開關電源設計與原理范文

導語：如何才能寫好一篇開關電源設計與原理，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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【關鍵詞】管理學原理；教；學

一、管理學課程的教與學的現狀

1.開設情況。并不是所有的高校都認為該門課程是基礎課程而進行必要的開設。其中，比較好的開設情況是：經濟、管理類等相關專業的學生一般在大一上學期或下學期就會完成該門課程的學習，而像理工科專業的學生將在大二下學期或大三上學期完成；較糟糕的情況是除了經濟、管理類專業的學生會學習到該門課程，其他專業的學生是接觸不到的，所以，很多理工科的學生聽也沒聽過這門課程的名稱。通過上述情形的描述，可以發現有些院校并不重視該門基礎課程。因此，校方所持的態度勢必會影響教師的教與學生的學。

2.教。部分教師并沒有有效地結合學生的專業而對管理學原理中的知識有側重點的進行講解，面對不同專業和不同年級的學生都是同樣授課。實際上，對于管理類專業的學生，教師們應將知識點講解得深入一些，對于課程中涉及日后所學專業知識的一些基礎知識點和術語應著重強調；而對于理工科的學生，就應結合大家所接觸的一些日常經濟現象的案例給學生講解，這樣可以較好地提高學生學習的興趣。

3.學。由于學生們普遍認為該門課程是基礎課，多數都是為應付考試而在課程考試之前對知識點進行背誦。有的學生認為該門課程學起來十分枯燥，感覺其中的知識與自己的專業根本不相關，對自己的專業基本沒什么幫助，于是不愿花時間在該課程的學習與鉆研上。學生的學基本是盲目的，都是由教師進行無休止的灌輸。因此，教師應采取積極的方式進行引導，讓學生帶有目的去渴望學習該課程。

二、建議

1.校方的意識。學校應該重視基礎課程的開設，因為沒有基礎知識的鋪墊和積累，教師和學生在日后的專業知識的教與學都將十分吃力。因此，校方對于基礎課程開設的意識和態度將會影響學生最終的學習效果。

2.教師的教學。教師的教在教與學兩者之間占據主導作用，因為往往學生學習的興趣與效果，都與教師啟發和激勵息息相關。關于教師的教方面，具體為：

①將管理課程中的一般理論與管理案例相結合，注重理論教學的實用性。傳統課堂教學要求教師嚴格按照教材、大綱的順序進行講解，強調理論的邏輯性。因此，這樣做的結果不僅不能激發他們的學習興趣，甚至會引起他們的不滿。實際上，當代大學生的特點是思想活躍，樂于接受新鮮事物，喜歡討論當前社會熱點問題。因此，教師們應該從學生比較感興趣的一些案例入手，通過對案例的思考，從而引出相關理論的講解；或者從理論的講解著手，進一步圍繞該理論讓學生對相關案例進行思考，這樣使得學生不再盲目地學習那些枯燥的理論知識，并且通過這種方式可以加強學生對知識點的印象，使得教學效果事半功倍。

②注重培養學生利用管理理論、方法解釋、分析和解決實際管理中的問題的能力。培養學生的這種能力，必須強調兩點：首先，是要求學生對材料的閱讀，特別是一些重要的案例，教師們要給出一定的時間進行課堂閱讀，其他的案例可以采取課后閱讀。其次，是學生對案例的思考，這種思考可以是獨立思考也可以是小組集體討論?？傊?，在培養學生利用理論知識解決實際問題能力的同時，也有利于大學生自學能力的培養，而這一點恰恰是大學培養學生的重要目的。

③讓學生積極參與案例活動。如情景模仿，讓學生擔任其中的角色，親身感受管理相關環節。在這里，筆者要特別強調教師應該在一學期的教學中，盡量保證讓每位同學都能夠有機會上講臺發言，因為筆者認為作為一名學管理類專業的學生，具備站在大廳廣眾之下開口講話的勇氣是必須的，其次，是對學生參與活動的能力要求。例如，當講授關于管理職能——計劃時，可以就如何制定大學生創業計劃，讓班級同學編成小組討論，每個小組派代表闡述該小組的集體意見，最后再由教師對所發表的意見進行分析、總結。這樣做，可以調動學生學習積極性，并且可以培養小組同學的合作精神。

④要根據學生的特點有針對性的講授。管理學原理基本上在大學一年級的第一個學期開設，對于那些管理類專業的學生而言，應比較強調對理論的掌握，因為他們之后的專業課程學習是需要這些基礎課程作為鋪墊的，而對于非專業的學生而言，教師應該根據學生具體的專業進行有所重點的講授。

3.學生的學。教與學是一個互動的過程，因此，學生自覺、主動學習是達到良好學習效果所不可或缺的。它要求學生必須首先要從內心樹立對學習基礎課程的強烈意識，當然，這在很大程度上要依靠教師的引導作用；其次，學生們應該學會如何自我培養學習理論知識的興趣與能力，如學生可以適當地參加一些社會活動，通過自己的親身感受或許能增加對該門基礎課程學習的興趣。

參考文獻：

[1]陳永清.關于高?！豆芾韺W原理》課程教學的思考[J].經濟師，2009（10）.

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摘 要：在用電子技術專業課程體系中，它是一門“行業概貌”類型的課程，開關電源應用相當廣泛與普遍，學生通過這門課的學習對自己未來所從事的崗位和專業將會有比較深入的了解，更會對自己未來的行業有生動細致的體驗。該文針對《開關電源的應用與維護》這門課整體教學設計進行探討，突出體現了現在職業教育中以學生為主體的教學理念，通過設計不同的教學項目，來培養學生的動手能力，以適應社會的需求。

關鍵詞：開關電源的應用與維護 整體設計 教學項目考核

中圖分類號：G71 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）09（c）-0068-02

1 課程基本信息

《開關電源的應用與維護》是一門應用電子技術專業學生的職業能力必修課，它是學生入學第四學期開設的課程。它的先修課程是《電路基礎》《模擬電路的分析與應用》《數字電路的分析與應用》。后續課程有《電子整機電路檢修與調試》《供、配電系統的運行與檢測》。在應用電子技術專業課程體系中，它是一門“行業概貌”類型的課程，開關電源應用相當廣泛與普遍，學生通過這門課的學習對自己未來所從事的崗位和專業將會有比較深入的了解，更會對自己未來的行業有生動細致的體驗。

2 課程定位

2.1 崗位分析

應用電子技術專業的學生初次就業可從事：開關電源維修工、流水線裝配工、電源設備維護員等。

晉升的崗位有：開關電源產品技術員、設計員、設備主管、生產主管等。

未來的發展崗位有：系統工程師、研發工程師、新型項目研發負責人等。

2.2 課程分析

具體情況見表1。

3 課程目標設計

3.1 總體目標

通過此門課程的學習，使學生了解電子元器件在高頻工作狀態下的特性，能夠對各種不同種類開關電源的結構和工作過程進行分析和調試，能夠根據電路圖判斷開關電源的拓撲結構以及調制方式；使學生能夠通過常用工具、儀表進行開關電源的安裝、調試、檢修；使學生能夠勝任各種開關電源電路系統的維護、分析、設計等工作崗位；為學生進一步學習專業知識和職業技能打下良好基礎；培養學生的團隊意識、創新能力。

3.2 能力目標

（1）學會使用儀表進行開關元器件的識別與檢測的方式方法。

（2）能夠具備根據電路圖進行開關電源的結構種類的判斷，分析調制方式的能力。

（3）能夠具備使用儀器儀表和工具進行開關電源的日常維護與故障分析處理的能力。

（4）能夠按照行業標準和工廠實踐要求進行開關電源的安裝、調試、檢測。

（5）掌握開關電源的設計方法，了解開關電源的新技術。

3.3 知識目標

（1）掌握開關電源的基礎知識，知道開關電源的種類。

（2）理解開關電源的基本原理，掌握開關電源的工作方式。

（3）了解掌握開關電源中常用的電子器件及其驅動方式。

（4）理解掌握各種非隔離型DC-DC變換器的拓撲結構和控制方式及工作原理。

（5）理解掌握各種隔離型DC-DC變換器的拓撲結構和控制方式以及工作原理。

（6）掌握軟開關與整流技術。

（7）理解掌握開關電源的控制方式以及多種調制芯片的工作原理。

（8）了解整流器和保護電路的工作原理。

（9）掌握開關電源的電路分析方法。

3.4 素質目標

（1）注意日常操作的職業素養，養成正確配戴勞動保護用品的良好習慣，具有自我防護意識。

（2）培養學生勇于探索的科學態度，勇于實踐創新的精神。

（3）培養學生養成遵守工作規范、工藝規定及安全操作規程的意識。

（4）培養嚴肅認真、科學嚴謹的精神；培養學生的協調能力。

（5）培養學生與客戶及應用方的溝通能力。

（6）培養學生將理論應用于實踐，彼此互相結合的精神。

4 課程內容設計

《開關電源的應用與維護》這門課程的整體設計由4個項目組成，個別項目包含子項目。教師通過帶領學生完成這些項目，使學生能了解開關電源的現狀和發展趨勢，能熟練使用常用儀器設備和工具進行電腦、充電器和普通用電設備開關電源的維護和一般故障排除。初步使用專業軟件和專業外語；學生能夠按照行業標準和要求完成相關工作任務；學生能夠根據具體用電器的要求進行圖紙繪制、進行簡單計算、并進行初步分析和設計。具體設計內容見表2。

