開關電源原理及設計范文

導語：如何才能寫好一篇開關電源原理及設計，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：開關電源 維護檢修 故障處理

中圖分類號：TN838 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2013）09-0105-01

穩定可靠，安全的動力保障是數字化全固態調頻發射機安全播出的先決條件，新型的開關電源與傳統的電源相比，體積小而且工作穩定，電路損耗小，其多輸出電壓輕松的解決了模塊和控制單元輸入電壓不同的難題。且由于大規模集成電路的運用和屏蔽設置很好的解決了發射機房設備之間的電磁干擾。鑒于以上優點，權衡發射機整體效率，電源的可靠性和日常值機中維護等問題，開關電源無疑是目前固態調頻廣播發射機電源的最佳選擇。它與功率放大器集成裝配運行。采用高度集成的濾波阻抗元件運用，使其重量體積有了很大的改變。包括功率開關管和多種電路拓撲組合等新器件，新技術的應用，提高電源系統效率。發射機電源內設的電磁干擾濾波電路和相關高尖峰脈沖吸收電路是電源的電流諧波符合要求的重要保證，它不但可以改善電源對電網的負載特性，減少給電網帶來嚴重的污染，也減少對其它網絡設備的諧波干擾。

1 開關電源原理

調頻發射機使用的開關電源電路主要由電源濾波電路、高壓整流濾波電路、功率變換電路、低壓整流濾波電路、PWM電路、保護電路、檢測比較放大電路、輔助電源等組成，通過以一定頻率連續地控制功率開關管進行通斷操作，從而以便可以通過能量儲存元件向變換器或負載提供電量的電源形式。只要通過改變占空比、開關頻率或相關相位，平均輸出電壓或電流便可得到控制。開關電源的開關頻率范圍很大。對于電源功率大于90W的工作場合，開關電源通常采取兩級變換方式，即功率因數校正（PFC）控制變換器和DC/DC變換器。該電路是將整流過來的直流電壓變換為可調的高頻矩形波電壓，這是開關電源的核心部分。特別是功率因數校正電路，它是為了保證輸入電壓和電流同相工作而設置的。其結果是功率因數接近1，視在功率全部轉換為有功功率，因而系統效率得到了改善。如果沒有PFC校正電路，輸入電流會以窄脈寬高峰值脈沖形式輸入開關電源引起嚴重的諧波干擾成分。這些諧波組分不僅沒有向負載提供任何能量，而且還引起變壓器和其它設備發熱。功率因數校正電路分為有源和無源兩種類型。調頻廣播發射機的開關電源大都采用有源功率因數校正電路，它是由具有有源功率因數校正的AC/DC變換器和獨立DC/DC變換器兩大部分組成。AC/DC變換器主要包括：EMI濾波器、慢啟動電路、橋式整流、PFC控制器、功率驅動電路及變換器電路。

AC輸入經過EMI濾波電路濾除差摸和共摸電磁干擾信號后，輸入至慢啟動電路，再經延時后全壓加到橋式整流電路，輸出的直流電壓提供給功率場效應管MOSFET的漏極。PFC控制器是由8引腳的LT1249功率因數控制芯片和較少的元件所構成的電路。其第8引腳輸出開關頻率為100kHz的驅動信號，經驅動電路加到MOSFET功率開關管的柵極，MOSFET變換器開始以一定的占空比進行通斷工作，并輸出所需求的直流電壓。功率驅動電路：其作用是把PWM調制電路輸出的信號進行功率放大后，分別驅動MOSFET開關管開通或者關斷，實現主電路和控制電路之間的電氣隔離。驅動電路的結構和參數會對MODFET開關管的運行性能產生顯著影響，如開關時間、開關損耗、短路電流保護能力等。當短路故障發生時，驅動電路會通過合理的柵極電壓使保護電路動作，并發出故障信號到控制系統。

變換電路用于電流變換，把電流變換為線性直流電壓信號，供測量電路使用，電路主要有一個副主變壓器變壓，經全波整流，線性電路板處理后，產生的直流電壓提供給控制電路板從而與電壓反饋信號進行比較放大，根據產生的差值，輸出相應寬度的脈沖信號，以調整電源輸出電壓的大小。

2 日常應用中維護與檢修

在發射機日常使用過程中開關電源也會出現多方面因素導致的故障。發射機房的環境因素、外電的波動，由于不熟悉設備造成的停播為防患于未然，在發射極日常維護中，為使開關電源能長期可靠連續運行，應做到以下幾點：

（1）及時進行日常檢查和定期保養，看有無噪音以及異常聲響氣味等。（2）看輸出以及輸入電壓是否在正常范圍內。（3）排風扇是否運行正常。（4）檢查各處連接電路是否牢固。（5）每半年要對電源進行一次徹底的清掃，清理元件上面的積灰和浮塵。清理的時候，確保發射機關機并拔出電源的連接線，卸開開關電源蓋板，有條件的話最好進行放電處理。用鼓風機對灰塵進行去除，若有頑固灰塵，可用棉紗蘸少量酒精進行擦拭。除塵完畢，注意元器件有無松動，及時修復。

開關電源的檢修：全面了解內部電路的布局和結構是檢修開關電源查找問題的先決條件，打開電源外殼，檢查保險管是否熔斷，清楚開關電源不同輸出電壓的用途。觀察電源內部，看電容等元器件是否有破裂、漏液、電路板上是否燒焦痕跡等。

發射機機柜，功放外殼，電源外殼，面板都通過導體很好相連，最終連接到接地端地線敷設是最基本最簡單的安全措施。發射機安裝到位后，應將本機的接地端（位于發射機電源部分的底板上）彎角與機房地下銅排可靠地連接在一起，以避免由于漏電而發生停播甚至意外傷害事件。

3 結語

調頻發射機開關電源功率一般比較大，工作溫度高并且基本常年連續工作，容易發生故障。只有熟悉了開關電源的工作原理，加強日常維護把小的問題積極排除不留安全隱患，多積累經驗才會在遇到問題時候快速有效地完成檢修工作，為安全播出奠定良好基礎。

參考文獻

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關鍵詞：醫院設備；醫院設備管理；管理系統

1概述

隨著我國的經濟建設的改變，醫院的醫療條件有了大幅度改善，但在科技發展的醫院里，諸多先進設備的應用也同樣帶來的其他方面的問題，最重要的一點就是，醫院設備的管理問題，在現代的醫院依然采用過去的管理方式，顯然已經無法跟上時代的需要了，大宗設備的出賬，入庫等管理環節，如果僅通過人力計算，無論從效率還是工作量來說，都將是難以實施的，所以引入先進的管理系統是未來的發展趨勢，也是現代醫院工作者應當掌握的工作技能，同時醫院也應當大力推廣。

2醫療設備管理的現狀

我國現在已經進入了信息化時代，還有許多醫院依然采用著人工作業等原始記錄方式，這樣的工作狀況使得醫院的整體工作效率被滯后，尤其是針對急癥患者的情況下，需要查閱相關資料時，勢必需要翻閱大量的病例數據，每多1min檢索的時間，患者得到及時救治的時間就被延長1min，這對于患者來說是極其危險的，再比如許多醫療設備都具有一次性使用，但需要大批量采購的，這時采用人工的記賬方式，無疑增加了人力成本，一旦發生了錯記或漏記得情況發生，肯定會對醫院造成更大的損失。所以醫院管理的現狀，已經到了勢在必行的時候了。

3醫院設備管理系統的開發意義

通過上面的論述，可以了解到醫院的管理需要系統性，科學性的管理方式，對于醫院的管理系統其實早在上世紀80年代就被美國的教授提出了，這一概念已經具有了現代醫院設備科學管理的雛形，利用電子計算機和通訊設備，為醫院所屬各部門提供患者診療信息和行政管理信息的收集、存儲、處理、提取和數據交換的能力，并滿足所有授權用戶的功能需求[1]。

現代的醫院設備管理同樣的提上了日常管理日程，由于現代醫學主要靠西方醫學的技術，所以在很大程度上都依賴醫療設備進行診斷，甚至治療，這也是現代化醫院的特點。在醫院設備上，比如B超，核磁共振，X光片等等都是較為大型的醫療設備，除此之外還有一些常用的，一次性的，數量龐大的醫療用品，如針頭，輸液瓶等等，對于醫院來說，管理好這些醫療設備需要很大的人力和財力投入，這樣直接關系到醫院經濟利益的產出投入比例，一般醫院的醫療儀器約占醫院固定資產的50%，而經濟效益約占門診和住院患者資金收入的65%，也是醫院產生醫療信息的主要來源。如果能開放出合理有效的醫院設備管理系統，就能夠對醫院整體的經濟效益和工作效率產生決定性影響。由此可見，醫院對于醫療設備的管理的開發和使用具有極其重要的意義[2]。

