开关电源原理设计精选(九篇)

第1篇：开关电源原理设计范文

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

第2篇：开关电源原理设计范文

（安徽工业大学 电气与信息工程学院，安徽 马鞍山 243032）

基金项目：2013年安徽省大学生创新训练计划（201310360303）资助项目

1 引言

LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代.LED球泡灯具与白炽灯比较，其最大的发展动力就是节能环保的优势.但是由于成本过高，导致价格要比传统灯具高了几个档次，且其驱动电源的寿命远低于LED灯珠寿命，使得整个LED灯具寿命受限.LED驱动电源可以说是LED照明设备的心脏，LED驱动电源的长使用寿命、节能环保的特点决定其对LED驱动电源的寿命、功率因数、谐波含量、效率、发热量等设计指标必然要求越来越高.本文提出的基于TI公司的LM3429控制芯片的LED驱动电源设计，具有长寿命、低成本和高效率等优点.

2 LED驱动电源电路工作原理分析

2.1 核心元件概述

LM3429是一款高性能、多用途LED驱动芯片.如图1所示为芯片的原理框图所示：输入电压范围为4.5V到75V，可以配置成降压，升压，升/降压或SEPIC拓扑，输入和输出的工作电压额定值为75V，内部的PWM控制器可调开关频率高达2MHz.同时还集成了精密的基准电压，用于快速PWM调光的逻辑兼容DIM输入，LM3429具有完善的保护功能，包括过电压保护（OVP）、过流保护（OCP）、环流限制（CCL）.

2.2 基于LM3429芯片的驱动电源电路原理图

根据LED驱动电路的原理框图，设计了如图2所示的基于LM3429芯片的6W LED驱动电源原理图，该驱动电源LED负载用6只功率为1W的LED管串联，每只LED管电压额定值为3.5V、电流额定值为0.3A，整个LED模组的功率约为6W.

2.3 基于LM3429芯片的60W驱动电源原理分析

2.3.1 开关频率

如图3所示，在boost和buck-boost拓扑结构中，连接在RCT引脚和开关节点的RT与在GND和RCT间的CT设置TOFF，VIN按比例决定开关频率的稳定.

2.3.2 LED平均电流

如图4所示，LM3429应用外部检测电阻RSNS将LED电流ILED转变成电压VSNS，HSP和HSN引脚是高边检测放大器的输入引脚，此放大器通过负反馈迫使VHSP与VHSN大小相等.这样，就会产生电流ICSH，经过电阻RCSH流出CSH引脚.这样，就可以计算得到ICSH、VSNS、ILED.

2.3.3 电流检测与限制

如图5所示，LM3429利用比较器监测晶体管电流的方式实现了峰值电流模式控制，并与COMP引脚电压相比较.另外，它采用了周期循环过流保护功能.如果电流检测比较器输入的电压超过245mV，则立即终止循环.

2.3.4 过压保护

如图6所示，LM3429可以通过OVP引脚设定输入输出过电压的状态，这个引脚可以精确到1.24V，同时有20？滋A的滞后电流.

2.3.5 输入欠压保护

如图7所示，nDIM是既可以提供1.24V的门槛电压，同时具有可设计滞后作用的双重功能引脚.这个引脚既可以作为PWM调光的输入，也具有输入欠电压保护功能.

2.3.6 PWM调光

如图8所示，PWM信号可以为nDIM引脚提供驱动信号，LED的亮度可以随着占空比的变化而变化，如：30%的占空比对应30%的LED亮度.

3 基于LM3429的LED驱动电源参数设计

从上面的分析可知，一款高效、安全、稳定的LED驱动电源的设计需要各个参量相互配合，本文重点介绍各个参量的准确计算方法与过程.

3.1 输出电压和LED动态电阻为

3.2 假设CT的值为1nF，开关频率fSW和RT为

3.3 设定LED平均电流ILED为1A，电流检测电阻RSNS为

3.4 峰值电流为

最接近0.041Ω的电阻值为0.04Ω，所以，峰值电流为

3.5 输入电容为

为了减小提供功率的相互影响，使用电容的值为14μF，因此脉动电压值会更小.因为高压陶瓷电容选择受限，只能选用3个4.7μF的贴片陶瓷电容.