5 考核方案

此課程改變以往用試卷方式為終結性考核的形式，采用項目過程考核，并將每個項目賦予了不同權重，根據學生對項目的實際操作完成情況，平時課上就給出了實踐操作成績。同時，結合同學的課堂表現、出勤及作業完成情況，最終確定其這門課的成績。教學項目考核成績表見表3。

參考文獻

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【關鍵詞】開關電源；雙閉環反饋；穩壓；穩流

1.前言

高頻開關電源在二十世紀八十年代進入我國后，由于其具有體積小、重量輕、效率高、噪音低等優點，大量地進入我國郵電通訊、電力部門及其它領域，其發展迅速，市場潛力巨大，取代了許多傳統的中小功率可控硅整流電源。而在傳統的工礦企業，如電解電鍍、電化、電火花、電池充電、水處理、熱處理、焊接、冶煉等諸多領域，目前還在大量使用傳統的可控硅整流電源，不符合國家環保節能的政策。目前市場上的單臺高頻開關電源功率受到器件的約束及其它因素的限制，難以在大功率（50KW以上）場合實用需要。為了把功率做大，簡單的方法就是把許多單臺高頻開關電源，將其輸出簡單并聯，形成擴流輸出。但這種方法有一個局限性，那就是并聯后的系統只能是穩流輸出，而不能適應穩壓輸出的應用場合。本文設計思想就是在上述簡單并聯后的基礎上，再單獨設計一個輸出電壓負反饋系統，利用電壓反饋系統的輸出來控制各臺高頻開關電源，形成雙閉環反饋，從而達到并聯系統的穩壓輸出。由于單臺高頻開關電源的工作原理眾所周知，故以下著重從自動控制系統原理方面介紹并聯系統的工作原理。

2.系統控制原理圖

并聯系統的自動控制原理如圖1所示。

在自動控制電機直流調速系統中，有一種轉速、電流雙閉環反饋系統，又稱串級系統。外環是轉速反饋，內環是電流反饋。任何系統內外擾動或電網電流變化造成的轉速變化，都能通過外環或內環的反饋系統調節，達到穩定的轉速輸出。本文正是基于此設計思想，設計了如圖1的高頻開關電源雙閉環反饋并聯自動控制系統。圖中各臺高頻開關電源本身就是可以獨立工作的，且內部形成電壓或電流負反饋系統。并聯系統電壓反饋屬于外環，內環由高頻開關電源內部形成。這種并聯系統之所以簡單，就是在單立工作的電源基礎上，把輸出端簡單并聯在一起。而輸入端的給定由外環統一加到各立的高頻開關電源。

圖1中虛線框內1#、2#、……、N#為各臺高頻開關電源，其內部自動控制原理圖簡化為一階系統比例積分環節，所以各臺高頻開關電源的穩流或穩壓精度很高。圖中它們工作在穩流狀態下。

3.系統工作設計原理

3.1 單臺高頻開關電源設計及總體框圖

單臺高頻開關電源的技術指標：

輸入電壓：380V，50HZ

輸出電壓：DC 18V

輸出電流：DC 800A

限流值：850A

限壓值：18.5V

保護：過流保護、熱保護、過壓保護、欠壓保護

轉換效率：>80%

單臺高頻開關電源總體框圖如圖2所示。整機電路可分為變換主回路和控制電路兩大部分。交流380V電壓經輸入電源濾波器、輸入直流整流濾波得到550V左右的直流電壓，供給脈寬調制器，它有兩組IGBT模塊、高頻變壓器及輸出整流濾波組成。

由PWM控制電路提供交變脈沖經驅動電路來控制IGBT模塊的通斷，將直流電壓變換成交變的20KHZ脈沖電壓，經高頻變壓器隔離變換成所需的電壓，再經輸出整流二極管全波整流，得到平均幅值為18V的直流電壓。

控制電路由PWM控制電路、驅動電路、反饋取樣電路、限流限壓電路及輔助電源組成。PWM控制電路輸出兩路彼此相位差180?，并有一定死區的脈沖，經驅動電路放大，控制主回路IGBT模塊的通斷。為了得到穩定的輸出電壓或電流，對輸出電壓或電流進行采樣、反饋，與基準值比較、放大，控制PWM電路的脈沖寬度，調整IGBT的占空比來實現穩壓或穩流。同時通過軟啟動、過流過壓保護、短路保護及限壓限流電路對電源本身實施保護措施。

單臺高頻開關電源構成一個電流負反饋控制系統，簡稱內環。自動控制原理如圖3所示。

圖3中采用了PI調節器的單閉環電流負反饋控制系統，既保證了動態穩定性，又能做到無靜差，很好地解決了動、靜態的矛盾。其調節原理：在電流給定值不變的情況下，當負載變動或電源內部原因造成了電源輸出電流變動時，自動控制調節過程為：

通過以上的調節過程，可以保證單臺高頻開關電源輸出穩定的電流。這樣，把各個單獨工作的高頻開關電源輸出并聯在一起，且工作在穩流狀態下，接受同一的電流給定值，就可保證各臺高頻開關電源輸出同樣大小的電流。從而實現并聯系統的擴流輸出。為了提高系統的整體可靠性，還可根據系統的要求，增加N+1冗于設計。這種簡單的組合在一起，當某臺高頻開關電源出現故障，可立即把其關電退出運行并斷開輸出連接，把備份的高頻開關電源通電投入運行即可。從而把處理故障的時間減少到最小。

3.2 系統自動控制原理

雙閉環并聯系統自動控制原理如圖4所示。

圖4中在高頻開關電源系統外增加了一個比例積分調節器，用來調節并聯系統的電壓。把并聯系統的輸出電壓反饋和并聯系統給定值進行比較，其差值經信號放大，作為高頻開關電源系統電流給定值，而高頻開關電源系統根據不斷變化的電流給定值來調節自身的輸出電壓，以此保證自身的輸出電流根據給定值變化而變化。從而也保證了并聯系統輸出電壓穩定。從閉環反饋的結構上看，電流調節環在高頻開關電源系統內部，是內環；電壓調節環在外面，成為外環。二者之間實行串級連接，即以電壓調節器的輸出作為電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出作為并聯系統輸出電壓的控制，那么兩種調節器作用就能互相配合，相輔相成了。這就形成電壓、電流雙閉環反饋控制系統。為了獲得良好的靜、動態性能，兩個調節器一般都采用PI調節器。

當由于負載擾動，造成了并聯系統電壓輸出變動，則系統自動控制調節過程為：

上述電壓調節過程可以保證并聯系統在穩壓工作狀態下，輸出電壓穩定。若系統要工作在穩流狀態下，只需通過系統內部的選擇開關，把外環電壓反饋單元關閉，直接把電壓給定信號加到各臺高頻開關電源，由于各臺高頻開關電源本身工作在穩流狀態下，從而可以保證并聯系統的每臺高頻開關電源輸出同等大小電流。

從動態穩定性上看，在設計過程中，先把單臺高頻開關電源設計調整好，使之能穩定的輸出額定電流。然后把各臺并聯連接在一起，加上電壓反饋外環，再按系統設計要求并調整外環，使系統輸出電壓保持穩定。需要注意的是：內環根據其設計指標要逐一開啟和外環連調，等所有的內環調整好后，再把所有內環開啟，與外環一同調節系統的輸出電壓和電流。

4.實驗與結論

應用以上原理，制作了一臺組合式并聯的72KW高頻開關電源。具體參數為：AC380V±10%，穩壓輸出18VDC；限流電流4100ADC；穩流輸出4000ADC；限壓電壓18.5VDC。該并聯系統由五臺單獨的高頻開關電源并聯組合，每臺高頻開關電源都輸出同等的800A/18V。系統在穩壓工作時，即使輸出短路也能限流在4100A穩定工作；穩流工作時，輸出端開路能實現限壓而穩定工作。若為了提高并聯系統的可靠性，還可增加一臺備份。該電源在電鍍行業鍍鉻工藝中現場運行已有近兩年，基本上達到了設計要求，用戶反應良好。