4醫院設備管理系統的開發

在開發醫院設備管理系統之前，首先要了解醫院設備管理的主要任務，根據醫院條件，需求，使用情況采購醫療設備；建立科學，健全的設備管理制度；保障設備使用狀態，提升設備的使用作用效果。這些任務的總結，為醫院設備管理奠定了科學管理的基礎。

開放系統時應先解決管理需求分析，根據醫院的條件可將整體系統需求分為：設備添加，設備管理，設備查詢，系統設置等。①設備添加功能可分為，設備添加和設備附件添加；設備添加主要針對設備的采購后進行系統錄入，登記其名稱，型號，規格，詳細功能及設備資料等信息的錄入。②設備管理功能可分為，設備注銷，設備狀態變更（庫存情況，使用情況，損壞情況等），主要功能就是對設備在院狀態的改變，以方便進行物資的統計工作。③設備查詢功能可分為，資料查詢，設備統計等，其主要針對設備的使用方式，運用狀態等信息的查詢。④系統設置的功能相對簡單，主要針對操作員的工作權限可進行登記或變更，以方便不同人員使用系統。

在完成整體的設計思路后，就可以開始進行主要程序設計工作，為了配合醫院整體系統環境的使用，該系統可以基于Windows操作系統上開發，這樣其通用性及穩定性可以得到有效保障，而且在建設后期還應當進行數據庫功能的開發，這樣對于信息及設備的查閱都可以進行概括分析，以保證醫療工作的順利開展。

5醫院設備管理系統的應用

在設備管理系統的應用上，可以針對不同職務的操作人員進行相應的權限限制，職務從高到底進行分層管理，如系統操作者為醫院負責人或行政人員，其可以對整體系統具有絕對的使用權，更改操作人員權限，查看資料范圍等；亦或是普通的醫護工作者的權限可以限制在，設備的領用管理或注銷管理和醫用資料的查詢等權限，這樣對于整套設備管理系統來說，使用的作用率可以達到最大化。對于整體系統的維護，可在考慮成本的情況下，采用外包式管理方式，這樣對于醫院整體的機構人員成本管理也有一定優勢。在系統實際運用情況下，醫院可根據院內不同的需求添加不同的使用模塊，如醫院內不同科室的設備管理可采用分開管理的方式，將設備管理的內容在進行細分，已達到專科專項的效果，減少設備過多而產生的誤操作情況。

6設備管理系統的未來展望

各個行業的日新月異推動著我國經濟的高速發展，醫院的治療的高效性也應搭乘時代的列車快速前進，未來的醫院管理系統應向更加便捷高效的方向發展，比如無線互聯網可以直接連入護士手中的便攜操作端口，設備的使用可以通過醫護人員ID確認才能使用，醫生可通過便攜終端查詢需要的設備數量等等。這些都是未來科技型醫院的發展方向。

7結論

現代醫學改變著人們的就醫方式，而現代科技卻在改變著醫院的工作方式，當下醫療設備管理的關鍵詞是可靠，穩定，實用，而未來還應該增加"便捷"與"高效"。

參考文獻：

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    論文首先介紹了電力電子技術及器件的發展和應用,具體闡明了國內外開關電源的發展和現狀,研究了開關電源的基本原理,拓撲結構以及開關電源在電力直流操作電源系統中的應用,介紹了連續可調開關電源的設計思路、硬件選型以及TL494在輸出電壓調節、過流保護等方面的工作原理和具體電路,設計出一種實用于電力系統的開關電源,以替代傳統的相控電源。該系統以MOSFET作為功率開關器件,構成半橋式Buck開關變換器,采用脈寬調制(PWM)技術,PWM控制信號由集成控制TL494產生,從輸出實時采樣電壓反饋信號,以控制輸出電壓的變化,控制電路和主電路之間通過變壓器進行隔離,并設計了軟啟動和過流保護電路。該電源在輸出大電流條件下,能做到輸出直流電壓大范圍連續可調,同時保持良好的PWM穩壓調節運行。    開關電源結構

    以開關方式工作的直流穩壓電源以其體積小、重量輕、效率高、穩壓效果好的特點,正逐步取代傳統電源的位置,成為電源行業的主流形式。可調直流電源領域也同樣深受開關電源技術影響,并已廣泛地應用于系統之中。

    開關電源中應用的電力電子器件主要為二極管、IGBT和MOSFET。

    SCR在開關電源輸入整流電路及軟啟動電路中有少量應用, GTR驅動困難,開關頻率低,逐漸被IGBT和MOSFET取代。在本論文中選用的開關器件為功率MOSFET管。

    開關電源的三個條件:

    1. 開關:電力電子器件工作在開關狀態而不是線性狀態;

    2. 高頻:電力電子器件工作在高頻而不是接近工頻的低頻;

    3. 直流:開關電源輸出的是直流而不是交流。

    根據上面所述,本文的大體結構如下:

    第一章,為整個論文的概述,大致介紹電力電子技術及器件的發展,簡單說明直流電源的基本情況,介紹國內外開關電源的發展現狀和研究方向,闡述本論文工作的重點;

    第二章,主要從理論上討論開關電源的工作原理及電路拓撲結構;

    第三章,主要將介紹系統主電路的設計;

    第四章,介紹系統控制電路各個部分的設計;

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關鍵詞：開關電源；反激式電路；高頻變壓器

引言

開關電源是綜合現代電力電子、自動控制、電力變換等技術，通過控制開關管開通和關斷的時間比率，來獲得穩定輸出電壓的一種電源，因其具有體積小、重量輕、效率高、發熱量低、性能穩定等優點，在現代電力電子設備中得到廣泛應用，代表著當今穩壓電源的發展方向，已成為穩壓電源的主導產品。文章設計了一種基于TOP-Switch系列芯片的小功率多路輸出DC/DC的反激式開關電源。

1 電源設計要求

文章設計的開關電源將用于軌道車輛電動門控制系統中，最大的功率為12W，分四路輸出，具體設計參數如下：（1）輸入電壓Vin=110V；（2）開關頻率fs=132kHz；（3）效率η=80%；（4）輸出電壓/電流 48V/0.2A，15V/0.02A-15V/0.02A，5V/0.3A；（5）輸出功率12W；（6）電壓精度1%；（7）紋波率1%。（8）負載調整率±3%，電源最小輸入電壓為Vimin=77V，最大輸入電壓為Vimax=138V。考慮到設計要滿足結構簡單，可靠性高，經濟性及電磁兼容性等要求，結合本設計輸出功率小的特點，最終選用了單端反激式開關電源，它具有結構簡單，所需元器件少，可靠性高，驅動電路簡單的特點，適合多路輸出場合。

2 單端反激式開關電源的基本原理

單端反激式開關電源由功率MOS管，高頻變壓器，無源鉗位RCD電路及輸出整流電路組成。其工作原理是當開關管Q被PWM脈沖激勵而導通時，輸入電壓就加在高頻變壓器的初級繞組N1上，由于變壓器次級整流二極管D1反接，次級繞組N2沒有電流流過；當開關管關斷時，次級繞組上的電壓極性是上正下負，整流二極管正偏導通，開關管導通期間儲存在變壓器中的能量便通過整流二極管向輸出負載釋放。反激變壓器在開關管導通期間只存能量，在截止期間才向負載傳遞能量，因為能量是單方向傳導，所以稱為單端變化器[1]。

圖1 單端反激式開關電源的原理圖

3 TOP-Switch系列芯片的介紹及選型

TOP-Swtich單片開關電源是開關電源專用集成電路，它將脈寬調制電路與高壓MOSFET開關管及驅動電路等集成在一起，具備完善的保護功能。使用該芯片設計的小功率開關電源，可大大減少電路，降低成本，提高可靠性[4]。

