开关电源原理设计篇1

摘 要：在用电子技术专业课程体系中，它是一门“行业概貌”类型的课程，开关电源应用相当广泛与普遍，学生通过这门课的学习对自己未来所从事的岗位和专业将会有比较深入的了解，更会对自己未来的行业有生动细致的体验。该文针对《开关电源的应用与维护》这门课整体教学设计进行探讨，突出体现了现在职业教育中以学生为主体的教学理念，通过设计不同的教学项目，来培养学生的动手能力，以适应社会的需求。

关键词：开关电源的应用与维护 整体设计 教学项目考核

中图分类号：G71 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）09（c）-0068-02

1 课程基本信息

《开关电源的应用与维护》是一门应用电子技术专业学生的职业能力必修课，它是学生入学第四学期开设的课程。它的先修课程是《电路基础》《模拟电路的分析与应用》《数字电路的分析与应用》。后续课程有《电子整机电路检修与调试》《供、配电系统的运行与检测》。在应用电子技术专业课程体系中，它是一门“行业概貌”类型的课程，开关电源应用相当广泛与普遍，学生通过这门课的学习对自己未来所从事的岗位和专业将会有比较深入的了解，更会对自己未来的行业有生动细致的体验。

2 课程定位

2.1 岗位分析

应用电子技术专业的学生初次就业可从事：开关电源维修工、流水线装配工、电源设备维护员等。

晋升的岗位有：开关电源产品技术员、设计员、设备主管、生产主管等。

未来的发展岗位有：系统工程师、研发工程师、新型项目研发负责人等。

2.2 课程分析

具体情况见表1。

3 课程目标设计

3.1 总体目标

通过此门课程的学习，使学生了解电子元器件在高频工作状态下的特性，能够对各种不同种类开关电源的结构和工作过程进行分析和调试，能够根据电路图判断开关电源的拓扑结构以及调制方式；使学生能够通过常用工具、仪表进行开关电源的安装、调试、检修；使学生能够胜任各种开关电源电路系统的维护、分析、设计等工作岗位；为学生进一步学习专业知识和职业技能打下良好基础；培养学生的团队意识、创新能力。

3.2 能力目标

（1）学会使用仪表进行开关元器件的识别与检测的方式方法。

（2）能够具备根据电路图进行开关电源的结构种类的判断，分析调制方式的能力。

（3）能够具备使用仪器仪表和工具进行开关电源的日常维护与故障分析处理的能力。

（4）能够按照行业标准和工厂实践要求进行开关电源的安装、调试、检测。

（5）掌握开关电源的设计方法，了解开关电源的新技术。

3.3 知识目标

（1）掌握开关电源的基础知识，知道开关电源的种类。

（2）理解开关电源的基本原理，掌握开关电源的工作方式。

（3）了解掌握开关电源中常用的电子器件及其驱动方式。

（4）理解掌握各种非隔离型DC-DC变换器的拓扑结构和控制方式及工作原理。

（5）理解掌握各种隔离型DC-DC变换器的拓扑结构和控制方式以及工作原理。

（6）掌握软开关与整流技术。

（7）理解掌握开关电源的控制方式以及多种调制芯片的工作原理。

（8）了解整流器和保护电路的工作原理。

（9）掌握开关电源的电路分析方法。

3.4 素质目标

（1）注意日常操作的职业素养，养成正确配戴劳动保护用品的良好习惯，具有自我防护意识。

（2）培养学生勇于探索的科学态度，勇于实践创新的精神。

（3）培养学生养成遵守工作规范、工艺规定及安全操作规程的意识。

（4）培养严肃认真、科学严谨的精神；培养学生的协调能力。

（5）培养学生与客户及应用方的沟通能力。

（6）培养学生将理论应用于实践，彼此互相结合的精神。

4 课程内容设计

《开关电源的应用与维护》这门课程的整体设计由4个项目组成，个别项目包含子项目。教师通过带领学生完成这些项目，使学生能了解开关电源的现状和发展趋势，能熟练使用常用仪器设备和工具进行电脑、充电器和普通用电设备开关电源的维护和一般故障排除。初步使用专业软件和专业外语；学生能够按照行业标准和要求完成相关工作任务；学生能够根据具体用电器的要求进行图纸绘制、进行简单计算、并进行初步分析和设计。具体设计内容见表2。

5 考核方案

此课程改变以往用试卷方式为终结性考核的形式，采用项目过程考核，并将每个项目赋予了不同权重，根据学生对项目的实际操作完成情况，平时课上就给出了实践操作成绩。同时，结合同学的课堂表现、出勤及作业完成情况，最终确定其这门课的成绩。教学项目考核成绩表见表3。

参考文献

[1] 沈显庆.开关电源原理与设计[M].南京：东南大学出版社，2012.

