对较小，但需要较大功率的功率开关。对于KRP的选取需要根据实际不断调整取最佳。
（3）初级线圈的电流
初级平均输入电流值（单位：A）：
（5）
初级峰值电流值（单位：A）：
（6）
初级脉动（纹波）电流值（单位：A）：
初级有效电流值（均方根值RMS（单位：A））：
（7）
查阅手册，由：
（8）
可知，选取合适。TOPSwitch器件的选择遵循的原则是选择功率容量足够的最小的型号。
（4）变压器初级电感
（9）
（5）气隙长度
（10）
Lg>0.051 mm，参数合适，μy为常数4π×10?7 H/m。
3.4.3 初级次级绕组匝数[4]
当电网电压为230 V和通用输入220 V时：每伏特取0.6匝，即KNS=0.6。由于输出侧采用较大功率的肖特基二极管用作输出整流二极管，因此VD取0.7 V，磁芯的最大工作磁通密度在BM在2 000～3 000 GS范围内。偏置二极管VDB的压降取0.7 V，偏置电压VB取12 V。
初级绕组匝数：
（10）
次级绕组匝数：
（11）
（12）
偏置绕组匝数：
（13）
3.5 输出整流滤波电路
由整流二极管、滤波电容和平波电感组成。将次级绕组的高频方波电压转变成脉动的直流电压，再通过输出滤波电路滤除高频纹波，使输出端获得稳定的直流电压。肖特基二极管正向导通损耗小、反向恢复时问短，在降低反向恢复损耗以及消除输出电压中的纹波方面有明显的性能优势，所以选用肖特基二极管作为整流二极管，参数根据最大反向峰值电压VR选择，同时二极管的额定电流应该至少为最大输出电流的3～5倍。次级绕组的反向峰值电压VSM为：
（14）
（15）
式中：VS为次级绕组的输出电压；VACMAX为输入交流电压最大值，则：
（16）
（17）
则VR1=22 V，VR2=57.1 V，VD2，VD3，VD4均选择MBR1060CT，最大反向电压60 V，最大整流电流10 A。RC串联谐振可以消除尖峰脉冲，防止二极管击穿。
第一级滤波电容的选择由式（18）确定：
（18）
式中：Iout是输出端的额定电流，单位为A；Dmin是在高输入电压和轻载下所估计的最小占空比（估计值为0.3）；V（PK?PK）是最大的输出电压纹波峰峰值，单位为mV。计算得出后考虑阈值C6取100 μF/10 V，C8取220 μF/35 V。
第二级经LC滤波使不满足纹波要求的电压再次滤波。输出滤波电容器不仅要考虑输出纹波电压是否可以满足要求，还要考虑抑制负载电流的变化，在这里可以选择C7取22 μF/10 V，C9取10 μF/35 V。C5取经验值0.1 μF/25 V。输出滤波电感根据经验取2.2～4.7 μH，采用3.3 μH的穿心电感，能主动抑制开关噪声的产生。为减少共模干扰，在输出的地与高压侧的地之间接共模抑制电容C15。
3.6 反馈回路设计
开关电源的反馈电路有四种类型：基本反馈电路、改进型基本反馈电路、配稳压管的光耦反馈电路、配TL431的光耦反馈电路。本设计采用电压调整率精度高的可调式精密并联稳压器TL431加线形光耦PC817A构成反馈回路。
TL431通过电路取样电阻来检测输出电压的变化量ΔU，然后将采样电压送入TL431的输入控制端，与TL431的2.5 V参考电压进行比较，输出电压UK也发生相应变化，从而使线性光电耦合器中的发光二极管工作电流发生线性变化，光电耦合器输出电流。
经过光电耦合器和TL431组成的外部误差放大器，调节TOP223Y控制端C的电流IC，调整占空比D（IC与D成反比），从而使输出电压变化，达到稳定输出电压的目的。
对于电路中的反馈部分，开关电源反馈电路仅从一路输出回路引出反馈信号，其余未加反馈电路。这样，当5 V输出的负载电流发生变化时，定会影响12 V输出的稳定性。