對于芯片的選擇主要考慮輸入電壓和功率，由設計要求可知，輸入電壓為寬范圍輸入，輸出功率不大于12W，故選擇TOP264VG。

4 電路設計

本設計開關電源的總體設計方案如圖2所示。

4.1 主電路設計

4.1.1 變壓器設計

變壓器的設計是整個電源設計最重要的部分，它的設計好壞直接影響到整個電源性能。

（1）磁芯和骨架的確定

由參考文獻[1]可查出，當P0=12W時可供選擇的鐵氧體磁芯型號，由于采用包線繞制，而且EE型鐵芯廉價，磁損耗小且適用性強，故選擇EEL19。從廠家提供的磁芯產品手冊中可以查到磁芯有效截面積Ae=0.23cm2，磁路有效長度Le=3.94cm2，磁芯等效電感AL=1250Nh/T2

（2）確定最大占空比

（式中VOR為初級感應電壓，VDS為開關管漏源導通電壓，其中VOR=135V，VDS=10V）

（3）初級波形參數計算

初級波形的參數主要包括輸入電流平均值IAGV、初級峰值電流IP

輸入電流平均值

初級峰值電流

（其中KRP為初級紋波電流IR與初級峰值電流IP的比值，當反激式開關電源工作在不連續狀態時取KRP=1）

（4）確定初級繞組電感

（5）計算各繞組的匝數

初級繞組的匝數 實取33匝

次級為5v輸出的繞組定義為NS=4turn

對于±15V輸出 實取12匝

對于48V輸出 實取36匝

對于偏置繞組 實取10匝

4.1.2 無源鉗位電路的設計

反激式開關電源，每當功率MOSFET由導通變為截止時，在開關電源的一次繞組上就會產生尖峰電壓和感應電壓，和直流高壓一起疊加在MOSFET上，漏極電壓

這就要求功率MOSFET至少能承受450V的高壓，并且要求鉗位電路吸收尖峰電壓來保護功率MOSFET。本電源的鉗位電路由穩壓管和二極管D1組成，其中VR1為瞬態電壓抑制器P6KE200，D1為快恢復二極管IN4936，當MOSFET導通時，原邊繞組電壓上正下負，使D1截止，鉗位電路不起作用；當MOSFET截止瞬間，原邊繞組電壓上負下正，使得D1導通，電壓被鉗位在200V左右。

4.1.3 輸出環節的設計

以+5V輸出為例，次級繞組高頻電壓經肖特基二極管SB120整流后，用超低的ESR濾波，為了得到獲得更小的紋波電壓，在設計時又加入了次級LC濾波器，實驗表明，輸出的電壓更符合期望值。

4.2 反饋環節的設計

反饋回路主要由PC817和TL431組成，這里用的TL431型可調式精密并聯穩壓器來代替普通的穩壓管，構成外部誤差放大器，進而對輸出電壓作精密調整，當輸出電壓發生波動時，經過電阻R13、R14分壓后得到取樣電壓與TL431中的2.5V的基準電壓進行比較，在陰極K上形成誤差電壓，使光耦合器中的LED工作電流產生相應變化，再通過光耦合器去改變單片開關電源的控制端電流，進而調節輸出占空比，使輸出電壓維持不變，達到穩壓目的。

5 結束語

文章設計的開關電源具有結構簡單，所需元器件少，體積小，成本低的特點，并且滿足所有設計要求，在軌道車輛電動門控制系統中有很好的應用前景。

參考文獻

[1]楊立杰.多路輸出單端反激式開關電源的設計[J].現代電子技術，2007.

[2]沙占友.開關電源實用技術[M].北京：中國電力出版社，2011.

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關鍵詞： 直流開關電源；開關電源；設計

1 直流穩壓電源概述

直流穩壓電源在一個典型系統中擔當著非常重要的角色。從某種程度上可以看成是系統的心臟。電源的系統的電路提供持續的、穩定的能源，使系統免受外部的干擾，并防止系統對其自身產生的傷害。如果電源內部發生故障，不應造成系統的故障，而確保系統安全可靠運行。因此，人們非常重視系統直流電源的設計或選用。直流穩壓電源通常分為線性穩壓和開關穩壓兩種類型。

1.1 線性穩亞電源

線性穩壓電源是指起電壓調整功能作用的器件始終工作在線性放大區的直流穩壓電源，期工作原理如圖1。

它由50 工頻變壓器、整流器、濾波器以及串聯調整穩壓器組成。

線性穩壓電源的優點是具有優良的紋波及動態響應特性。但同時存在以下缺點：輸入采用50 工頻變壓器，體積龐大且和很重；電壓調整器件工作在線性放大區內，損耗大，效率低；過載能力差。

線性電源主要應用在對發熱和效率要求不高的場合，或者要求成本及設計周期短的情況。線性電源作為板載電源廣泛應用于分布電源系統中，特別是當配電電壓低于40V時。線性電源的輸出電壓只能低于輸入電壓，并且每個線性電源只能產生一路輸出。線性電源的效率在百分之三十五到百分之五十之間，損耗以熱的形式耗散。

1.2 PWM開關穩壓電源

一般將開關穩壓電源簡稱開關電源，開關電源與線性穩壓電源不同，它是起電壓調整功能作用的器件，始終工作在開關狀態。開關電源主要采用脈寬調制技術。

開關電源的優點；

1）功耗小、效率高。電源中開關器件交替地工作在導通-截止和截止-導通的開關狀態，轉換速度快，這使得開關管的功耗很小，電源的效率可以大幅度提高，可達到百分之九十到百分之九十五。

2）體積小、重量輕。開關電源效率高，損耗小，則可以省去較大體積的散熱器；隔離變壓用高頻變壓器取代工頻變壓器，可大大減小體積，降低重量；因為開關頻率高，輸出濾波電容的容量和體積大為減小。

3）穩壓范圍寬。開關電源的輸出電壓由占空比來調節，輸入電壓的變化可以通過調節占空比的大小來補償，這樣在工頻電網電壓變化較大時，它仍然能保證有較穩定的輸出電壓。

4）電路形式靈活多樣。設計者可以發揮各種類型電路的特長，設計出能滿足不同的應用場合的開關電源。

開關電源的缺點主要是：存在開關噪聲大。在開關電源中，開關器件工作在開關狀態，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，這些干擾如果不采用一定的措施進行抑制、消除和屏蔽，就會嚴重影響整機的正常工作。此外，這些干擾還會串入工頻電網，使附近的其他電子儀器、設備、和家用電器收到干擾。因此設計開關電源時，必須采取合理的措施來抑制其本身產生的干擾。

PWM開關電源在使用時比線性電源具有更高的效率和靈活等特點。因此，在便攜式產品、航空和自動化產品、儀器儀表以及通訊系統等，要求高效率、體積小、重量輕和多組電源電源輸出的場合，得到了廣泛的應用。但是開關電源的成本高，而且需要開發周期較長。

2 開關電源的設計

2.1 開關電源的工作原理

開關電源主要采用直流斬波技術，即降壓變換、升壓變換、變壓器隔離的DC/DC變換電路理論和PWM控制技術來實現的。具有輸入、輸出隔離的PWM開關電源工作原理框圖，如圖2所示。

50Hz單相交流220V電壓或三相交流220V/380V電壓經EMI防電磁干擾電源濾波器，直接整流濾波；然后再將濾波后的直流電壓經變換電路變換為數十千赫或數百千赫的高頻方波或準方波電壓，通過高頻變壓器隔離并降壓（或升壓）后，再經高頻整流、濾波電路；最后輸出直流電壓。通過取樣、比較、放大及控制、驅動電路，控制變換器中功率開關管的占空比，便能得到穩定的輸出電壓。在直流斬波控制中，有定頻調寬、定寬調頻和調頻調寬3種控制方式。定頻調寬是保持開關頻率（開關周期T）不變，波形如圖3所示。

通過改變導通時間高。而定寬調頻則是保持導通時間T on不變，通過改變開關頻率，來達到改變占空比的一種控制方式。由于調頻控制方式的工作頻率是不固定的，造成濾波器設計困難，因此，目前絕大部分的開關電源均采用PWM控制。

2.2 開關電源的主要性能指標

開關電源的質量好壞主要由其性能指標來體現。因此，對于設計者或使用者來講，都必須對其內容有一個較全面的了解。一般性能指標包括電氣指標、機械特性、適用環境、可靠性、安全性以及生產成本等。這里僅介紹常見的電氣指標。

2.2.1 輸入參數

輸入參數包括輸入電壓、交流或直流、頻率、相數、輸入電流、功率因數以及諧波含量等。

1）輸入電壓：國內應用的民用交流電源電壓三相為380V，單相為220V；國外的電源需要參出口國電壓標準。目前開關電源流行采用國際通用電壓范圍，即單相交流85～265V，這一范圍覆蓋了全球各種民用電源標準所限定的電壓，但對電源的設計提出了較高的要求。輸入電壓范圍的下限影響變壓器設計時電壓比的計算，而上限決定了主電路元器件的電壓等級。輸入電壓變化范圍過寬，使設計中必須留過大裕量而造成浪費，因此變化范圍應在滿足實際要求的前提下盡量小。