开关电源原理设计篇2

论文首先介绍了电力电子技术及器件的发展和应用,具体阐明了国内外开关电源的发展和现状,研究了开关电源的基本原理,拓扑结构以及开关电源在电力直流操作电源系统中的应用,介绍了连续可调开关电源的设计思路、硬件选型以及TL494在输出电压调节、过流保护等方面的工作原理和具体电路,设计出一种实用于电力系统的开关电源,以替代传统的相控电源。该系统以MOSFET作为功率开关器件,构成半桥式Buck开关变换器,采用脉宽调制(PWM)技术,PWM控制信号由集成控制TL494产生,从输出实时采样电压反馈信号,以控制输出电压的变化,控制电路和主电路之间通过变压器进行隔离,并设计了软启动和过流保护电路。该电源在输出大电流条件下,能做到输出直流电压大范围连续可调,同时保持良好的PWM稳压调节运行。 开关电源结构

以开关方式工作的直流稳压电源以其体积小、重量轻、效率高、稳压效果好的特点,正逐步取代传统电源的位置,成为电源行业的主流形式。可调直流电源领域也同样深受开关电源技术影响,并已广泛地应用于系统之中。

开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、IGBT和MOSFET。

SCR在开关电源输入整流电路及软启动电路中有少量应用, GTR驱动困难,开关频率低,逐渐被IGBT和MOSFET取代。在本论文中选用的开关器件为功率MOSFET管。

开关电源的三个条件:

1. 开关:电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态;

2. 高频:电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频;

3. 直流:开关电源输出的是直流而不是交流。

根据上面所述,本文的大体结构如下:

第一章,为整个论文的概述,大致介绍电力电子技术及器件的发展,简单说明直流电源的基本情况,介绍国内外开关电源的发展现状和研究方向,阐述本论文工作的重点;

第二章,主要从理论上讨论开关电源的工作原理及电路拓扑结构;

第三章,主要将介绍系统主电路的设计;

第四章,介绍系统控制电路各个部分的设计;

第五章,集中在系统的仿真与调试。对系统的整体性能做出评价,指出系统的优缺点。

开关电源原理设计篇3

关键词：继电保护装置；工作原理；故障分析；验证

本文从开关电源的原理入手，以测试的角度，对两种有故障的电源模块通过试验再现其故障现象，并分析了其故障原因，最后对改进后的开关电源进行了对比验证。

1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。

图1开关电源原理图

2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。

2.1输入电源波动，开关电源停止工作

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。

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。

图2输入电源中断一段时间后恢复

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。

图3输入电源长时中断后恢复

图4输入电源短时中断后恢复

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％Un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。

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。

图5增加放电回路后原理图

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。

2.2启动电流过大，导致供电电源过载告警

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。

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±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）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。

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±100mA，因而启动时稳态电流和瞬态电流将为400±100mA，启动电流较改进前减小300mA，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。

3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：

1)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。

2)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。

开关电源原理设计篇4

关键词aber;反激式开关电源;仿真

中图分类号TM359.4 文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)042-0020-01

开关电源被誉为高效节能电源,它代表着稳压电源的发展方向。目前,随着各种新科技不断涌现,新工艺被普遍采用,新产品层出不穷,开关电源正向小体积、高功率密度、高效率的方向发展,开关电源的保护电路日趋完善,开关电源的电磁兼容性设计及取得突破性进展,专用计算机软件的问世为开关电源的优化设计提供了便利条件。

Saber是美国Analogy公司开发,现由Synopsys公司经营的系统仿真软件,被誉为全球最先进的系统仿真软件,也是唯一的多技术,多领域的系统仿真产品,现已成为混合信号、混合设计技术和验证工具的业界标准,可用于电子、机电一体化、机械、光电、光学、控制等不同类型系统构成的混合系统仿真,与其他由电路仿真软件相比,其具有更丰富的元件库和更精致的仿真描述能力,仿真真实性更好。