參考文獻

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【關鍵詞】反激式；變壓器；開關電源；PI Expert

1.引言

近年來，開關電源的發展非常迅速。相對于線性電源，開關電源有著體積小、重量輕、效率高、抗干擾強、輸出電壓范圍寬和便于模塊化等優點。開關電源分為隔離和非隔離兩種形式，而隔離式又有正激和反激兩種拓撲結構。

一般在中小功率電源場合，反激式開關電源往往最具性價比，因此被廣泛應用于家電、工業控制、通訊、LED照明等領域。但設計一款具有高性價比的開關電源并非易事，需要設計人員具備豐富的理論知識和實踐經驗。按照傳統的手工設計方法，開關電源需要計算的參數變量非常多，工作量較大。為配合用戶進行開關電源的設計，Power Integrations公司推出了PI Expert電源設計軟件，大大地減輕了設計人員的工作量。該軟件簡單易用，靈活方便，是一種高效的開關電源設計工具。

2.反激式開關電源的基本原理

所謂反激式開關電源，是指當變壓器的初級線圈正好被直流電壓激勵時，變壓器的次級線圈沒有向負載提供功率輸出，而僅在變壓器初級線圈的激勵電壓被關斷后才向負載提供功率輸出，這種變壓器開關電源稱為反激式開關電源。反激式開關電源中的變壓器起著儲能元件的作用，可以看作是一對互相耦合的電感。在實際應用中，反激變換器又經常被設計成不連續導通模式（DCM模式）和連續導通模式（CCM模式），以便根據具體的使用情況實現開關電源的最佳性能[1]。

反激式開關電源一般由電源整流濾波電路，開關芯片，高頻變壓器，漏極箝位電路，反饋電路和輸出濾波電路組成。電源濾波電路一方面消除來自電網的干擾，同時也防止開關電源產生的高頻噪聲向電網擴散。輸入整流電路將電網輸入電壓進行整流濾波，為高頻變壓器提供直流電壓。開關芯片是開關電源的關鍵部分，選擇一款好的開關芯片對開關電源的性能起著重大的作用。變壓器是整個電源的核心，它把直流高電壓變換成低電壓，并且起到將輸出部分與輸入電網隔離的作用。漏極箝位電路的作用是當功率開關管（MOSFET）關斷時，對由高頻變壓器漏感所形成的尖峰電壓進行鉗位和吸收，以防止開關管因過電壓而損壞。反饋電路和輸出濾波電路也是開關電源不可缺少的部分，其設計的好壞直接關系著輸出電壓的穩定性和質量。

3.PI Expert的主要功能和特點

PI Expert是一個自動化的圖形用戶界面（GUI）程序，通過接收用戶輸入的電源規格參數，自動生成基于PI系列IC設計的電源方案。PI Expert提供了構建和測試工作原型所需的一切信息，其中包括輸入電路、器件選擇、器件特性利用、箝位電路以及反饋電路在內的完整示意圖和BOM。PI Expert還提供完整的磁特性設計，也可生成用于機械裝配的詳細繞制說明。PI Expert的最新版本為V9.0。

運用PI Expert設計開關電源有以下幾個步驟：

第一步：用設計向導新建一個設計。在向導中我們需要分別選擇開關電源的拓撲結構，開關芯片、開關頻率、外殼、反饋類型、輸入電壓類型，輸出參數和優化參數。

第二步：選擇主輸出繞組的匝數范圍和磁芯選擇范圍，之后點擊完成設計便可生成一個初步的開關電源電路圖和設計參數列表。

第三步：補充參數。在PI Expert窗口左側的“設計樹試圖”中補充設置一些未設置過的參數，如主輸出電壓，輸出繞組疊加方式，EMI濾波結構等，設置完畢后點擊“開始優化”即可完成。

第四步：手動調整。由于軟件根據自身的算法計算元器件的值，所以存在非標或不常用的問題，這會給物料采購帶來麻煩，這時候需要在合理的范圍內調整器件的值。

設計完成后，PI Expert自動生成電路圖、設計結果表單、電路板布局、材料清單和變壓器構造示意圖，非常方便。

4.設計實例

本文基于PI Expert設計了一款兩路輸出（+5V/250mA，+12V/1A）的反激式開關電源，其輸入電壓為通用寬電壓85～265V。此電源采用PI公司TinySwitch-III系列產品中的TNY280PN作為開關芯片，高頻變壓器使用EE19磁芯，具有輸出過載和短路保護功能。

4.1 電路設計

PI Expert會根據用戶輸入的規格參數自動生成電路原理圖，其中，較為關鍵的參數有：

（1）輸出疊加方式：因為交流疊加式可提供較佳的交叉穩壓和工作效率，故輸出繞組采用交流疊加的方式進行互連。

（2）反饋類型：為了得到較佳的穩壓效果，此處選擇使用TL431作為反饋，并使用偏置繞組進一步減少開關電源的空載功耗。反饋電路的選擇直接決定著輸出電壓的穩壓精度，反饋電路一般有初級反饋和次級反饋，次級反饋又有次級穩壓管和次級TL431兩種電路形式。使用齊納二極管作為參考的次級側反饋電路在溫度變化時通?？商峁┘s±7%的輸出調整率，而帶TL-431的次級側反饋通常可為線電壓和負載漂移提供優于±5%輸出電壓穩壓精度[2]。

（3）漏極箝位電路：PI Expert提供了三類不同的箝位電路。軟件會根據電源的總輸出功率自動選擇最佳的箝位電路。由于此電源輸出功率在20W以下，故采用簡單的穩壓二極管箝位電路。

PI Expert設計完成再手工調整后的開關電源原理圖如圖1所示。

4.2 高頻變壓器設計

設計高頻變壓器是設計開關電源最關鍵的一步。PI Expert在生成原理圖的同時自動生成變壓器的構造圖。調整PI Expert左側“設計樹視圖”中的“變壓器”和“繞組結構”參數即可調整變壓器的參數和結構。設計變壓器時需要注意以下兩點：

（1）為了減低漏感，功率最高的次級繞組應離變壓器的初級繞組最近。若某個次級繞組的圈數較少，則該繞組要橫跨繞線區域的整個寬度，以便改善耦合。

（2）由于此電源采用次級側的穩壓方式，偏置繞組應位于初級繞組和次級繞組之間。當偏置繞組位于初級和次級之間時，它相當于一個連接至初級返回端的EMI屏蔽層，降低了電源產生的傳導EMI。

高頻變壓器的最終設計參數[3]如下：

磁芯型號：EE19

初級電感：880uH

初級繞組：漆包線，Φ0.2mm，87匝

偏置繞組：漆包線，Φ0.25mm，10匝

次級繞組1：三層絕緣線，Φ0.4mm，4匝

次級繞組2：三層絕緣線，Φ0.4mm，5匝

繞組順序（由里向外）：初級繞組，次級繞組2，次級繞組1，偏置繞組。

5.試驗結果及分析

根據以上的設計參數實際制作硬件進行試驗。

在額定負載情況下，當輸入電壓為220V時，實測開關電源的輸出電壓波形如圖2所示。從圖上可以看出，開關電源的輸出特性良好，電壓波動非常小。再測輸出的紋波波形如圖3所示，由圖上可以看出，5V的紋波普遍在±100mV左右，12V的紋波在±100mV以下，效果理想。額定負載情況下，當輸入電壓為85V時，測試輸出電壓的波動和紋波均在允許范圍內，未出現電源復位重啟現象；當輸入電壓為265V時，測試輸出電壓的波動和紋波均在允許范圍內，未出現電源復位重啟現象；再對電源作保護功能的測試。使開關電源的輸出過載或短路時，開關電源進入2.5s間隔的自動復位重啟保護；輸出負載正常時開關電源恢復正常工作。

6.結語

試驗證明本文基于PI Expert設計的反激式開關電源具有良好的工作性能和高可靠性。該電源結構簡單，具有輸出過載和短路等保護功能。PI Expert是一款高效的設計工具，借助PI Expert軟件可以大大縮短開關電源的開發周期。

參考文獻

[1]周志敏，周紀海，紀愛華.開關電源實用電路[M].北京：中國電力出版社，2006.