2）輸入頻率：我國民用和工業用電的頻率為50Hz，航空、航天及船舶用的電源經常采用交流400Hz輸入，這時的輸入電壓通常為單相或三相115V。

3）輸入相數：三相輸入的情況下，整流后直流電壓約是單相輸入時的1.7倍，當開關電源的功為3～5kW時，可以選單相輸入，以降低主電路器件的電壓等級，從而可以降低成本；當功率大于5kW時，應選三相輸入，以避免引起電網三相間的不平衡，同時也可以減小主電路中的電流，以降低損耗。

4）輸入電流：輸入電流通常包含額定輸入電流和最大電流2項，是輸入開關、接線端子、熔斷器和整流橋等元器件的設計依據。

5）輸入功率因數和諧波：目前，對保護電網環境、降低諧波污染的要求越來越高，許多國家和地區都已出臺相應的標準，對用電裝置的輸入諧波電流和功率因數做出較嚴格的規定，因此開關電源的輸入諧波電流和功率因數成為重要指標，也是設計中的一個重點之一。目前，單相有源功率因數校正（FPC）技術已經基本成熟，附加的成本也較低，可以很容易地使輸入功率因數達到0.99以上，輸入總諧波電流小于5%。

2.2.2 輸出參數

輸出參數包括輸出功率、輸出電壓、輸出電流、紋波、穩壓精度、穩流精度、輸出特性以及效率等。

1）輸出電壓：通常給出額定值和調節范圍2項內容。輸出電壓上限關系到變壓器設計中電壓比的計算，過高的上限要求會導致過大的設計裕量和額定點特性變差，因此在滿足實際要求的前提下，上限應盡量靠近額定點。相比之下，下限的限制較寬松。

2）輸出電流：通常給出額定值和一定條件下的過載倍數，有穩流要求的電源還會指定調節范圍。有的電源不允許空載，此時應指定電流下限。

3）穩壓、穩流精度：通常以正負誤差帶的形式給出。影響電源穩壓、穩流精度的因素很多，主要有輸入電壓變化、輸出負載變化、溫度變化及器件老化等。通常精度可以分成。3項考核：① 輸入電壓調整率；② 負載調整率；③ 時效偏差。同精度密切相關的因素是基準源精度、檢測元件精度、控制電路中運算放大器精度等。④ 電源的輸出特性：與應用領域的工藝要求有關，相互之間的差別很大。設計中必須根據輸出特性的要求，來確定主電路和控制電路的形式。⑤ 紋波：開關電源的輸出電壓紋波成分較為復雜，通常按頻帶可以分為3類： 高頻噪聲，即遠高于開關頻率 的尖刺；開關頻率紋波，指開關頻率 附近的頻率成分； 低頻紋波，頻率低于的 成分，即低頻波動。

對紋波有多種量化方法，常用的有紋波系數、峰峰電壓值、按3種頻率成分分別計量幅值以及衡重法。⑥ 效率：是電源的重要指標，它通常定義為η=Po/Pi×100%。式中，Pi為輸入有功功率；Po為輸出功率。通常給出在額定輸入電壓和額定輸出電壓、額定輸出電流條件下的效率。對于開關電源來說，效率提高就意味著損耗功率的下降，從而降低電源溫升，提高可靠性，節能的效果明顯，所以應盡量提高效率。一般來說，輸出電壓較高的電源的效率比輸出低電壓的電源高。

2.2.3 電磁兼容性能指標

電磁兼容也是近年來備受關注的問題。電子裝置的大量使用，帶來了相互干擾的問題，有時可能導致致命的后果，如在飛行的飛機機艙內使用無線電話或便攜式電腦，就有可能干擾機載電子設備而造成飛機失事。電磁兼容性包含2方面的內容：

電磁敏感性、電磁干擾分別指電子裝置抵抗外來干擾的能力和自身產生的干擾強度。通過制定標準，使每個裝置能夠抵抗干擾的強度遠遠大于各自發出的干擾強度，則這些裝置在一起工作時，相互干擾導致工作不正常的可能性就比較小，從而實現電磁兼容。

因此，標準化對電磁兼容問題來說十分重要。各國有關電磁兼容的標準很多，并且都形成了一定的體系，在開關電源設計時應考慮相關標準。

3 開關電源的設計步驟

開關電源的設計一般采用模塊化的設計思想，其設計步驟是：

1）首先從明確設計性能指標開始，然后根據常規的設計要求選擇一種開關電源的拓撲結構、開關工作頻率確定設計的難點，依據輸出功率的要求選擇半導體器件的型號；

2）變壓器和電感線圈的參數計算，磁性材料設計是一個優質的開關電源設計的關鍵，合理的設計對開關電源的性能指標以及工作可靠性影響極大；

3）設計選擇輸出整流器和濾波電容；

4）選擇功率開關的驅動控制方式，最好選用能實現PWM控制的集成電路芯片，也可利用單片機實現PWM控制；

5）設計反饋調節電路；

6）根據設計要求設計過電壓、過電流和緊急保護電路；

7）根據熱分析設計散熱器；

8）設計實驗電路的PCB板和電源的結構，組裝、調試，測試所有的性能指標；

篇6

【關鍵詞】開關電源；LDO；OLED

1 引言

有機電激發光二極管（Organic LightEmitting Diode，OLED）由于同時具備自發光，不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、構造及制程較簡單等優異特性，被認為是下一代的平面顯示器新興應用技術。OLED由非常薄的有機材料涂層和玻璃基板構成。當有電荷通過時這些有機材料就會發光。由于OLED具有以上特點，近年來，在手持紅外設備的顯示組件中，OLED已經廣泛的取代了原有的CRT顯示組件。

2 顯示驅動板原理介紹

OLED顯示組件由OLED屏及顯示驅動板組成，OLED顯示屏采用北方光電的SVGA060顯示屏，該顯示屏具有視頻格式自動檢測、自動增益控制等特性。輸出分辨率為768×576，支持單色或彩色信號。由于顯示屏是數字視頻接口，而紅外熱像儀輸出的是模擬視頻信號，顯示驅動板的主要作用是對熱像儀輸出的視頻信號進行AD轉換，并提供顯示板工作所需的電源及控制串口。

3 基于TPS65053的顯示驅動電路電源的改進

原OLED驅動板視頻AD采用TI公司的ADV5150，單片機采用SiliconLab公司的C8051F330。電源部分，由于該系統需要5V，3.3V，1.8V3個數字電源，而熱像儀給出的輸出電源只有5V，原設計中考慮到電源紋波對顯示效果的影響，對5V到3.3V和1.8V的轉換采用LT公司的微封裝LDO――LT1761ES53.3和LT1761ES51.8，顯示驅動板的單板電流為70mA左右，加上OLED屏，總電流為100mA左右，一套OLED顯示組件的功耗為500mW左右。當今手持設備趨于小型化、低功耗化，這樣的功耗是比較大的。因此，考慮采用開關電源來代替LDO，完成5V到3.3V和1.8V的變換，因開關電源的轉換效率很高，如TI公司生產的TPS65053，其效率可達92%以上，可有效降低顯示組件的功耗。TPS65053內部集成2路開關電源，輸入電壓最大值為6V，兩路DCDC可分別提供1A的驅動能力，集成度高，單片面積小，非常適合顯示驅動電路的使用。TPS65053的電源設計如圖2所示。

4 電源輸出紋波的壓制

考慮到輸出紋波對顯示效果的影響，需設計電路對輸出電壓的紋波進行壓制。受制于驅動板的實際板尺寸（26*26mm），采用輸出電容加三端濾波器進行電源濾波，因TPS65053本身的設計原理限制，該電源的輸出紋波本身就比較小，而對輸入紋波有較大的影響，為防止其影響輸入的5V，故在輸入端也增加三端濾波器及磁珠，以抑制紋波。

5 實驗效果

通過制板實驗，使用開關電源的顯示驅動電路的單板電流為35mA左右，整套OLED顯示組件的總電流降至57mA左右，總功耗為285mW左右，相比于原顯示組件，功耗降低了約1/2。因電路設計合理，紋波抑制較為理想，3.3V與1.8V的電源輸出紋波均在50mV以下，5V的輸入紋波也沒有明顯的增加，顯示效果與原方案無明顯區別。因顯示組件的功耗大大降低，發熱明顯減少，OLED的使用壽命得以延長。