1反激式开关电源基本原理

反激式开关电源其拓扑结构如图1。

其电磁能量储存与转换关系如下

如图2(a)当开关管导通,原边绕组的电流Ip将线形增加,磁芯内的磁感应强度将增大到工作峰值,这时可以把变压器看成一个电感,逐步储能的过程。

如图2(b)当开关管关断,初级电流降到零。副边整流二极管导通,感生电流将出现在复边。从而完成能量的传递。按功率恒定原则,副边绕组安匝值与原边安匝值相等。

2基于UC3842的反激式开关电源电路设计

由Buck-Boost推演并加隔离变压器后而得反激变换器原理线路。多数设计中采用了稳定性很好的双环路反馈(输出直流电压隔离取样反馈外回路和初级线圈充磁峰值电流取样反馈内回路)控制系统,就可以通过开关电源的PWM(脉冲宽度调制器)迅速调整脉冲占空比,从而在每一个周期内对前一个周期的输出电压和初级线圈充磁峰值电流进行有效调节,达到稳定输出电压的目的。这种反馈控制电路的最大特点是:在输入电压和负载电流变化较大时,具有更快的动态响应速度,自动限制负载电流,补偿电路简单。以UC3842为控制芯片设计一款50W反激式开关电源,其原理图如图3所示。

2.1高频变压器设计

1)原边匝数

因为作用电压是一个方波,一个导通周期的伏秒值与原边匝数关系如式(1)

Np=(1)

式中 Np――原边匝数;

Vp――原边所加直流电压(V);

ton ――导通时间(us);

Bac――交变工作磁密(mT);

Ae――磁心有效面积(mm2)。

2)副边绕组

由原边绕组每匝伏数=母线电压/原边匝数可得

副边绕组匝数=(输出电压+整流二极管压降+绕组压降)/原边绕组每匝伏数

3)气隙

实用方法:插入一个常用气隙,例如0.5mm,使电源工作起来在原边串入电流探头。注意电流波形的斜率,并调整气隙达到所要求的斜率。

也可用式(2)计算气隙。

lg=(2)

式中lg ――气隙长度(mm);

u0 ――4n×107;

Np――原边匝数;

Lp――原边电感;

Ae ――磁心面积(mm2)。

2.2反馈环节

图3中反馈环节由光耦PC817和TL431组成,适用于电流控制模式。输出电压精度1%。电压反馈信号经分压网络引入TL431的Ref段,装换为电流反馈信号,经过光耦隔离后输入UC3842的控制段。

TL431是由美国德州仪器生产的2.5V-36V可调式精密并联稳压器。内有参考电压2.5V,它与参考端一起控制内部的比较放大器。在输出阴极和参考端可加反馈网络,影响整个开关电源的动态品质特性。

2.3控制芯片电路

UC3842由4脚外接RC生成稳定的振荡波形,振荡频率=1.8/R12×C15。6脚输出驱动脉冲,驱动MOSFET在导通和截至之间工作。8脚提供一个稳定的5V基准源。

3Saber电路仿真

利用 Saber 软件进行仿真分析主要有两种途径,一种是基于原理图进行仿真分析,另一种是基于网表进行仿真分析。基于原理图进行仿真分析的基本过程如下:

1)在Saber Sketch中完成原理图录入工作;

2)然后使用net list命令为原理图产生相应的网表;

3)在使用simulate命令将原理图所对应的网表文件加载到仿真器中,同时在Sketch中启动Saber Guide界面;

4)在Saber Guide界面下设置所需要的仿真分析环境,并启动仿真;

5)仿真结束以后利用Cosmos Scope工具对仿真结果进行分析处理。

在这种方法中,需要使用Saber Sketch和Cosmos Scope两个工具,但从原理图开始,比较直观。所以,多数Saber的使用者都采用这种方法进行仿真分析。但它有一个不好的地方就是仿真分析设置和结果观察在两个工具中进行,在需要反复修改测试的情况下,需要在两个窗口间来回切换,比较麻烦。