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關鍵詞：開關電源 重啟 反激式電源

中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）11-0073-01

開關電源具有高效率、低功耗、體積小、重量輕等顯著優點，其電源效率可達到80%以上，遠遠高于傳統的線性穩壓電源從而使得開關電源應用領域十分廣泛。根據負載功率的不同，往往采用自激振蕩式，即反激式和正激式不同的方法。隨著開關電源的使用的不斷發展，反激式開關電源也在更多的領域使用，但該開關經常存在著不斷重啟的缺點，導致設備工作不夠穩定，所以，探索和研究有效的技術策略，就有著非常重要的意義。

1 反激式電源的基本原理

本文以其中一種反激式開關電源為例進行說明。該電源通過220V電壓供電，通過整流橋整流和電容濾波將交流電變成直流電，通過兩個1M歐的電阻限流給LD7535啟動電流，LD7535啟動，控制MOSFET，不斷開關，形成高頻開關電壓來使變壓器工作，變壓器通過芯片供電繞組給芯片供電，通過副繞組轉換成為想要得到的高頻電壓，再通過高頻二極管整流，形成需要得到的電壓，同時通過TL431中的內部設定基準電壓（2.5V）和電阻的串聯分壓來設定輸出電壓，并通過光電耦合器來進行反饋調節。

其中NTC為防止啟動時電流過大，電阻R5和電阻R8負責啟動時對LD7535供電，啟動后改為變壓器通過R9和D5給予供電，C8和C8A負責儲能。R6的10歐姆電阻防止MOS管的電壓斜率過于陡峭，R1大功率小電阻負責電流檢測，從而改變保護電流；R19和C9串聯防止TL431自激，R20和R21為了確定輸出電壓。

2 LD7535特點及其在反激式電源中的應用

但是，在反激電源制作過程中會遇到開關電源空載時不斷重啟的過程，并且伴隨著這種現象，往往能夠聽到變壓器的響聲。其空載不斷重啟，需要通過LD7535控制器加以技術改進。

LD7535是一種低成本，低啟動電流，電流模式，PWM控制的省電模式控制器，具有包括電流檢測的前沿消隱、內部斜率補償，采用SOT-26封裝。常用于高效率，較少元器件的AC/DC電源設備。其特點是高壓CMOS工藝，具有優良的ESD保護，僅需要極低的啟動電流（

各個引腳定義為：第1引腳GND，接地端，第2引腳COMP，電壓反饋引腳，通過連接光電耦合器，以使控制環路閉合，實現調節，第3引腳RT，設置開關頻率，通過連接一個電阻對地設置開關頻率，第4引腳CS，位電流檢測引腳，連接到感應電流MOSFET，第5引腳VCC，為電源電壓引腳，第6引腳OUT，柵極驅動輸出，以驅動外部MOSFET。

3 重啟的解決方法

在反激電源制作過程中開關電源空載時不斷重啟的原因是由于IC供電不足或者光耦供電不足引起。對于此種不斷重啟的現象，有以下幾點方法進行克服。

3.1 設立假負載

設立假負載是最有效的解決開關電源不斷重啟的方法，只需要在輸出端增加一個大電阻，使得開關電源一直處于工作狀態，這種方法簡單易行，對產品的價格也沒有太大影響，但是這種方法會對開關電源真正的使用轉換效率有一定的影響，造成轉換效率有所降低，對于轉換效率要求不是很高的或者需要大電流輸出的開關電源來說最為合適。

3.2 采用較好的二極管對芯片供電

出現不斷重啟的原因往往是供電芯片的供電電壓介于滿足啟動和不滿足啟動的臨界狀態，當采用較好的供電二極管（D7）時，如FR107二極管，可以提高了二極管的開關速度，并且也降低供電二極管的管壓降，從而能夠滿足控制芯片的供電電壓，從而解決二極管不斷重啟的現象。

3.3 采用增加芯片供電繞組的匝數

采用增加對芯片供電繞組的匝數對產品價格沒有太大影響，也不會增加產品工序，但是由于繞組匝數的增加會增加變壓器的電感量，造成變壓器性能有一定的改變，致使很多參數需要重新計算或修訂，更嚴重的會造成變壓器不適合本產品而需要重新設計變壓器。

4 結語

本文通過一個具體的電路設計為例，簡要的說明針對開關電源不斷重啟現象的一些改進的方法。本文并通過實際使用，證明了其有效性。

參考文獻

[1]張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京：電子工業出版社，1998.

篇6

開關K 以一定的頻率重復的接通或斷開。在開關K 接通時，輸入電源通過開關K 和濾波電路向負載提供能量；當開關K斷開時，輸入電源便中斷了能量的供給。開關電源的示意圖如圖2-1所示。

為了使負載能夠得到連續的能量，開關電源就必須有一套儲能裝置，以便在開關K 接通時將一部分能量儲存起來，當開關K 斷開后再將儲存的能量提供給負載。圖2-1中的電感L、電容C和二級管D 組成的電路就具有這樣的功能。當開關K 接通時，電感L 用以儲存能量，開關K 斷開時，儲存在電感L中的能量通過二級管D 釋放給負載，從而使負載得到連續而又穩定的能量。

當電子開關K按一定的頻率開關時，導通時間越長，輸出電壓越高；導通時間越短，輸出電壓越低。通常，開關電源就是這樣在開關頻率一定的情況下，通過調整開關時間的長短。控制輸出電壓的高低。目前，也有的開關電源采用開關時間長短恒定，通過改變開關頻率來改變輸出電壓的高低。

圖2-1 開關電源示意圖

開關電源的形式有很多種，其中尤其以脈沖寬度調制型（PWM）最為盛行，現在就以此種形式的開關電源介紹以下開關電源的工作原理。

采用PWM技術的開關電源原理機構如圖2-2所示，從電網將能量傳遞給負載的回路稱為主回路，其余稱為控制回路。

工頻電網交流電壓經過輸入整流濾波電路，得到高波紋未調直流電壓，在經功率轉換電路，變換成符合要求的矩形波脈動電壓，最后經過整流濾波電路將其平滑成連續的低波紋直流電壓。

圖2-2 PWM方式開關電源框圖

控制回路在提供高壓開關T管基極驅動脈沖的同時，需要完成輸出電壓穩壓的控制，而且還必須能對電源或負載提供保護。它通常由檢測比較放大電路、電壓-脈沖寬度轉換電路（V/W電路）、時鐘震蕩電路，以及自用電壓源等基本電路構成。

對于PWM方式而言，將頻率固定的震蕩源稱為時鐘震蕩器，這種電源利用檢測電路反映輸出電壓值，通過和給定參考電壓比較并產生誤差信號，在經過V/W電路調制脈沖寬度——調節輸出電壓。例如，由于某種原因（負載電流減小或電網電壓上升）使高頻變壓器副邊輸出電壓的平均值增大，電源輸出電壓也將隨之提高，反饋檢測電路將提高了輸出電壓和基準電壓進行比較，并產生負積極性的誤差電壓，V/W電路根據該誤差電壓及時減小輸出脈寬，這樣使輸出電壓平均值減小，接近原來的數值，從而實現穩壓的作用。

開關電源的分類

在電子技術和應用飛速發展的今天, 對電子儀器和設備的要求是, 在性能上更加安全可靠, 在功能上不斷增加, 在使用上自動化程度要越來越高, 在體積上日趨小型化。這使采用具有眾多優點的開關電源就顯得更加重要。所以, 開關電源在計算機、通信、航天、彩電等方面都得到了越來越廣泛的應用, 發揮了巨大的作用, 這大大促進了開關電源的發展, 從事這方面研究和生產的人員也在不斷地增加, 開關電源的品種和類型也越來越多。常見的開關電源的分類方法有下列幾種:

1.按激勵方式劃分 分為他激式和自激式。他激式開關電源電路中專設激勵信號振蕩器；自激式開關功率管兼作振蕩管。該形式的開關電源電路結構簡單, 元器件少, 可以做成低成本的開關電源。

2.按調制方式劃分 分為脈寬調制型、頻率調整型和混合調整型。脈寬調制型保持振蕩頻率保持不變, 通過調節脈沖寬度來改變輸出電壓的大??；頻率調整型保持占空比保持不變(脈沖寬度保持不變) , 通過改變振蕩頻率來改變輸出電壓大小；混合調整型是脈沖寬度和振蕩頻率均可進行調節的開關電源。

3．按開關管電流的工作方式劃分 分開關型和諧振型。開關型用開關晶體管把直流變成高頻標準方波, 其電路形式類似于他激式；諧振型用開關晶體管與LC諧振回路將直流變成標準正弦波, 其電路形式類似于自激式開關電源。

4．按開關晶體管的類型劃分 分為晶體管型和可控硅型。晶體管型采用晶體管(包括場效應管)作為開關功率管；可控硅型采用可控硅作為開關功率管。這種電路的特點是直接輸入交流電壓, 不需要一次整流部分。

5．按儲能電感與負載的連接方式劃分 分串聯型和并聯型。串聯型儲能電感串聯在輸入與輸出電壓之間；并聯型儲能電感并聯在輸入與輸出電壓之間。

6．按晶體管的連接方法劃分 分為單端式、推挽式、半橋式和全橋式。單端式僅使用一個晶體管作為電路中的開關管。這種電路的特點是價格低、電路結構簡單, 但輸出功率不能提高；推挽式使用兩個功率開關管, 將其連接成推挽功率放大器的形式。這種電路的特點是可以工作在電源電壓較低的場合, 一般逆變器多采用這種形式的電路, 但它的缺點是開關變壓器的初級必須具有中心抽頭；半橋式使用兩個功率開關管, 將其連接成半橋形式。它的特點是適應于輸入電壓較高的場合；全橋式使用四個功率開關管,將其連接成全橋的形式。它的特點是輸出功率較大。