目前，該顯示組件已應用于某型便攜式紅外夜視儀和某型紅外瞄準具中。紅外夜視儀為雙目設計，采用新顯示組件后，總電流由800mA左右降低到720mA左右，使用時間延長了約10%；而紅外瞄準具是單目設計，采用新顯示組件后，整機電流由320mA降低到275mA，使用時間延長了約14%，取得了良好的應用效果。

參考文獻：

[1]SVGA060.OLED及其復合視頻驅動板使用說明書，云南北方光電技術有限公司

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關鍵詞：軟開關電源；DSP；PWM；全橋變換器；煤礦安全

目前我國大大小小的煤礦有不下10000 座，而每年因煤礦事故死亡的人數也居高不下，井下監控系統就成了煤礦生產中最為重要的環節之一。傳統的硬開關方式的逆變電源由于存在開關損耗大、效率低、電磁干擾（EMI）和射頻干擾（RFI）大等的問題[2]，不但影響電源自身的可靠性，而且會影響其它電子設備的正常工作，容易a生拉弧以及電火花，從而引起瓦斯爆炸等安全隱患，軟開關技術是目前解決該問題的主要方法。

為了實現監控系統電源波形的數字化控制，本文的控制核心采用DSP 芯片的TMS320F2812 系列，并由DSP的PWM生成機制來完成調節輸出電壓，并采用全橋式變換器完成軟開關電源的實現，對電源主電路實現了全數字控制，輸出電壓設置定點可調，提高了輸出電壓的精度和穩定度，另一方面采用全橋式變換器，從而大大的提高軟開關電源的輸出功率[3]。

一、電源系統硬件設計

主電路設計：開關電源的硬件基本組成原理圖主要由功率主電路，DSP控制回路以及他輔助電路組成。系統的硬件基本組成電路如圖1所示：

其基本原理是：電網的交流輸入經過EMI整流濾波后得到高品質直流電壓，通過全橋式逆變器將直流電壓變換成高頻交流電壓，再經高頻變壓器隔離變換，輸出所需的高頻交流電壓，最后經過輸出整流濾波電路，將高頻變壓器輸出的高頻交流電壓整流濾波后得到所需要的高質量、高品質的直流電壓[4]，通過采樣電路及光電隔離保護電路輸入給DSP控制器，從而形成負反饋。DSP芯片TMS320F2812通過事件管理器EVA產生PWM波，并加于驅動電路，通過改變占空比輸出模擬量電壓電流。完成反饋調節得到理想的電壓電流。電路拓撲結構如圖2所示。

3PAC表示三相交流380V的電網電壓輸入，3PBreaker表示三相空氣開關，Diode Bridge表示三相不可控整流橋，TD Breaker表示延時啟動開關，防止啟動時充電電流過大，Lin和Cin構成輸入LC濾波環節，IGBT Bridge表示單相逆變橋，Lm表示飽和諧振電感，Co隔直電容，LT表示12個高頻線性變壓器串聯，D1、D2代表72個肖特基整流管，Lo和Co構成輸出濾波環節，其中Lo代表12個電感，每個變壓器輸出連接一個輸出濾波電感。

全橋變換器相當兩個雙管正激變換器組成，兩組雙管正激變換器驅動脈沖互補。全橋變換器由4個開關管構成，每個橋臂有個開關管，變壓器的一次側連接兩個橋臂的中間。全橋電路相對單管、雙管推挽、半橋電路要復雜一些，但是在選用同樣的開關功率器件的條件下，可獲得兩倍于半橋電路的輸出功率。和功率開關管反相并聯的二極管，一般都是開關管自身的體二極管代替（由生產工藝集成的），這些二極管用于恢復能量，同時可以消除漏感產生的瞬間過壓，用于鉗制開關管承受的最大關斷電壓。

二、系統軟件設計

DSP的PWM生成機制：在開關電源結構中，開關電源是通過修改PWM 波占空比改變逆變橋中IGBT的通斷時間從而控制輸出電壓的大小[5]。控制電路所需的PWM波的生成是由DSP中事件管理器EVA產生，對每一次主電路的輸出電壓、電流數據采集發生在每個PWM周期末，采集完成后ADC向CPU發出一個中斷請求，中斷開始，CPU進入服務子程序，按指定的算法對采樣結果進行運算，運算的輸出結果是CMPR的值，PWM的占空比就是通過運算輸出的結果CMPR值來改變，從而改變IGBT的通斷時間，進而控制輸出電壓電、流的大小[6]。

規定超前臂 Z1與Z2為固定臂開關管，滯后臂 Z3與Z4為移相臂開關管，其移相角由比較寄存器CMPR2給定。DSP于每周期固定相位180°互補輸出uPWM1和uPWM2，死區時間由死區控制寄存器給出，避免上下直通并實現軟開關。同理DSP輸出180°互補并帶死區的uPWM3和uPWM4。只有uPWM1與uPWM4，uPWM2與uPWM3同時為高時，電源才能傳遞功率。控制電源輸出的占空比只要做到實時改變比較寄存器CMPR2的值并保證uPWM3和uPWM4180°互補即可。啟動A/D并觸發中斷是由計數寄存器T2CNT與T1CNT同周期且相位差固定來實現的，在中斷程序中對反饋信號進行處理并實時改變比較寄存器CMPR2的值[7]。

三、仿真結果

利用仿真軟件PSIM來對電路進行仿真，實驗的主要技術指標為：

輸入電壓：三相AC380V（-5%―+5%）

輸出電壓：DC 25V

輸出電流：DC 125A

開關頻率：20KHz

實驗中電路的參數設置：諧振電感：26μH，隔直電容60μF，輸出濾波電感：88μH，輸出濾波電容：6600μF，開關頻率：20KHz。

圖3為驅動脈沖和輸出電壓，電流的波形，可見輸出波形良好，達到穩定的時間較快。

四、結束語

基于 DSP 的軟開關電源具有高效節能、輕巧省料、控制性能好等特點，在消除網側電流諧波、改善網側功率因數、控制逆變輸出波形、提高系統動態響應性能方面有很大的改善[8]，已成為現代煤礦電源發展的主流之一。通過使逆變器開關器件工作在 ZVZCS 軟開關狀態，為進一步提高其工作頻率奠定了基礎。監控系統的微處理器的邏輯電路發展趨勢就是低壓大電流，本文所設計的電源可以滿足其需求。DSP使數字化電源的波形控制能力更為精確，系統更加緊湊，提高了抗干擾性，保證了煤礦監控系統運行的實時性和穩定性[8]。實驗證明電源的性能可以滿足煤礦監控系統電源的要求。

參考文獻：

[1]姜少飛，閆英敏，趙霞，程.基于DSP的數字PID控制在開關電源中的應用[J].國外電子測量技術，2009，6：69-70

[2]成亮.煤礦安全生產井下供電系統研究[J].中小企業管理與科技，2011.30.

[3]黎粵梅.高頻開關電源節能技術的探索[J].科技資訊，2011.17.

[4]王增福，李昶，魏永明.軟開關電源原理與應用[M].北京電子工業出版，2006.

[5]金影梅.基于DSP的軟開關電源的研究[J].科技廣場，2010，36（2）：198-200.