解决方法是给12 V输出也增加反馈电路。另外，电路中C10为TL431的频率补偿电容，可以提高TL431的瞬态频率响应。R5为光电耦合器的限流电阻，R5的大小决定控制环路的增益。电容器C13为软启动电容器，可以消除刚启动电源时芯片产生的电压过冲。
下面主要是确定R4～R8的值：
按照应用要求，对5 V电源要求较高，但也要兼顾12 V电源，权衡反馈量，将R7，R8的反馈权值均设置为0.6，0.4，各个输出的稳定性均得到保障和提高。
只有5 V输出有反馈时，如R4，R7取值均为10 kΩ，此时电流=250 μA，分权后，R7分得150 μA、R8分得150 μA。根据TL431的特性知，Vo，VREF，R7，R8，R4之间存在以下关系：
（19）
（20）
式中：VREF为TL431参考端电压，为2.5 V；Vo为TL431输出电压。根据电流分配关系得（单位：kΩ）：
（21）
（22）
又由电路可知 ：
（23）
式中：VF 为光耦二极管的正向压降，由PC817技术手册知，典型值为1.2 V。先取R5=390 Ω，可得R6=139 Ω，取标称值150 Ω。
3.7 控制回路
由电容C7和电阻R12串联组成。C9用来滤除控制端的尖峰电压并决定自动重启动时序，并和R12一起设定控制环路的主极点为反馈控制回路进行环路补偿。由数据手册知，C9选择47 μF/25 V的电解电容，当C9 =47 μF时，自动重启频率为1.2 Hz，即每隔0.83 s检测一次调节失控故障是否已经被排除，若确认已被排除，就自动重启开关电源恢复正常工作[1]。R12取6.2 Ω。
4 实验结果及分析
根据以上的设计方法和规范，设计出的一种基于TOP223Y双路+5 V/3 A，+12 V/1 A输出的反激式开关电源。在宽范围85～265 VAC的输入范围下对其性能进行了测试，如表1所示。
表1 开关电源输入性能测试数据（部分）
由以上选取的实验数据得出，+5 V/3 A（反馈权重0.6，负载500 Ω）输出的电压调整率为SV = ±0.18%，输出的纹波电压为39 mV，输出的最大电流为3.2 A；
+12 V/1 A（反馈权重0.4，负载750 Ω）输出的电压调整率为SV = ±0. 3%，输出的纹波电压为68 mV，输出的最大电流为1.10 A。
该电源在满载状态时，功率可达27.6 W，最大占空比为0.60， 电源效率为83.1%，开关电源具有良好的性能，满足应用要求。
6 结 语
本开关电源的设计，芯片的高度集成化，电路设计简单。电源的性能通过参数的调节仍有提升的空间。双输出双反馈异权重的设计使开关电源的更加实用灵活，不同的保护电路的设计，使电源的实用更加安全可靠，该电源在实际应用中表现良好。
参考文献
[1] 杨立杰.多路输出单端反激式开关电源设计[J].现代电子技术，2007，30（3）：24?31.
[2] 马瑞卿，任先进.一种基于TOP224Y 的单片开关电源设计[J].计算机测量与控制，2007，15（2）：225?227.
[3] 潘腾，林明耀，李强.基于TOP224Y芯片的单端反激式开关电源[J].电力电子技术，2003（2）：20?22.
[4] 赵祥，方方，马柯帆，等.基于TOP261YN芯片的多路输出单端反激式开关电源的设计[J].核电子学与探测技术，2010（11）：1529?1532.
[5] 戚本宇.多路输出单端反激式开关电源设计[D].淄博：山东理工大学，2012.
[6] 房雪莲.基于UC3845的非隔离反激式输出可调开关电源设计[J].现代电子技术，2012，35（16）：174?177.