7．按電路結構劃分 分為散件式和集成電路式。散件式整個開關電源電路都是采用分立式元器件組成的。這種電路的缺點是電路結構較為復雜；集成電路式整個開關電源電路或電路的一部分是由集成電路組成的。這種集成電路通常被稱為厚膜電路,有的厚膜集成電路中包括功率開關管, 有的則不包括。這種形式的電源的特點是電路結構簡單、調試方便、可靠性高。這種電路被廣泛地應用于彩色電視中。

以上五花八門的開關電源品種都是站在不同的角度, 以開關電源不同的特點命名和劃分的。不論是激勵方法、輸出直流電壓的調節手段、儲能電感的連接方法、功率開關管的器件種類以及串并聯結構, 還是其他的電路形式,它們最后總可以歸結為串聯型和并聯型開關電源這兩大類[4]。

開關電源優缺點

開關電源的優點

1．功耗小、效率高 開關電源結構原理方框圖中的晶體管在激勵信號的驅動下,其工作狀態處于導通—截止和截止—導通的開關狀態,轉換速度很快, 頻率一般為50kHz左右。在一些技術先進的國家, 可以做到幾百或者上千kHz。晶體管V飽和導通時,雖然電流較大,但管壓降很小;截止斷開時, 雖然管壓降很大,但通過的電流幾乎為零。這就使得開關晶體管V 在其整個工作過程中的功耗很小,電源的效率可以大幅度地提高。

2．體積小、重量輕 沒有了笨重的工頻降壓變壓器。由于調整管上的耗散功率大幅度地降低, 因而省去了體積和重量都較大的散熱片。由于這兩方面的原因, 故開關電源的體積小、重量輕。

3．穩壓范圍寬 開關電源的輸出電壓是通過激勵信號的占空比來調節的, 輸入電壓的波動變化, 可以通過改變占空比的方式來進行補償, 這樣在輸入電壓變化或波動較大時, 它仍能保證有較穩定的輸出電壓。所以, 開關電源的穩壓范圍很寬, 穩壓效果較好。此外,改變占空比的方法有脈寬調制型、頻率調制型和混合調制型三種。這樣開關電源不僅具有穩壓范圍寬的優點, 而且實現穩壓的方法也較多較靈活,設計人員可以根據實際應用的需要和要求, 靈活選用各種形式的穩壓方法。

4．濾波效率高,不需要較大容量的濾波電容 開關電源的工作頻率目前基本上是工作在50kHz 左右, 是線性電源的1000倍, 這使整流后的濾波效率幾乎也提高了1000倍。就是采 用半波整流后加電容濾波, 效率也提高了500倍。在相同波紋輸出電壓的要求下,采用開關電源時, 濾波電容的容量只是線性電源中濾波電容容量的1/500～1/1000。濾波電容容量

減小以后, 整個電源的體積和重量也相應地有所減小。

5．電路形式靈活多樣 例如：有自激式和他激式；有調寬型和調頻型; 有單端式和雙端式; 有開關元件為晶體管式和開關元件為可控硅式等等。設計者可以發揮各種類型電路的特長, 設計出能滿足各種不同應用場合的開關電源。

開關電源的缺點

開關電源最為突出的缺點就是開關干擾較為嚴重。開關電源中的開關功率管是工作在開關狀態下, 它產生的交流電壓和電流會通過電路中的其他元器件產生尖峰干擾和諧振干擾, 這些干擾如果不采取一定的措施進行抑制、消除、屏蔽和隔離,就會嚴重地影響整機的正常工作。此外, 由于開關電源中沒有了工頻降壓變壓器的隔離, 振蕩器所產生的高頻干擾如果不加以消除, 就會串入工頻電網, 使附近的其他電子儀器、設備和家用電器受到嚴重的干擾。

目前,由于國內微電子技術、阻容器件生產技術以及磁性材料技術與

一些技術先進的國家還有一定的差距, 因此開關電源的造價不能進一步降低, 也影響到可靠性的進一步提高。所以, 在我國的電子儀器以及機電一體化儀器中, 開關電源還不能得到普及使用。特別是無工頻變壓器開關電源中的高壓電容、高反壓大功率開關管、開關變壓器的磁性材料等元件,我國還處于研究和開發階段。一些先進的國家,雖然有了一定的發展,但是在實際應用中還存在一些問題, 不能令人十分滿意。這就暴露出了開關電源的又一個缺點, 那就是電路結構復雜、故障率高、維修麻煩、成本高。對此, 如果設計者和制造者不予以充分重視,則會直接影響開關穩壓電源的推廣應用。

軟開關技術簡介

硬開關與軟開關

現代電力電子裝置的發展趨勢是小型化、輕量化，同時對裝置的效率和電磁兼容性也提出了更高的要求。通常，濾波電感、電容和變壓器在裝置的體積和重量中占很大比例。因此必須設法降低他們的體積和重量，才能達到裝置的小型化、輕量化。從“電路”的有關知識中可以知道，提高工作頻率可以減少變壓器各繞組間的匝數，并減小鐵心的體積，從而使變壓器小型化。因此裝置小型化、輕量化的直接途徑就是電路的高頻化。但在提高開關頻率的同時，開關損耗也會隨之增加，電路效率嚴重下降，電磁干擾也增大了，所以簡單的提高開關頻率是不行的。

（a）硬開關的開通過程（b）硬開關的關斷過程

圖 2-3 硬開關的開關過程

針對這些問題出現了軟開關技術，他利用以諧振為住的輔助換流手段，解決了電路中的開關損耗和開關噪聲問題，使開關頻率可以大幅度提高。

在很多電路中，開關元件在電壓很高或電流很大的條件下，在門極的控制下開通或關斷，起典型的開關過程如圖2-3所示。開關過程中電壓、

電流均不為零，出現了重疊，因此導致了開關損耗。而且電壓和電流的變化很快，波形出現了明顯的過沖，這導致了開關噪聲的產生。具有這樣的開關過程的開關稱為硬開關。

在硬開關過程中會產生較大的開關損耗和開關噪聲。開關損耗隨著頻率的增加，使電路效率下降，阻礙了開關頻率的提高；開關噪聲給電路帶來嚴重的電磁干擾問題，影響周邊電子設備的工作。

通過在原來的開關電路中增加很小的電感，電容等諧振元件，構成輔助換流網絡，在開關過程中引入諧振過程，開關開通前電壓降為零，或關斷前電流降為零，就可以消除開關過程中電壓、電流的重疊，降低他們的變化率，從而大大減小甚至消除損耗和開關噪聲，這樣的電路稱為軟開關電路。軟開關電路中典型的開關過程如圖2-4所示。具有這樣開關過程的開關稱為軟開關。開關損耗理論上為零[5]。

（a）軟開關的開通過程 （b）軟開關的關斷過程

圖2-4軟開關的開關過程

軟開關的分類

根據電路中主要開關元件是零電壓開通還是零電流關斷，可以將軟開關電路零電壓電路和零電流電路兩大類。通常，一種開關電路要么屬于零電壓電路，要么屬于零電流電路。但在有些情況下，電路中有多個開關，有些開關工作在零電壓的條件下，而另一些開關工作在零電流的條件下。

根據軟開關技術的發展歷程可以將軟開關電路分成準諧振電路、零開關PWM電路和零轉換PWM電路。下面分別介紹上述三類軟開關電路。

1.準諧振電路

這是最早出現的軟開關電路，其中有些現在還在大量使用。準諧振電路可分為

(1)零電壓開關準諧振電路；

(2)零電流開關準諧振電路；

(3)零電壓開關多諧振電路；

(4)用于逆變器的諧振直流環電路。

2.零開關PWM電路

這類電路中引入了輔助開關來控制諧振的開始時刻，使諧振僅發生與開關過程前后。零開關PWM電路可以分為

1）零電壓開關PWM電路；

2) 零電流開關PWM電路和準諧振電路相比，這類電路有很多明顯的優勢：電壓和電流基本上是方波，只是上升沿和下降沿較緩，開關承受的電壓明顯降低，電路可以采用開關頻率固定的PWM控制方式。[5]這兩種電路的基本開關單元如圖2-5。

(a) 零電壓開關PWM基本開關單元 (b) 零電流開關PWM基本單元

圖2-5 零開關PWM電路的基本開關單元

3.零轉換PWM電路

這類軟開關電路還是采用輔助開關控制諧振時刻的開始時刻，所不同的是，諧振電路是與主開關并聯的，因此輸入電壓和負載電流對電路諧振過程的影響很小，電路在很寬的輸入電壓輸入范圍內并從零負載到滿載都能工作在軟開關狀態。而且電路中無功功率的交換被削減到最小，使這種電路的效率進一步提高。

零轉換電路可分為：

(1)零電壓轉換PWM電路；

(2)零電流轉換PWM電路。

基本開關單元如圖2-6。

(a) ZVT PWM開關單元 (b)ZCT PWM 開關單元

圖2-6 零轉換PWM電路的基本開關單元

篇7

Abstract： With the development of power electronic technology， higher requirements have been put forward for the design of LED switching power supply： safety performance， complete function， automation， small size. In LED switching power supply， the switch tube is working in on-off state， which will produce strong peaks and harmonic interference through its components. Electromagnetic interference will seriously affect the performance of the circuit， and at the same time can cause noise pollution. Aiming at this problem， EMI filter is proposed， which has greatly improved the performance of the circuit. And the effectiveness of the scheme is verified by experiment.