[6]萬山明.TMS320F281x DSP原理及應用實例[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

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關鍵詞：DCDC開關電源；模擬加法器；恒流源；誤差放大器

中國分類號：TN433文獻標識碼：A文章編號：10053824（2013）03000503

0引言

電源管理IC因具有體積小、轉換速率高等優點，已被廣泛應用于電子、通信、電氣、能源、航空航天及家電等領域。電源管理IC主要分為線性穩壓電源轉換器和DCDC開關電源轉換器。相對于線性穩壓電源轉換器， DCDC開關電源轉換器具有電壓轉換效率高和輸出電壓范圍較寬的特點，因而DCDC開關電源轉換器已成為主要的電源產品之一[1]。

降壓型脈沖寬度調制型（pulse width modulation， PWM） DCDC開關電源是目前被廣泛應用的1種DCDC開關電源結構[24]，其電路結構如圖1所示。由圖1可知，模擬加法器是PWM型DCDC開關電源轉換器的核心模塊，其性能特性直接影響PWM型DCDC開關源的性能特性，因而要求模擬加法器在電源電壓、溫度等變化或漂移條件下，均能獲得穩定的性能。針對這些要求，本文設計了1種適用于DCDC開關電源的模擬加法器。

1模擬加法器原理及構成

本文所設計的模擬加法器的原理圖如圖2所示。該模擬加法器主要由誤差放大器A1，誤差放大器A2，MOS晶體管M1―M4，電阻R1，R2以及電容C1，C2組成。其中，誤差放大器A1與誤差放大器A2完全相同，Vref為帶隙基準參考提供的1.2 V帶隙參考電壓，其具有與溫度、電源電壓波動以及工藝無關的參考電壓源。VA1為圖1所示的DCDC開關電源轉換器的放大器的輸出信號。電容C1與電容C2在圖2所示電路中起濾波以及電荷存儲作用。

圖1DCDC開關電源轉換器電路結構圖圖2模擬加法器原理圖誤差放大器A1，MOS管M1與電阻R2構成負反饋系統。誤差放大器A1強制放大器的兩輸入端電壓相等，即V1=Vref，因而流過電阻R1的電流I1為I1=VrefR1（1）圖2中，MOS晶體管M1與M2構成基本電流鏡，因而流過M2的漏電流I2為I2=WL2WL1I1（2）（2）式中：WL1與WL2分別為晶體管M1與M2的寬長比，因而電阻R1的壓差VR1為VR1=I2R2=WL2WL1×R2R1×Vref（3）同理，誤差放大器A2與MOS管M4也構成負反饋系統。誤差放大器A2強制其兩輸入端電壓相等，即V2=VA1（4）由（3）式與（4）式可得模擬加法器的輸出電壓VA，其可表示為VA=VA1+WL2WL1×R2R1×Vref（5）在電路設計時，若M1與M2為完全相同的PMOS管，即WL1=WL2，同時R2與R1為同一類型電阻且具有相同的阻值，則（5）式可表示為VA=VA1+Vref（6）（6）式說明圖2所示的電路能有效地實現兩模擬電壓求和的功能。

2誤差放大器的分析與設計

在圖2所示的電路中，誤差放大器A1以及誤差放大器A2為模擬加法器的重要單元模塊，其性能特性直接影響模擬加法器的性能特性，其中誤差放大器A1與誤差放大器A2完全相同。針對此問題，本文所設計的誤差放大器A1與誤差放大器A2采用折疊式共源共柵結構[5]，如圖3所示。誤差放大器主要由晶體管Ma0―Ma10、電阻R構成。其中Vp和Vn分別為誤差放大器的差分輸入端，Vb1―Vb3為偏置電壓，Ma0與Ma1為PMOS輸入對管，Ma3，Ma4與Ma5，Ma6形成電流鏡對負載，實現雙端輸入和單端輸出。圖4為放大器的交流仿真曲線。仿真結果顯示，在一定負載電容條件下，本文所設計的誤差放大器獲得65.5 dB的低頻增益以及80°相位裕度，能夠滿足模擬加法器的要求。

圖3誤差放大器電路圖圖4誤差放大器交流仿真波形圖3仿真結果與分析

為驗證所設計的模擬加法器的性能特性，在電源電壓VDD=3 V的條件下，采用CSMC的0.5 μm標準CMOS混合工藝以及Cadence的Spectre仿真工具對電路進行了仿真驗證。

當Vref=1.2 V以及VA1=1 V時，模擬加法器的瞬態仿真結果如圖5所示。仿真結果顯示模擬加法器的輸出VA≈2.2 V，有效地實現了加法器功能。圖6給出了VA與輸入信號VA1的直流掃描關系曲線。仿真結果顯示，模擬加法器的輸出電壓VA與輸入電壓VA1成線性關系，其差值恒為一常數。

圖7為模擬加法器輸出電壓VA與溫度的關系仿真曲線。仿真結果顯示，當溫度在0～110 ℃范圍變化時，輸出電壓VA變化量僅為1.18 mV。

圖5模擬加法器瞬態仿真

圖6模擬加法器輸出VA與輸入VA1的關系曲線

圖7模擬加法器輸出電壓與溫度關系仿真曲線

4結語

本文設計了一種適用于DCDC開關電源的模擬加法器，其具有簡單的電路結構。采用CSMC 0.5 μm CMOS混合工藝以及Cadence的Spectre仿真工具對所設計的電路進行了仿真驗證。仿真結果顯示模擬加法器具有非常好的性能，能夠滿足DCDC開關電源的要求。參考文獻：

[1]顧亦磊，呂征宇，錢照明.DC/DC拓撲的分類及選擇標準[J].浙江大學學報，2004，38（10）：13751379.

[2]趙卉.電流控制模式單片開關電源的設計[D].成都：電子科技大學，2005.

[3]TAN Min， ZHOU Qianneng. A endpoint prediction scheme with constant amplitude ramp signal suitable for high voltage applications [C]//Electron Devices and SolidStatc Circuits（EDSSC）， 2010IEEE International Conference. Hong Kong：[s.n.]，2010： 14.

篇9

中圖分類號：TM63 文獻標識碼：A

0 引言

目前，變電站內二次設備中的繼電保護裝置、安全自動裝置、測控裝置均為直流供電，但還有一部分IT類設備，因其電源輸入標注為交流220V，如1：變電站自動化系統（或稱為變電站計算機監控系統）的當地監控后臺機（計算機及顯示器）、部分站內網絡交換機，仍舊采用交流220V供電，為確保實時信息的采集，必須不間斷供電，故該交流220V采用的是UPS輸出。如2：變電站內的調度數據網接入層路由器、二次安全防護設備（接入交換機、Ⅱ區防火墻、部分Ⅰ區加密認證裝置），也是如此。

變電站內的直流電源系統是非常可靠的，因為它本身有多個充電模塊并聯運行，且有蓄電池組作為充電模塊交流輸入失電時的后備，另外，220kV變電站直流電源系統采用了兩組蓄電池兩套充電裝置的二段單母線接線方式，就更加可靠了，見圖0-1。上文提及的這些IT類設備，若能采用直流供電，則二次設備就統一是直流供電，這樣一來可簡化變電站內的供電網絡，即可取消UPS供電這個層次，精簡變電站內設備，提升變電站運行可靠性。因為電源網絡越簡單越可靠，設備越少越可靠。

圖0-1 直流電源系統示意圖

1 開關電源的發展過程分析

在開關電源出現之前，線性穩壓電源（以下簡稱線性電源）已經應用了很長一段時間。而后，開關電源是作為線性電源的一種替代物出現的，開關電源這一稱謂也是相對于線性電源而產生的。

線性電源的典型結構結構見圖1-1。圖中的關鍵元器件是調整管V。為了使調整管 V可以發揮足夠的調節作用，V必須工作在線性放大狀態，且保持一定的管壓降。因此，這種電源被稱為線性電源。它的缺點：一是調整管V工作在線性放大狀態，損耗很大，因而使整個電源效率很低；二是需要一個工頻變壓器T，使得電源體積大、重量重，搬運過早年生產的電子儀器的人都會有這樣的體會，電子儀器往往“一頭沉”，這較重的一頭往往就是電源變壓器所在的一頭。

圖1-1 線性電源結構簡圖

開關電源就是為了克服線性電源的缺點而出現的，其典型結構見圖1-2。首先，該電路中起調節輸出的逆變電路中的電力電子器件都工作在開關狀態，損耗很小，使得電源的效率可達到90%甚至95%以上。其次，電路中起隔離和電壓變換作用的變壓器T是高頻變壓器，其工作頻率多為20kHz以上，因為高頻變壓器體積可以做得很小，從而使整個電源的體積大為縮小，重量也大大減輕。同時由于工作頻率高，濾波器的體積也大為減小。

圖1-2 開關電源結構框圖

按目前的習慣，開關電源專指電力電子器件工作在高頻開關狀態下的直流電源，因此，開關電源也常被稱為高頻開關電源，也可以說開關電源是高頻開關電源的簡稱。

由于計算機等電子裝置的集成度不斷增加，功能越來越強，體積卻越來越小，因此迫切需要體積小、重量輕、效率高、性能好的新型電源，這就成了開關電源技術發展的強大動力。

新型電力電子器件的發展給開關電源的發展提供了物質條件。20世紀60年代末，雙極型電力晶體管的出現，使得采用高工作頻率的開關電源得以問世，那時確定的開關電源的基本結構一直沿用至今。