4系统仿真及实测

在Saber Sketch中完成原理图。并进行DC/AC分析。

如图4(a)为开关电源在220V交流输入时的MOSFET驱动电压波形仿真结果(b)为实测样机MOSFET驱动电压波形。作为专业级开关电源仿真软件,Saber在控制环路设计上,能够真实且直观的检验设计的稳定性。

如图5(a)为开关电源电流采样电阻上的电压波形的仿真结果(b)为实测波形。涉及开关电源部分器件选型的重要参数也同样可以通过仿真波形得到,例如开关器件MOSFET额定工作时通态最大电流等参数,同样可以从仿真波形中得出。

5结束语

在电路设计初期,借用Saber的电路级仿真可以很直观的对开关电源电路设计进行的评估,并在控制环路的设计上会有很大的帮助。在完成样机的初步测试后,同样可以借助仿真对电路功能进行校验。该电路广泛应用于小功率场合,具有体积小,成本低,结构简单等优点。

(a)仿真(b)实测

图4MOSFET驱动电压波形

(a)仿真 (b)实测

图5电流采样电阻电压波形

测试结果(图5b)为220V,50Hz交流输入时,实验样机测试波形。

参考文献

[1]沙占友.单片开关电源最新应用技术,2006.

[2]王建秋,刘文生.Saber仿真在移向全桥软开关电源研发中的应用,2009.

[3]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计,2000.

[4]Saber.仿真中文教程.

[5]张煜.基于Saber的Boost APFC仿真分析及DSP实现.2009.

[6] Analogy Inc Saber Designer Introductory Course.1997.

开关电源原理设计篇5

【关键词】变频器；AN8026

1.前言

变频器在能源节约、电力环保方面意义重大，电动机驱动是电能消耗大户，约消耗全国65%发电量，近三十多年来变频调速已在钢铁、冶金、石油、化工、电力等工作中得到广泛运用，其他家用电器例如变频冰箱，变频洗衣机、变频微波炉等也已相继出现[1]，因此设计可靠高性能的变频器电源尤为重要。本文设计的电源采用开关电源控制集成电路AN8026，AN8026为松下公司开发的反激式单端输出开关驱动控制器，其内部采用RC充放电控制的RS触发器作为驱动信号源，其输出脉冲可直接驱动MOSFET开关管，而不必外设灌流电路[2]。

变频技术目前得到了广泛的应用，而变频器的可靠稳定运行决定了变频器性能指标，作为基础硬件，变频器电源的高效可靠运行至关重要[3]。如图1所示为变频器的拓扑结构，主要由整流单元、预充电电路、制动单元和逆变单元组成，从图中可知，变频器电源为驱动电路和控制电路提供直流电源，驱动电路则为逆变单元提供驱动能力强响应速度快的驱动脉冲，因而设计高效可靠变频器电源硬件显得尤为重要。

2.电源软开关技术及电路原理

AN8026为松下公司开发的反激式单端输出RCC型准谐振软开关驱动控制器，封装为SIP 9脚封装，各个脚号的定义如表1所示，内部框图如图2所示，其特点如下[4]：

·供电电压为下限8.6V到上限34V；

·输出脉冲为单端图腾柱式驱动脉冲；

·输出驱动电流为+1A，直接驱动M0SFET管；

·启动电流为8uA，减小启动电阻功耗；

·内置逐周控制过流保护电路；

·内置滞回特性的输入欠压8.6V保护电路；

·外置稳压管的过压保护电路。

AN8026的极限参数如表2所示，图3为AN8026的电路原理图。软开关电源主要由控制芯片AN8026、MOSFET K2225、TL431、脉冲变压器TR1等组成。VCC通过启动电阻R1、R3、R5、R6限流分压由直流母线供电，输入直流母线电压等级不同可以调节启动电阻的阻值，当达到启动电压时，变换器开始工作，此后控制芯片由副边+18V辅助绕组供电。

R8将TR1辅助绕组的感应脉冲限流，二极管D6负向箝位，将2.8V的正脉冲送入第①脚用作TR1的磁通复位检测，可以避免TR1磁能未释放完毕时开关管导通产生的冲击电流，同时保证输出电压的稳定；第②脚外接C10、R14设定最小关断时间，C10设定最小导通时间；第④脚以R15作为开关管源极电流传感器，正比于开关电流峰值电压；第⑧脚的过压保护由稳压管ZD4从Vcc端取样，使启动工作电压不超出上限值34V，DZ选用22V稳压管，同时可以实现驱动脉冲失控时输出过压保护；为了防止AN8026启动前启动电压瞬间超过28V产生误动作使电路不能启动，电路中由C13对瞬间超压尖蜂进行吸收。