關鍵詞：EMI濾波器；電磁干擾；LED的開關電源

Key words： EMI filter；electromagnetic interference；LED switching power supply

中圖分類號：TN713 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）18-0133-02

0 引言

LED的開關電源已經被廣泛的應用于家用電器、自動控制電路、計算機等領域，由于其具有效率高、體積小、重量輕、智能化、穩壓范圍較寬等優勢。LED的開關電源具有與生俱來的比較強的電磁干擾現象，這些干擾會隨著頻率的升高而顯著的增強，電磁干擾會嚴重影響電源的正常工作，會造成電源內部工作的不穩定，使電源性能下降，同時產生的噪聲會造成噪聲污染。為了抑制LED電源的噪聲干擾，此處提出了電磁兼容性設計，很好的解決了噪聲污染的問題。

1 電磁干擾分析

電磁兼容性是用來衡量電磁干擾的能力，指的是在電磁環境中，能正常工作，不受外界環境的干擾，也不會影響中衛環境的能力。其包括兩個方面的含義，即系統產生的電磁干擾，不影響本身和其他系統的性能；本系統的抗干擾能力要使其不受其他系統干擾和影響。電磁兼容性不足就會引起電磁干擾，為了使LED電源發揮更大的優勢，就必須改善電源的電磁兼容的性能。差模、共模干擾是電磁干擾的兩種不同類型。兩條電源線之間的電磁干擾，通常被稱之為差模干擾，差模干擾受干擾的信號兩根進線上的參考點方向相反，大小相同。電源線對大地之間的電磁干擾，通常被稱之為共模干擾，共模干擾受干擾的信號電源線對大地的參考點方向相同，大小也相同。高頻開關電源中電磁干擾主要是由于外部的高次諧波和內部的噪聲干擾所引起的。只有解決好這兩方面的電磁干擾，才能使得開關電源正常的工作。文章當中采用EMI濾波器來解決此問題。

6 結語

對LED開關電源中電磁干擾進行了分析，介紹了EMI濾波器的原理，在此基礎上，給出了電磁兼容的設計和相應的實驗結果。證明了EMI濾波器對于設計LED開關電源的重要性，很好的解決了噪聲污染的問題。

參考文獻：

[1]張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京：電子工業出版社，2005：109-180.

[2]Rxu，J.Wei，and F.C.Lee.The Active-Clamp Couple-Buck Converter-A Novel High Efficiency Voltage Regulator Modules[J].IEEE APEC， 2001： 252-257.

[3]何宏，魏克新，王紅君，李麗.開關電源電磁兼容性[M].北京：國防工業出版社，2008：116.

篇8

關鍵詞： 開關電源； 單端反激； 高頻變壓器； 雙反饋

中圖分類號： TN702?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

單片開關電源自問世以來，以其效率高，體積小，集成度高，功能穩定等特點迅速在中小功率精密穩壓電源領域占據重要地位。美國PI公司的TOPSwitch系列器件即是一種新型三端離線式單片高頻開關電源芯片，開關頻率fs高達100 kHz，此芯片將PWM控制器、高耐壓功率MOSFET、保護電路等高度集成，連接少許器件即可使用[1?2]。本文介紹了一種基于TOP223Y輸出為+5 V/3 A，+12 V/1 A的單端反激式開關電源的設計原理和方法。

1 設計原理

開關電源是涉及眾多學科的一門應用領域，通過控制功率開關器件的開通與關閉調節脈寬調制占空比達到穩定輸出的目的，能夠實現AC/DC或者DC/DC轉換。

TOP223Y共三個端：控制極C、源極S、漏極D。因只有漏極D用作脈寬調制功率控制輸出，故稱單端；高頻變壓器在功率開關導通時只是將能量存儲在初級繞組中，起到電感的作用，在功率開關關閉時才將能量傳遞給次級繞組，起變壓作用，故稱反激式[1]。

圖1 開關電源控制原理框圖

電路功能部分主要由輸入/輸出整流濾波、功率變換、反饋電路組成。工作原理簡述為：220 V市電交流經過整流濾波得到直流電壓，再經TOP223Y脈寬調制和高頻變壓器DC?AC變換得到高頻矩形波電壓，最后經輸出整流濾波得到品質優良的直流電壓，同時反饋回路通過對輸出電壓的采樣、比較和放大處理，將得到的電流信號輸入到TOP223Y的控制端C，控制占空比調節輸出，使輸出電壓穩定。

2 設計要求

設計作為某智能儀器的供電電源，具體的參數要求如下：交流輸入電壓最小值：VACMIN=85 V；交流輸入電壓最大值：VACMAX=265 V；輸出：U1：+5 V/3 A；U2：+12 V/1 A；輸出功率：Po=27 W；偏置電壓：VB=12 V；電網頻率fL=50 Hz；開關頻率fs=100 kHz；紋波電壓：小于100 mV；電源效率：η大于80%；損耗分配因數Z為0.5；功率因數為0.5。

3 設計實例

本設計是基于TOP223Y的多路單端反激式開關電源，性能優越，便于集成。電路原理如圖2所示，可分為輸入保護電路、輸入整流濾波電路、鉗位保護電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路、反饋回路、控制電路7個部分。

圖2 開關電源電路原理圖

3.1 輸入保護電路

由保險絲F1、熱敏電阻RT和壓敏電阻RV組成，對輸入端進行過電壓、過電流保護。

保險絲F1用于當線路出現故障產生過電流時切斷電路，保護電路元器件不被損壞，其額定電流IF1按照IF1>2IACRMS選擇3 A/250 VAC保險絲，其中IACRMS為原邊有效電流值。熱敏電阻RT用以吸收開機浪涌電流，避免瞬間電流過大，對整流二極管和保險絲帶來沖擊，造成損壞，加入熱敏電阻可以有效提高電源設計的安全系數，其阻值按照RRT1>0.014VACMAX/IACRMS選擇10D?11（10 Ω/2.4 A）。壓敏電阻RV能在斷開交流輸入時提供放電通路，以防止大電流沖擊，同時對沖擊電壓也有較好鉗位作用。RV選取MY31?270/3，標稱值為220 V。

3.2 輸入整流濾波電路

由EMI濾波電路、整流電路、穩壓電路組成。

EMI濾波電路針對來自電網噪聲干擾。采用由L1，CX1，CX2，CY1，CY2構成典型的Π型濾波器。

CX1和CX2用來濾除來自電網的差模干擾，稱為X電容，通常取值100～220 nF，這里取100 μF；CY1和CY2用來濾除來自電網的共模干擾，稱為Y電容，通常取值為1～4.7 nF，這里取2.2 nF；同樣用來消除共模干擾的共模電感L1的取值8～33 mH，這里取8 mH，采取雙線并繞。

輸入整流電路選擇不可控全波整流橋。整流橋的反向耐壓值應大于1.25倍的最大直流輸入電壓，整流橋的額定電流應大于兩倍的交流輸入的有效值，計算后選擇反向擊穿電壓為560 V，額定電流為3 A的KBP306整流橋。

在當前的供電條件下，輸入儲能電容器CIN的值根據輸出功率按照2～3 μF/W來取值，考慮余量，取CIN=100 μF/400 V的電解電容。假設整流橋中二極管導通時間為tc=3 ms，可由：

（1）

（2）

得到輸入直流電壓的最小值和最大值。

3.3 鉗位保護電路

當功率開關關斷時，由于漏感的影響，高頻變壓器的初級繞組上會產生反射電壓和尖峰電壓，這些電壓會直接施加在TOPSwitch芯片的漏極上，不加保護極容易使功率開關MOSFET燒壞。加入由R1、C2和VD1組成經典的RCD鉗位保護電路，則可以有效地吸收尖峰沖擊將漏極電壓鉗位在200 V左右，保護芯片不受損壞。推薦鉗位電阻R1取27 kΩ/2 W，VD1鉗位阻斷二極管快恢復二極管耐壓800 V的FR106，鉗位電容選取22 nF/600 V的CBB電容。