開關頻率的提高有助于開關電源體積減小、重量減輕。20世紀70年代開關頻率終于突破了人耳聽覺極限的20kHz。后來，隨著電力MOSFET的應用，開關電源的開關頻率進一步提高。

由于和線性電源相比，開關電源在絕大多數性能指標上都具有很大的優勢。因此，目前除了對直流輸出電壓的紋波要求極高的場合以外，開關電源已經全面取代了線性電源。計算機、電視機、各種電子儀器幾乎都已是開關電源的一統天下。

作為電子裝置的供電電源，在20世紀80年代以前，作為線性電源的更新換代產品，開關電源主要用于小功率范圍。那時，中大功率直流電源仍以晶閘管相控電源為主。但是，80年代起，絕緣雙極型晶體管（IGBT）的出現使得開關電源的容量不斷增大，在許多中等容量范圍內迅速取代了相控電源。在通信領域，早期的48V基礎電源幾乎都是采用的晶閘管相控電源，現在已逐步被開關電源所取代。電力系統的操作用直流電源以前也是采用晶閘管相控電源，目前開關電源已經成為其主流。

2 IT類設備內部電源模塊分析及直流輸入試驗、實踐

這些IT類設備，在其電源輸入處標的是交流220V，那么改用直流220V輸入時設備能正常運行?下文將從其內部電源模塊的原理及實驗情況來進行闡述。

2.1 內部電源模塊的原理及直流輸入可行性分析

從上文開關電源的發展過程分析中，已知曉：現代的這些IT類設備，其內部電源模塊均采用了開關電源。打開這些IT設備的機箱，“開關電源”四個字，有的已明顯地將其印在了內部電源模塊上。如，思科路由器Cisco2811、3725，臺式計算機Dell GX620其內部電源模塊的外殼上有“開關電源”四個字印在上面。

從開關電源的原理圖（圖2-1）中可以看出，開關電源內部最前級，即與工頻交流輸入直接連接的就是橋式整流電路，并不存在像線性電源一樣的隔直通交的工頻變壓器，故改輸入的直流220V也能順利通過整流電路，向后級電路提供直流電。就算是個別變電站的直流電源系統為直流110V，因開關電源輸入電壓范圍很寬，故也不存在任何問題。

圖2-1 開關電源原理簡圖

部分廠家為節約成本或出于其它原因，其設備內部電源模塊的輸入電路采用了半波整流，故此時直流220V輸入就有方向的要求了。如，終端服務器Moxa NPort6650-16，使用手冊上就作了這樣的說明。后續應用實驗到的網絡交換機Cisco WS-C2960也是如此。

2.2實驗情況

2.2.1 測量各類設備的輸入阻抗

測量方法，在不打開其機箱查看電路的情況下，用萬用表（Fluke111）的“電阻檔”測試，主要通過測得的電阻值來簡單快速判斷內部是開關電源還是老式的工頻變壓器整流電源。

從表2-1的記錄實測數據可以看出，電阻值均較大，不屬于工頻變壓器類型，而應屬于開關電源類型。

序號 設備類別 設備型號 L、N之間的電阻值 L、地之間的電阻值 N、地之間電阻值

1 網絡交換機 Cisco WS-C2950 0.612兆歐 ∞ ∞

2 網絡交換機 Cisco WS-C2960 1.217兆歐 ∞ ∞

3 數據網路由器內的電源模塊 Cisco 3725電源模塊 1.056兆歐（開關OFF） ∞ ∞

4 數據網路由器內的電源模塊 Cisco 3725電源模塊 0.380兆歐（開關ON） ∞ ∞

5 防火墻 NetEye 0.836兆歐 ∞ ∞

6 當地監控后臺機（臺式計算機） Dell GX260 0.760兆歐 ∞ ∞

7 液晶顯示器 Dell 1703Fpt 1.0兆歐 ∞ ∞

表2-1 變電站IT類設備輸入阻抗測量記錄表

2.2.2 輸入直流220V，觀察設備運行是否正常。

從表2-2記錄的運行情況可以看出，直流輸入時設備均能運行正常，且網絡交換機Cisco WS-C2960直流輸入時還有正負極性的要求。

序號 設備類別 設備型號 L、N之間接入直流 “＋” 220V時的運行情況 L、N之間接入直流 “－” 220V時的運行情況

1 網絡交換機 Cisco WS-C2950 工作正常（內部有指示燈亮） 工作正常（內部有指示燈亮）

2 網絡交換機 Cisco WS-C2960 未工作（風扇不轉，SYST燈不亮） 工作正常（風扇轉，SYST燈閃爍）

3 數據網路由器內的電源模塊 Cisco 3725電源模塊 工作正常（有輸出電壓） 工作正常（有輸出電壓）

4 防火墻 NetEye 工作正常（風扇轉，Power燈亮，HDD燈閃爍） 工作正常（風扇轉，Power燈亮，HDD燈閃爍）

5 當地監控后臺機（臺式計算機） Dell GX260 工作正常（電源燈亮） 工作正常（電源燈亮）

表2-2 變電站IT類設備直流供電測試記錄表

2.3 現場實踐情況

2.3.1 IT類設備正向應用的一些情況。即標注為交流供電的設備，實際采用直流供電

2010年的220kV變電站二次安防工程，其二次安全防護設備（防火墻FW5120、網絡交換機Cisco WS-C2960）；2011年的220kV變電站第二平面工程，其路由器ZXR10-3800、網絡交換機ZXR10-2928；2011年的青陽變增容改造工程、球莊變新建工程，其路由器Quidway AR2240。這些，IT類設備均采用了直流220V供電，運行穩定正常。

2.3.2 其它設備的一些情況

2.3.2.1 監控系統設備屏、測控裝置反向應用的一些情況。即標注為直流供電的設備，實際采用交流供電

1999、2000、2001年的35kV變電站計算機監控系統BJ-3設備屏，采用了交流220V供電，這說明其內部的開關電源模塊對交直流來講是互通的，即原先定義直流220V供電的設備，用交流220V也能正常運行。

2009年的UPS機房RCS-9603測控裝置，采用了交流220V供電，這也說明是互通的。

2.3.2.2 早期的電氣量變送器不能直流供電的一些情況

只有90年代至21世紀初的電氣量變送器（交流有功功率變送器、交流電流變送器、交流電壓變送器等等），其內部采用的是線性電源模塊。花園電廠還出現了多次變送器故障的情況（實際為內部電源模塊燒壞），后查明該變送器屏接在了應急電源上，應急電源是每隔幾個月要切換一次，即由交流短時間地切到直流上，即直流向變送器供電，因變送器內部電源輸入為工頻變壓器，故造成小電阻短路燒毀線圈。

3 結語

早期投運的35kV變電站（即少量80年運的），其電容儲能式直流電源系統已陸續淘汰，改造為蓄電池組式直流電源系統，故變電站直流電源系統已是非常可靠的設備、回路供電系統。

傳統的UPS，其應用的范圍一般為各單位數據中心機房，各級各類調度大樓自動化機房、信息機房，由單獨的蓄電池組作為后備電源，確保給設備提供不間斷的交流220V電源。這些場所，只能提供市電，即交流220V，它不像變電站有直流電源系統。

80年代末至90年代初的變電站安裝自動化裝置（遙測、遙信），以及90年代中期開始的變電站無人值班改造（遙測、遙信、遙控），那時因電氣量變送器、遙控執行屏等設備其內部仍為線性電源模塊，只能交流220V供電，故變電站內必須配置傳統的UPS（含蓄電池組），向這些設備提供不間斷的交流220V電源。

21世紀初開始的變電站綜合自動化改造，陸續淘汰了技術落后的電氣量變送器、遙控執行屏等設備，采用的技術先進的測控裝置、保護測控一體裝置。雖然當時傳統UPS陸續或同步淘汰，采用了后備電源為直流220V的新式UPS、或逆變電源，但UPS這個類型的設備還繼續存在著，向這些電源輸入端文字標注著交流220V輸入的IT類設備供著電。

根據上述對開關電源的發展過程分析，變電站IT類設備內部電源模塊的分析、試驗及現場實踐，可以得出變電站內的IT類設備可以采用直流供電的結論。

從上可以看出，變電站有一般辦公場所所不可能具備的直流電源系統，且該供電系統是非常可靠的，而變電站的這些IT類設備在技術層面又完全可以支持直流供電，那么變電站UPS已經沒有存在的必要性了。故本文最終提出取消UPS（及逆變電源），以簡化變電站內供電網絡，精簡設備，提升變電站運行可靠性。

參考文獻

[1] 裴云慶，楊旭，王兆安. 開關穩壓電源的設計和應用. 北京：機械工業出版社，2010.