开关电源的软开关主要是通过C5、C6、C7和初级绕组电感Lp组成的准谐振电路来实现，具体的器件参数需根据开关电源的开关频率来计算；同时第④脚电流检测实现过流保护；第⑧脚通过R16和C18进行启动时的过压锁定，实现开关电源软启动；通过TL431组成的反馈回路实现输出电压的稳定。

3.实验验证

根据电路原理图设计，利用软件Altium Designer Summer 09绘制PCB，并调试样机，图4所示为软开关电源实验波形。

从开关电源实验波形可知开关电源的MOSFET开关管开通和关断时电压应力几乎为零，开关管损耗近似为零，这样大大提高了开关电源效率，同时增加了开关管的寿命，提高了电源的可靠性，进而提高了变频器的可靠稳定性。

4.结论

本文设计的变频器电源板具有高效稳定的工作性能，基于AN8026控制芯片设计的软开关电源效率高、稳定可靠，能够驱动板和控制板的供电需求，从实验结果可知，MOSFET开关管开通和关断时电压应力几乎为零，开关管损耗近似为零，这样大大提高了开关电源效率，同时增加了开关管的寿命，进而提高了变频器的可靠稳定性。

参考文献

[1]张树国，李栋，胡竞.变频调速技术的原理及应用[J].节能技术，2009（1）：83-86.

[2]郑国川.RCC型准谐振式AC/DC开关电源控制集成电路AN8026[J].家庭电子（爱好者），2005（22）：12-14.

[3]孙丰涛，张承慧，崔纳新，杜春水.变频器故障诊断技术研究与分析[J].电机与控制学报，2005（3）：73-75+80.

开关电源原理设计篇6

【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.

[2]刘翔.小型开关电源的抗电磁干扰设计[J].电子设计工程，2013，05：149-152.

开关电源原理设计篇7

关键词：开关电源；反激式电路；高频变压器

引言

开关电源是综合现代电力电子、自动控制、电力变换等技术，通过控制开关管开通和关断的时间比率，来获得稳定输出电压的一种电源，因其具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点，在现代电力电子设备中得到广泛应用，代表着当今稳压电源的发展方向，已成为稳压电源的主导产品。文章设计了一种基于TOP-Switch系列芯片的小功率多路输出DC/DC的反激式开关电源。

1 电源设计要求

文章设计的开关电源将用于轨道车辆电动门控制系统中，最大的功率为12W，分四路输出，具体设计参数如下：（1）输入电压Vin=110V；（2）开关频率fs=132kHz；（3）效率η=80%；（4）输出电压/电流 48V/0.2A，15V/0.02A-15V/0.02A，5V/0.3A；（5）输出功率12W；（6）电压精度1%；（7）纹波率1%。（8）负载调整率±3%，电源最小输入电压为Vimin=77V，最大输入电压为Vimax=138V。考虑到设计要满足结构简单，可靠性高，经济性及电磁兼容性等要求，结合本设计输出功率小的特点，最终选用了单端反激式开关电源，它具有结构简单，所需元器件少，可靠性高，驱动电路简单的特点，适合多路输出场合。

2 单端反激式开关电源的基本原理

单端反激式开关电源由功率MOS管，高频变压器，无源钳位RCD电路及输出整流电路组成。其工作原理是当开关管Q被PWM脉冲激励而导通时，输入电压就加在高频变压器的初级绕组N1上，由于变压器次级整流二极管D1反接，次级绕组N2没有电流流过；当开关管关断时，次级绕组上的电压极性是上正下负，整流二极管正偏导通，开关管导通期间储存在变压器中的能量便通过整流二极管向输出负载释放。反激变压器在开关管导通期间只存能量，在截止期间才向负载传递能量，因为能量是单方向传导，所以称为单端变化器[1]。