3.4 高頻變壓器

3.4.1 磁芯的選擇

磁芯是制造高頻變壓器的重要組成，設計時合理、正確地選擇磁芯材料、參數、結構，對變壓器的使用性能和可靠性，將產生至關重要的影響。高頻變壓器磁芯只工作在磁滯回線的第一象限。在開關管導通時只儲存能量，而在截止時向負載傳遞能量。因為開關頻率為100 kHz，屬于比較高的類型，所以選擇材料時選擇在此頻率下效率較高的鐵氧體，由：

（3）

估算磁芯有效截面積為0.71 cm2，根據計算出的考慮到閾量，查閱磁芯手冊，選取EE2825，其磁芯長度A=28 mm，有效截面積SJ=0.869 cm2，有效磁路長度L=5.77 cm，磁芯的等效電感AL=3.3 μH/匝2，骨架寬度Bw=9.60 mm。

3.4.2 初級線圈的參數[3]

（1）最大占空比。根據式（1），代入數據：寬范圍輸入時，次級反射到初級的反射電壓VoR取135 V，查閱TOP223Y數據手冊知MOSFET導通時的漏極至源極的電壓VDS=10 V，則：

（4）

（2）設置。KRP=，其中IR為初級紋波電流；IP為初級峰值電流；KRP用以表征開關電源的工作模式（連續、非連續）。連續模式時KRP小于1，非連續模式KRP大于1。對于KRP的選取，一般由最小值選起，即當電網入電壓為100 VAC/115 VAC或者通用輸入時，KRP=0.4；當電網輸入電壓為230 VAC時，取KRP=0.6。當選取的KRP較小時，可以選用小功率的功率開關，但高頻變壓器體積相對要大，反之，當選取的KRP較大時，高頻變壓器體積相對較小，但需要較大功率的功率開關。對于KRP的選取需要根據實際不斷調整取最佳。

（3）初級線圈的電流

初級平均輸入電流值（單位：A）：

（5）

初級峰值電流值（單位：A）：

（6）

初級脈動（紋波）電流值（單位：A）：

初級有效電流值（均方根值RMS（單位：A））：

（7）

查閱手冊，由：

（8）

可知，選取合適。TOPSwitch器件的選擇遵循的原則是選擇功率容量足夠的最小的型號。

（4）變壓器初級電感

（9）

（5）氣隙長度

（10）

Lg>0.051 mm，參數合適，μy為常數4π×10?7 H/m。

3.4.3 初級次級繞組匝數[4]

當電網電壓為230 V和通用輸入220 V時：每伏特取0.6匝，即KNS=0.6。由于輸出側采用較大功率的肖特基二極管用作輸出整流二極管，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范圍內。偏置二極管VDB的壓降取0.7 V，偏置電壓VB取12 V。

初級繞組匝數：

（10）

次級繞組匝數：

（11）

（12）

偏置繞組匝數：

（13）

3.5 輸出整流濾波電路

由整流二極管、濾波電容和平波電感組成。將次級繞組的高頻方波電壓轉變成脈動的直流電壓，再通過輸出濾波電路濾除高頻紋波，使輸出端獲得穩定的直流電壓。肖特基二極管正向導通損耗小、反向恢復時問短，在降低反向恢復損耗以及消除輸出電壓中的紋波方面有明顯的性能優勢，所以選用肖特基二極管作為整流二極管，參數根據最大反向峰值電壓VR選擇，同時二極管的額定電流應該至少為最大輸出電流的3～5倍。次級繞組的反向峰值電壓VSM為：

（14）

（15）

式中：VS為次級繞組的輸出電壓；VACMAX為輸入交流電壓最大值，則：

（16）

（17）

則VR1=22 V，VR2=57.1 V，VD2，VD3，VD4均選擇MBR1060CT，最大反向電壓60 V，最大整流電流10 A。RC串聯諧振可以消除尖峰脈沖，防止二極管擊穿。

第一級濾波電容的選擇由式（18）確定：

（18）

式中：Iout是輸出端的額定電流，單位為A；Dmin是在高輸入電壓和輕載下所估計的最小占空比（估計值為0.3）；V（PK?PK）是最大的輸出電壓紋波峰峰值，單位為mV。計算得出后考慮閾值C6取100 μF/10 V，C8取220 μF/35 V。

第二級經LC濾波使不滿足紋波要求的電壓再次濾波。輸出濾波電容器不僅要考慮輸出紋波電壓是否可以滿足要求，還要考慮抑制負載電流的變化，在這里可以選擇C7取22 μF/10 V，C9取10 μF/35 V。C5取經驗值0.1 μF/25 V。輸出濾波電感根據經驗取2.2～4.7 μH，采用3.3 μH的穿心電感，能主動抑制開關噪聲的產生。為減少共模干擾，在輸出的地與高壓側的地之間接共模抑制電容C15。

3.6 反饋回路設計

開關電源的反饋電路有四種類型：基本反饋電路、改進型基本反饋電路、配穩壓管的光耦反饋電路、配TL431的光耦反饋電路。本設計采用電壓調整率精度高的可調式精密并聯穩壓器TL431加線形光耦PC817A構成反饋回路。

TL431通過電路取樣電阻來檢測輸出電壓的變化量ΔU，然后將采樣電壓送入TL431的輸入控制端，與TL431的2.5 V參考電壓進行比較，輸出電壓UK也發生相應變化，從而使線性光電耦合器中的發光二極管工作電流發生線性變化，光電耦合器輸出電流。

經過光電耦合器和TL431組成的外部誤差放大器，調節TOP223Y控制端C的電流IC，調整占空比D（IC與D成反比），從而使輸出電壓變化，達到穩定輸出電壓的目的。

對于電路中的反饋部分，開關電源反饋電路僅從一路輸出回路引出反饋信號，其余未加反饋電路。這樣，當5 V輸出的負載電流發生變化時，定會影響12 V輸出的穩定性。

解決方法是給12 V輸出也增加反饋電路。另外，電路中C10為TL431的頻率補償電容，可以提高TL431的瞬態頻率響應。R5為光電耦合器的限流電阻，R5的大小決定控制環路的增益。電容器C13為軟啟動電容器，可以消除剛啟動電源時芯片產生的電壓過沖。

下面主要是確定R4～R8的值：

按照應用要求，對5 V電源要求較高，但也要兼顧12 V電源，權衡反饋量，將R7，R8的反饋權值均設置為0.6，0.4，各個輸出的穩定性均得到保障和提高。

只有5 V輸出有反饋時，如R4，R7取值均為10 kΩ，此時電流=250 μA，分權后，R7分得150 μA、R8分得150 μA。根據TL431的特性知，Vo，VREF，R7，R8，R4之間存在以下關系：

（19）

（20）

式中：VREF為TL431參考端電壓，為2.5 V；Vo為TL431輸出電壓。根據電流分配關系得（單位：kΩ）：

（21）

（22）

又由電路可知 ：

（23）

式中：VF 為光耦二極管的正向壓降，由PC817技術手冊知，典型值為1.2 V。先取R5=390 Ω，可得R6=139 Ω，取標稱值150 Ω。

3.7 控制回路

由電容C7和電阻R12串聯組成。C9用來濾除控制端的尖峰電壓并決定自動重啟動時序，并和R12一起設定控制環路的主極點為反饋控制回路進行環路補償。由數據手冊知，C9選擇47 μF/25 V的電解電容，當C9 =47 μF時，自動重啟頻率為1.2 Hz，即每隔0.83 s檢測一次調節失控故障是否已經被排除，若確認已被排除，就自動重啟開關電源恢復正常工作[1]。R12取6.2 Ω。

4 實驗結果及分析

根據以上的設計方法和規范，設計出的一種基于TOP223Y雙路+5 V/3 A，+12 V/1 A輸出的反激式開關電源。在寬范圍85～265 VAC的輸入范圍下對其性能進行了測試，如表1所示。

表1 開關電源輸入性能測試數據（部分）

由以上選取的實驗數據得出，+5 V/3 A（反饋權重0.6，負載500 Ω）輸出的電壓調整率為SV = ±0.18%，輸出的紋波電壓為39 mV，輸出的最大電流為3.2 A；

+12 V/1 A（反饋權重0.4，負載750 Ω）輸出的電壓調整率為SV = ±0. 3%，輸出的紋波電壓為68 mV，輸出的最大電流為1.10 A。

該電源在滿載狀態時，功率可達27.6 W，最大占空比為0.60， 電源效率為83.1%，開關電源具有良好的性能，滿足應用要求。

6 結 語

本開關電源的設計，芯片的高度集成化，電路設計簡單。電源的性能通過參數的調節仍有提升的空間。雙輸出雙反饋異權重的設計使開關電源的更加實用靈活，不同的保護電路的設計，使電源的實用更加安全可靠，該電源在實際應用中表現良好。

參考文獻

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[6] 房雪蓮.基于UC3845的非隔離反激式輸出可調開關電源設計[J].現代電子技術，2012，35（16）：174?177.