[2] 沙占友，于國慶，王曉君，許云峰等. 線性及開關穩壓器設計320例. 北京：電子工業出版社，2009.

[3] 王兆安，黃俊. 電力電子技術. 北京：機械工業出版社，2006.

[4] 何永華. 發電廠及變電站的二次回路. 北京：中國電力出版社，2004.

[5] 姚春球. 發電廠電氣部分. 北京：中國電力出版社，2004.

[6] 謝萍. 直流系統及逆變電源系統 施工圖. 南京：江蘇省電力設計院，2010.

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關鍵詞: 電力電子技術; 高頻開關電源; 功率半導體器件; 功率變換

中圖分類號：F407.61 文獻標識碼：A 文章編號：

1 電力電子技術概述

電力電子技術以功率處理為對象，以實現高效率用電和高品質用電為目標，通過采用電力半導體器件，并綜合自動控制計算機(微處理器)技術和電磁技術，實現電能的獲取、傳輸、變換和利用。電力電子技術包括功率半導體器件與IC技術、功率變換技術及控制技術等幾個方面。

電力電子技術起始于20世紀50年代末60年代初的硅整流器件，其發展先后經歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代，并促進了電力電子技術在許多新領域的應用。70年代后期以門極可關斷晶閘管（GTO），電力雙極型晶體管（BJT），電力場效應管（P-MOSFET）為代表的全控型器件全速發展，使電力電子技術的面貌煥然一新進入了新的發展階段。80年代末期和90年代初期發展起來的、以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表的復合型器件集驅動功率小，開關速度快，通泰壓降小，載流能力大于一身，性能優越使之成為現代電力電子技術的主導器件。

2高頻開關電源概述

高頻開關電源是交流輸入直流整流，然后經過功率開關器件（功率晶體管、MOS管、IGBT等）構成放入逆變電路，將高壓直流（單相整流約300V，三相整流約500V）變換成方波（頻率為20kHz）。高頻方波經高頻變壓器降壓得到低壓的高頻方波，再經整流濾波得到穩定電壓的直流輸出。

高頻開關電源的特點[1]：

1、重量輕，體積小

由于采用高頻技術，去掉了工頻（50Hz）變壓器，與相控整流器相比較，在輸出同等功率的情況下，開關電源的體積只是相控整流器的1/10，重量也接近1/10。

2、功率因數高

相控整流器的功率因數隨可控硅導通角的變化而變化，一般在全導通時，可接近0.7，以上，而小負裁時，但為0.3左右。經過校正的開關電源功率因數一般在0.93以上，并且基本不受負載變化的影響。

3、可聞噪聲低

在相控整流設備中，工頻變壓器及濾波電感作時產生的可聞噪聲大，一般大于60db，而開關電源在無風扇的情況下可聞噪聲僅為45db左右。

4、效率高

開關電源采用的功率器件一般功耗較小，帶功率因數補償的開關電源其整機效率可達88%以上，較好的可以做到92%以上。

5、沖擊電流小

開機沖擊電流可限制在額定輸入電流的水平。

6、模快式結構

由于體積小，重量輕，可設計為模塊式結構。

3電力電子技術在大功率開關電源中的應用

3.1功率半導體器件

功率半導體器件的發展是高頻開關電源技術的重要支撐。功率MOSFET和IGB的出現，使開關電源高頻化的實現成為可能；超快恢復功率二極管和MOSFET同步整流技術的開發，為研制高效率或低電壓輸出的開關電源創造了條件；功率半導體器件的額定電壓和額定電流不斷增大，為實現單機電源模塊的大電流和高率提供了保證。

（1）功率MOSFET

功率MOSFET是一種單極型（只有電子或空穴作但單一導電機構）電壓控制半導體元件[8]，其特點是控制極（柵極）靜態內阻極高，驅動功率很小，開關速度高，無二次擊穿，安全區寬等。開關頻率可高達500kHz,特別適合高頻化的電力電子裝置。

（2）絕緣柵雙極晶體管IGBT

絕緣柵雙極晶體管IGBT是一種雙（導通）機制復合器件，它的輸入控制部分為MOSFET，輸出極為GTR，集中了MOSFET及GTR分別具有的優點[2]：高輸入阻抗，可采用邏輯電平來直接驅動，實現電壓控制，開關速度高，飽和壓降低，電阻及損耗小，電流、電壓容量大，抗浪涌電流能力強，沒有二次擊穿現象，安全區寬等。

3.2軟開關技術

傳統大功率開關電源逆變主電路結構多采用PWM硬開關控制的全橋電路結構，功率開關器件在開關瞬間承受很大的電流和電壓應力，產生很大的開關損耗，且隨著頻率的提高而損耗增大。工作頻率在20kHz，采用IGBT功率器件的PWM硬開關控制的電源，功率器件開關損耗占總損耗的60%~70%，甚至更大[3]。為了消除或抑制電路的電壓尖峰和浪涌電流，一般增加緩沖電路，不僅使電路更加復雜，還將功率器件的開關損耗轉移到緩沖電路，而且緩沖電路的損耗隨著工作頻率的提高而增大。

軟開關技術利用諧振原理，使開關器件兩端的電壓或流過的電流呈區間性正弦變化，而且電壓、電流波形錯開，使開關器件實現接近零損耗。諧振參數中吸收了高頻變壓器的漏抗、電路中寄生電感和功率器件的寄生電容，可以消除高頻條件下的電壓尖峰和浪涌電流，極大地降低器件的開關應力，從而大大提高開關電源的效率和可靠性。

3.3同步整流技術

對于輸出低電壓、大電流的開關電源來講，進一步提高其效率的措施是在應用軟開關技術的基礎上，以功率MOS管反接作為整流用開關二極管，這種技術稱為同步整流（SR），用SR管代替肖特基二極管（SBD）可以降低整流管壓降，提高開關電源的效率。

現在的同步整流技術都在努力地實現ZVS及ZCS方式的同步整流。自從2002年美國銀河公司發表了ZVS同步整流技術之后，現在已經得到了廣泛應用[4]。這種方式的同步整流技術巧妙地將副邊驅動同步整流的脈沖信號與原邊PWM脈沖信號聯動起來，其上升沿超前于原邊PWM脈沖信號的上升沿，而降沿滯后的方法實現了同步整流MOSFET的ZVS方式工作。最新問世的雙輸出式P聯M控制IC幾乎都在控制邏輯內增加了對副邊實現ZVS同步整流的控制端子。這些IC不僅解決好初級側功率MOSFET的軟開關, 而且重點解決好副邊的ZVS方式的同步整流。用這幾款IC制作的DC/DC變換器, 總的轉換效率都達到了94%以上。

3.4控制技術

開關變換器具有強非線性、離散性、變結構的特點，負載性質也是多變的，因此主電路的性能必須滿足負載大范圍的變化，這使開關電源的控制方法和控制器的設計變得比較復雜。

電流型控制及多環控制在開關電源中得到了較廣泛的應用；電荷控制、單周期控制等技術使開關電源的動態性能有了很大的提高。一些新的方法，如自適應控制、模糊控制、神經網絡控制及各種調制方式在開關電源中的應用，已經引起關注。

隨著微電子技術的發展，微控制器的處理速度越來越快，集成度越來越高，將微控制器或者DSP應用到大功率開關電源的數字控制模塊已經成為現實。開關電源的高性能數字控制芯片的出現，推動了電源數字化的進程[5]。

數字控制可以實現精細的非線性算法，監控多部件的分布電源系統，減少產品測試的調整時間，使產品生產率更高。實時數字控制可以實現快速、靈活的控制設計，改善電路的瞬態響應性能，使之速度更快、精度更高、可靠性更強。

4 結束語

高頻開關電源作為電子設備中不可或缺的組成部分也在不斷地改進，高頻化、模塊、數字化、綠色化是其發展趨勢。高頻開關電源上述各技術的實現，將標志著開關電源技術的成熟。電力電子技術的不斷創新，將使開關電源產業有著廣闊的發展前景。

參考文獻

[1] 莫慧芳. 高頻開關電源發展概述. 電源世界, 2007（5）

[2] 賀益康, 潘再平. 電力電子技術. 科學出版社, 2010年第2版

[3]倪倩, 齊鉑金, 趙晶等. 軟開關全橋PWM主電路拓撲結構在逆變焊接電源中的應用. 自動化與儀表, 2002（1）