开关电源原理设计范文第7篇
【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
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开关电源原理设计范文第8篇
关键词：DCDC开关电源；模拟加法器；恒流源；误差放大器
中国分类号：TN433文献标识码：A文章编号：10053824（2013）03000503
0引言
电源管理IC因具有体积小、转换速率高等优点，已被广泛应用于电子、通信、电气、能源、航空航天及家电等领域。电源管理IC主要分为线性稳压电源转换器和DCDC开关电源转换器。相对于线性稳压电源转换器， DCDC开关电源转换器具有电压转换效率高和输出电压范围较宽的特点，因而DCDC开关电源转换器已成为主要的电源产品之一[1]。
降压型脉冲宽度调制型（pulse width modulation， PWM） DCDC开关电源是目前被广泛应用的1种DCDC开关电源结构[24]，其电路结构如图1所示。由图1可知，模拟加法器是PWM型DCDC开关电源转换器的核心模块，其性能特性直接影响PWM型DCDC开关源的性能特性，因而要求模拟加法器在电源电压、温度等变化或漂移条件下，均能获得稳定的性能。针对这些要求，本文设计了1种适用于DCDC开关电源的模拟加法器。
1模拟加法器原理及构成
本文所设计的模拟加法器的原理图如图2所示。该模拟加法器主要由误差放大器A1，误差放大器A2，MOS晶体管M1―M4，电阻R1，R2以及电容C1，C2组成。其中，误差放大器A1与误差放大器A2完全相同，Vref为带隙基准参考提供的1.2 V带隙参考电压，其具有与温度、电源电压波动以及工艺无关的参考电压源。VA1为图1所示的DCDC开关电源转换器的放大器的输出信号。电容C1与电容C2在图2所示电路中起滤波以及电荷存储作用。
图1DCDC开关电源转换器电路结构图图2模拟加法器原理图误差放大器A1，MOS管M1与电阻R2构成负反馈系统。误差放大器A1强制放大器的两输入端电压相等，即V1=Vref，因而流过电阻R1的电流I1为I1=VrefR1（1）图2中，MOS晶体管M1与M2构成基本电流镜，因而流过M2的漏电流I2为I2=WL2WL1I1（2）（2）式中：WL1与WL2分别为晶体管M1与M2的宽长比，因而电阻R1的压差VR1为VR1=I2R2=WL2WL1×R2R1×Vref（3）同理，误差放大器A2与MOS管M4也构成负反馈系统。误差放大器A2强制其两输入端电压相等，即V2=VA1（4）由（3）式与（4）式可得模拟加法器的输出电压VA，其可表示为VA=VA1+WL2WL1×R2R1×Vref（5）在电路设计时，若M1与M2为完全相同的PMOS管，即WL1=WL2，同时R2与R1为同一类型电阻且具有相同的阻值，则（5）式可表示为VA=VA1+Vref（6）（6）式说明图2所示的电路能有效地实现两模拟电压求和的功能。
2误差放大器的分析与设计
在图2所示的电路中，误差放大器A1以及误差放大器A2为模拟加法器的重要单元模块，其性能特性直接影响模拟加法器的性能特性，其中误差放大器A1与误差放大器A2完全相同。针对此问题，本文所设计的误差放大器A1与误差放大器A2采用折叠式共源共栅结构[5]，如图3所示。误差放大器主要由晶体管Ma0―Ma10、电阻R构成。其中Vp和Vn分别为误差放大器的差分输入端，Vb1―Vb3为偏置电压，Ma0与Ma1为PMOS输入对管，Ma3，Ma4与Ma5，Ma6形成电流镜对负载，实现双端输入和单端输出。图4为放大器的交流仿真曲线。仿真结果显示，在一定负载电容条件下，本文所设计的误差放大器获得65.5 dB的低频增益以及80°相位裕度，能够满足模拟加法器的要求。
图3误差放大器电路图图4误差放大器交流仿真波形图3仿真结果与分析
为验证所设计的模拟加法器的性能特性，在电源电压VDD=3 V的条件下，采用CSMC的0.5 μm标准CMOS混合工艺以及Cadence的Spectre仿真工具对电路进行了仿真验证。
当Vref=1.2 V以及VA1=1 V时，模拟加法器的瞬态仿真结果如图5所示。仿真结果显示模拟加法器的输出VA≈2.2 V，有效地实现了加法器功能。图6给出了VA与输入信号VA1的直流扫描关系曲线。仿真结果显示，模拟加法器的输出电压VA与输入电压VA1成线性关系，其差值恒为一常数。
图7为模拟加法器输出电压VA与温度的关系仿真曲线。仿真结果显示，当温度在0～110 ℃范围变化时，输出电压VA变化量仅为1.18 mV。
图5模拟加法器瞬态仿真
图6模拟加法器输出VA与输入VA1的关系曲线
图7模拟加法器输出电压与温度关系仿真曲线
4结语
本文设计了一种适用于DCDC开关电源的模拟加法器，其具有简单的电路结构。采用CSMC 0.5 μm CMOS混合工艺以及Cadence的Spectre仿真工具对所设计的电路进行了仿真验证。仿真结果显示模拟加法器具有非常好的性能，能够满足DCDC开关电源的要求。参考文献：
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