篇9

關鍵詞：電源開關 并聯 供電

中圖分類號：TN710 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2013）09-0099-01

在諸如計算機服務器、通信基塔、空間站等要求大功率、高效安全可靠、不間斷供電的電源系統場合，假如使用單個開關電源模塊供電，那么開關電源模塊主電路需要處理非常大的功率，所承受的電應力大，這給主電路功率器件的選擇、開關頻率和功率密度的提供造成了不便，并且一旦開關電源模塊發生故障，則將可能造成整個電源系統崩潰。采用多個開關電源模塊并聯運行，來提高輸出功率，以減輕單個電源模塊的負擔，是目前開關電源系統發展的一個方向。

多個開關電源模塊并聯運行雖然提高了可靠性，并能實現電路模塊標準化等優點，但是并聯工作的各個電源模塊特性不可能完全一樣，若不采取處理可能會影響其中的模塊承受較大的輸出電流，引起分配電流不均，導致該模塊甚至整個電源系統的故障。因此，在多模塊并聯運行系統中必須引入有效的均流控制策略，從而使各模塊均勻地承擔負載功率，提高系統的可靠性。

1 DC-DC模塊設計方法及實現方案

本系統實驗電路采用TI公司的開關降壓轉換集成芯片TPS5430構成DC-DC主電路，TPS5430內部集成PWM產生電路、高位場效應管驅動電路以及110m歐低導通電阻的NMOS開關管，效率高達95%，輸出電流最高可達到3A，有較寬的輸出電壓范圍。TPS5430固定500KHz開關頻率，因此可采用較小的濾波電容、電感消除紋波。同時，TPS5430集成度高，只需要配合少量元器件（自舉電容、起儲能與濾波作用的電感與電容、反饋電阻），構成BUCK電路，即可高效、精確、穩定地得到輸出電壓，單電源模塊應用原理圖如圖1所示。

（1）二極管的選取。為了達到高效率，要使用壓降小并且恢復速度快的續流二極管D1。普通的二極管，正向壓降比較大，同時，由于開關管高速地在導通與截止狀態之間轉換，普通二極管反應速度不夠快，二極管會大量發熱并且使TPS5430的輸出波形也會受到影響，整個系統的效率很低。

（2）輸出濾波器的選擇。電感L1和電容C1是DC-DC輸出濾波器的關鍵，它們共同擔負著儲能與濾波的作用。在設計輸出濾波器時，可以選擇一階LC濾波器或二階甚至更高階LC濾波器，但兼顧到對效率及紋波的要求，可選擇低階濾波，以降低濾波器的消耗。由于TPS5430開關管的工作頻率為500KHz，頻率較高，故對電容電感的選擇已經較為苛刻。

2 均流控制方法及實現方案

主從均流法、輸出阻抗法、最大電流自動均流法、平均電流自動均流法和外加均流控制器法等是目前開關電源并聯供電系統常用的均流方法，其中最大電流自動均流法具有均流精度高、負載調整率高、動態響應好、易于實現冗余的特點而得到廣泛應用。負載共享控制器UCC39002設計原理是根據最大電流自動均流法設計，它控制多個獨立電源或者DC/DC模塊并聯供電自動均流的理想選擇。

在本系統實驗電路中，使用兩片UCC39002實現均流控制。在DC-DC模塊正常工作時，將兩路UCC39002的均流母線LS連接，根據UCC39002均流原理，UCC39002將會自動選出電流最大的一路，并將最大的一路電源作為主電源，此路UCC29002內部的三極管截止，即沒有電流流入其ADJ腳，故該路中只是反饋線上比無UCC39002時多了一個小電阻R4。而電流較小的另一路電源成為從電源，均流母線上的電壓將由主電源的輸出電流決定，從電源的UCC39002接收到母線上的信號后，會控制從電源DC-DC模塊稍稍提高輸出電壓，具體工作原理是，從電源UCC29002內部三極管導通，此三極管發射極有一個500Ω電阻到地，此時通過該三極管的電流即為/500，有此附加電流流過R4后，A點電壓下降，從而B點基準電壓也下降，而不再是1.22V，此時為了使恢復到1.22V，TPS5430將增加PWM脈沖寬度，增加V從而提高該路電流輸出，減小與主電源的電壓差，通過減小從電源與主電源的電壓差來提高該路輸出電流，從而達到均流。

3 過流保護故障與自動恢復方法及實現方案

在本系統實驗電路中，采用硬件電路實現。當開關電源的輸出電流超過規定值時，利用電阻采樣轉換為電壓與可預置的基準電壓比較后，控制TPS5430的開關頻率輸出使能端ENA，也可設計為控制繼電器斷開負載，起到保護作用。為了實現自動恢復功能，本系統設計了單穩態觸發延時電路，每次觸發后系統停止工作可預值時間后，繼續檢測過流故障是否已經被排除。如果過流故障排除，系統自動恢復。

4 結論

根據所設計的實驗電路，我們試制了實驗樣機，通過實驗數據測試與分析，調整實驗負載電阻至額定輸出功率為32W工作狀態下，供電系統的直流輸出電壓V維持在8.0±0.28V之間，紋波電壓峰峰值在30mV左右，供電系統的效率高達93.6%，調整負載電阻至額定電流值范圍內的任意輸出電流值，兩個電源模塊的輸出電流的相對誤差絕對值小于3.2%，均流效果非常好，同時該系統集成性高，電路結構簡單，所用器件少，還不易發熱，保證了整個系統高效、穩定、可靠的運行。

參考文獻：

篇10

工作原理

高斯貝爾GSR-D33數字衛星接收機電源為典型的自激式開關電源，220V交流市電經保險管和由L1、C1組成的抗干擾抑制電路，濾除電網中干擾信號后通過D1-D4整流、E1濾波得到約300V直流電壓。300V直流電壓一路經開關變壓器B1初級繞組①-②加至開關管Q5（BUT11A）的集電極，另一路通過啟動電阻R1加到Q5基極，使Q5導通。Q5導通后，Q5集電極電流在B1初級繞組①-②上產生感應電壓，由于繞組間的電磁耦合，B1反饋繞組③-④產生感應電壓，感應電壓經D6、R5加到Q5基極，使Q5迅速進入飽和導通狀態，在此期間，C4被充電，隨著C4兩端充電電壓的不斷升高，反饋電流逐漸減小，直至Q5基極電位降至關斷值，使Q5關斷截止。在Q5截止期間，C4經R5放電，當C4放電達一定程度，C4兩端電壓不足以使Q5保持截止狀態，啟動電壓經R1加至Q5基極，Q5又進入導通狀態，如此循環，形成開關電源的振蕩過程。在開關電源循環振蕩過程中，開關變壓器次級各繞組輸出交流電壓，分別經整流、濾波、穩壓等電路處理后，得到不同的穩定電壓為主板各功能電路提供電源。

該開關電源穩壓調節電路主要由IC1（4N35）、IC2（TL431）和Q3（9013）等組成，當由于某種原因引起輸出電壓升高時，3.3V輸出電壓隨之升高，取樣電路將這一升高的變化量送到電流比較放大器IC2的控制端R，經內部電路比較放大，輸出端K電壓下降，IC1內部發光二極管電流增大，發光管亮度增強，使Q3導通程度加深，加快C4充放電速度，縮短Q5導通時間，使開關電源輸出電壓下降。當某種原因引起輸出電壓下降時，穩壓過程和上述相反。

C9、R2、D5組成尖峰吸收電路，用于限制高頻變壓器漏感產生的尖峰電壓，保護開關管。Q2、R3組成過流保護電路，當 Q5電流增大時，R3兩端壓降也增大，最終使Q2導通，分流Q5基極正反饋電流，使Q5集電極電流減小，對Q5起到過流保護作用。

常見故障分析

1、通電后，立即燒保險

此類故障應從市電輸入端檢查入手，用測電阻的方法很容易發現故障點。重點檢查抗干擾電路中C1、濾波電路中的E1有無漏電，橋式整流電路中整流二極管D1-D4有無短路，Q3、Q5是否已擊穿。

2、通電后，不燒保險，但無任何顯示

此故障一是由于300V電壓未加入主變換電路，另一原因是主變換電路未工作。檢修時先測量E1兩端有無300V直流電壓，若E1兩端無300V電壓，應檢查L1、NTC是否斷路。若E1兩端有300V電壓，而Q5集電極無電壓，則是開關變壓器初級繞組①-②斷路；若主變換電路未工作，則應檢查相關振蕩電路元件，重點檢查啟動電阻R1和C4是否已損壞等。