图1 单端反激式开关电源的原理图

3 TOP-Switch系列芯片的介绍及选型

TOP-Swtich单片开关电源是开关电源专用集成电路，它将脉宽调制电路与高压MOSFET开关管及驱动电路等集成在一起，具备完善的保护功能。使用该芯片设计的小功率开关电源，可大大减少电路，降低成本，提高可靠性[4]。

对于芯片的选择主要考虑输入电压和功率，由设计要求可知，输入电压为宽范围输入，输出功率不大于12W，故选择TOP264VG。

4 电路设计

本设计开关电源的总体设计方案如图2所示。

4.1 主电路设计

4.1.1 变压器设计

变压器的设计是整个电源设计最重要的部分，它的设计好坏直接影响到整个电源性能。

（1）磁芯和骨架的确定

由参考文献[1]可查出，当P0=12W时可供选择的铁氧体磁芯型号，由于采用包线绕制，而且EE型铁芯廉价，磁损耗小且适用性强，故选择EEL19。从厂家提供的磁芯产品手册中可以查到磁芯有效截面积Ae=0.23cm2，磁路有效长度Le=3.94cm2，磁芯等效电感AL=1250Nh/T2

（2）确定最大占空比

（式中VOR为初级感应电压，VDS为开关管漏源导通电压，其中VOR=135V，VDS=10V）

（3）初级波形参数计算

初级波形的参数主要包括输入电流平均值IAGV、初级峰值电流IP

输入电流平均值

初级峰值电流

（其中KRP为初级纹波电流IR与初级峰值电流IP的比值，当反激式开关电源工作在不连续状态时取KRP=1）

（4）确定初级绕组电感

（5）计算各绕组的匝数

初级绕组的匝数 实取33匝

次级为5v输出的绕组定义为NS=4turn

对于±15V输出 实取12匝

对于48V输出 实取36匝

对于偏置绕组 实取10匝

4.1.2 无源钳位电路的设计

反激式开关电源，每当功率MOSFET由导通变为截止时，在开关电源的一次绕组上就会产生尖峰电压和感应电压，和直流高压一起叠加在MOSFET上，漏极电压

这就要求功率MOSFET至少能承受450V的高压，并且要求钳位电路吸收尖峰电压来保护功率MOSFET。本电源的钳位电路由稳压管和二极管D1组成，其中VR1为瞬态电压抑制器P6KE200，D1为快恢复二极管IN4936，当MOSFET导通时，原边绕组电压上正下负，使D1截止，钳位电路不起作用；当MOSFET截止瞬间，原边绕组电压上负下正，使得D1导通，电压被钳位在200V左右。

4.1.3 输出环节的设计

以+5V输出为例，次级绕组高频电压经肖特基二极管SB120整流后，用超低的ESR滤波，为了得到获得更小的纹波电压，在设计时又加入了次级LC滤波器，实验表明，输出的电压更符合期望值。

4.2 反馈环节的设计

反馈回路主要由PC817和TL431组成，这里用的TL431型可调式精密并联稳压器来代替普通的稳压管，构成外部误差放大器，进而对输出电压作精密调整，当输出电压发生波动时，经过电阻R13、R14分压后得到取样电压与TL431中的2.5V的基准电压进行比较，在阴极K上形成误差电压，使光耦合器中的LED工作电流产生相应变化，再通过光耦合器去改变单片开关电源的控制端电流，进而调节输出占空比，使输出电压维持不变，达到稳压目的。

5 结束语

文章设计的开关电源具有结构简单，所需元器件少，体积小，成本低的特点，并且满足所有设计要求，在轨道车辆电动门控制系统中有很好的应用前景。

参考文献

[1]杨立杰.多路输出单端反激式开关电源的设计[J].现代电子技术，2007.

[2]沙占友.开关电源实用技术[M].北京：中国电力出版社，2011.

[3]王云亮.电力电子技术[M].北京：电子工业出版社，2004.

开关电源原理设计篇8

【关键词】PWM；双闭环；检测仪器；开关电源

0 引言

随着我国科技不断稳步发展，越来越多的设备需要用到电源，如：稳压电源、直流电源、交流电源等等。但随着设备先进性的不断提高，设备的功能越来越强大，对电源的要求也越来越高，特别是检测仪器仪表，精度要求非常高，需要有非常稳定可靠的电源来确保测量精度。因此，开关电源取代普通的电源设备，广泛应用于检测仪器仪表中。本文设计一种基于PWM脉冲宽制调试的双闭环开关电源，采用国外先进的全波整流控制器，该控制器工作模式不仅可以是电流式也可以是电压式，还能够为谐振零电压开关提供高效、高频的解决方案，因此具有非常广阔的应用前景。本文采用全桥整流装置，利用双闭环负反馈的直流-直流变换控制系统，能太太提高开关电源的电压、电流等精度，符合检验检测仪表行业的要求。

1 检测仪器电源系统概况

随着信息时代的发展，便携式电子产品被越来越多的消费者亲睐。与此同时，解决能量消耗即电源管理问题成为重中之重。因此，具有高效节能特型的开关电源在近年来发展迅速，并在计算机通讯等领域的应用越来越广泛。而PWM型开关电源芯片就具备了此类特性，其核心技术集中在控制环节。此设计采用PWM控制电路，适用于开关电源芯片控制。对PWM调制电路为保证开关电源正常工作应具有的功能展开分析，得到设计要求。对PWM控制电路的组成模块、分类、基本原理及各项性能指标，进行细致深入的研究，最后得到调制电路的基本电路结构及满足性能指标的组成模块，对各个模块的功能和逻辑是电路设计的重点，最终该电路实现能产生一定脉冲驱动信号的功能。

2 系统控制原理图

双闭环负反馈PWM秒冲宽制调制系统中，有两级的反馈系统。串级系统即是电流双闭环反馈系统，而转速反馈构成外环系统，内环是电流反馈。本方案设计三处进行系统的电流取样反馈，取拥缌髦岛拖低成杓频牡缌髦迪啾冉希当取样电流值过大时，系统会自动调节降低工作电流；但取样的电流过小时，系统会自动调节提高工作电压，这是内环电流反馈的工作情况。外环的转速反馈系统，系统通过电压检测装置检测系统的电压情况，再与设计的电压值相对比进行电压高低的调节，达到稳定电压的效果。基于双闭环的设计思想，图1中的各个部分相互独立工作、互不影响，如果某一部分出现故障，不影响另一部分系统的工作，系统内部由电流形成负反馈，外部由电压形成负反馈系统。电流电压负反馈一起运作，能太太的提高系统的稳定性和进度，满足检测仪器仪表的使用要求，达到良好的效果。双闭环反馈系统原理如图1所示。

图1所示虚线框中的1#.2#.…….N#是各个高频开关电源，其稳压或稳流精度很高，原因在于该内部自动控制原理图最终可以简化为一阶系统比例积分环节，图中它们工作在稳流状态下。

3 硬件电路设计

图2为开关电源的硬件电路组成部分，设计采用国外先进的放大器作为本设计的核心器件。芯片的1脚与3脚相连接，构成差分放大，能有效的减小误差，提高设计的精度。

图2所示输出法人取样电压通过R5和R6设置，电压输出端与电阻5和6形成零点电位，电阻1/2/3与电容1/2/3形成效应，与PI构成补偿系统，电阻1和7在电路中形成增益作用。在电流内环中加入斜坡补偿以保证系统的稳定性。硬件电路通常容易出现不对称信号的问题，本设计利用电压负反馈补偿信号的作用，将电阻8作为上拉电阻提供直流电压，与RC构成的多谢震荡器作用，提供反馈电压，从而解决波形的不对称性。图中电流检测信号Is经过I-V变换电路转换成电压信号。芯片741是一个PWM脉冲宽制比较器，根据比较器原理，依据三极管放大电路原理，在芯片3脚接地，芯片的2脚相当于一个反相输入端，对信号进行比较。其内部的过流及限流比较器实现逐周期过流及限流保护。当2 V2.5 V时，执行过流保护模式。

4 结语

本设计依据3895芯片，利用双闭环负反馈的原理，引入电流负反馈和电压负反馈，提高了开关电源的精度，利用PWM脉冲宽制调制技术，提高了电源变换的效率和稳定了。开关电源系统设计之后，对该系统多次进行调试测，反馈结果稳定良好，系统稳定性好，动态响应快，证明本方案是可行的。

【参考文献】

[1]詹艳军，等.基于UC3842反激式开关电源的设计[J].微计算机信息，2008，7.