3.6 场效应管NFET电压等级至少应该比漏极源极电压VTMAX的最大值高15%

所以选用100V，32A的NFET.

3.7 二极管的电压等级和电流等级

选用100V，12A，VD=600mV的二极管.

3.8 输入欠电压保护是由开启门限电压和期望滞后电压 决定的

3.9 输出过电压是由关闭门限电压和期望滞后电压VHYSO决定的

4 结语

本文详细分析了LM3429芯片的工作原理及特性，结合芯片性价比高、电路简单、性能指标突出等特点设计了节能高效的6W LED驱动电源，经过严格的参数整定，在实际样品测试结果中各项性能达到设计要求.同时，本设计也可为其他开关电源设计提供参考或直接借用.

参考文献：

（1）牛萍娟，付贤松，任梦奇，杨新璇，韩变华.高功率因数的90W路灯驱动电源设计[J].电工技术学报，2014，29（10）：199-205.

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（4）李帆，沈艳霞，张君继，赵芝璞.一种新型高效LED驱动电源设计[J].电源技术，2013（8）：1425-1428.

（5）沈霞，王洪诚，蒋林，许瑾，方玮.基于反激变换器的高功率因数LED驱动电源设计[J].电力自动化设备，2011（6）：140-143.

第3篇：开关电源原理设计范文

[关键词]开关电源 ；PWM；UC3875；驱动电路

中图分类号：TM743 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）26-0257-01

0 引言

开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。开关型稳压电源采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。以功率晶体管（GTR）为例，当开关管饱和导通时，集电极和发射极两端的压降接近零；当开关管截止时，其集电极电流为零[1]。所以其功耗小，效率可高达70%-95%。而功耗小，散热器也随之减小。开关型稳压电源直接对电网电压进行整流、滤波、调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压器。此外，开关工作频率为几十千赫，滤波电容器、电感器数值较小。因此开关电源具有重量轻、体积小等优点。

1 开关电源的类型

按驱动方式分类有：（1）自激式开关电源其借助于变换器自身的正反馈控制信号，实现开关自持周期性开关。开关管起着振荡器件和功率开关的作用[2]。（2）他激式开关电源其电源内部备有专门独立的振荡电路，与振荡器同步的控制信号驱动开关管[3]。

按能量转换过程的类型分类有：（1）直流～直流（DC～DC）。（2）逆变器（DC～AC）。（3）开关整流器（AC～DC）。（4）交流～交流变频器（AC～AC）。

2 开关电源设计

在几种常用的变换电路中，因为半桥、全桥变换电路功率开关管承受的电压比推挽变换电路低一倍，由于市电电压较高，所以不选推挽变换电路。半桥变换电路与全桥变换电路在输出同样功率时，半桥变换电路的功率开关管承受二倍的工作电流，不易选管，输出功率较全桥小，所以采用全桥变换电路。

在设计制作的1.2kW（48V/25A）的软开关直流电源中，其主电路为全桥变换器结构，四只开关管均为MOSFET（1000V/24A），采用移相ZVZCSPWM控制，即超前臂开关管实现ZVS、滞后臂开关管实现ZCS，电路结构简图如图1。VT1～VT4是全桥变换器的四只MOSFET开关管，VD1、VD2分别是超前臂开关管VT1、VT2的反并超快恢复二极管，C1、C2分别是为了实现VTl、VT2的ZVS设置的高频电容，VD3、VD4是反向电流阻断二极管，以实现滞后臂VT3、VT4的ZCS，Llk为变压器漏感，Cb为阻断电容，T为主变压器，副边由VD5～VD8构成的高频整流电路以及L1、C3、C4等滤波器件组成。

图1 1.2KW软开关直流电源电路结构简图

其基本工作原理如下：当开关管VT1、VT4或VT2、VT3同时导通时，电路工作情况与全桥变换器的硬开关工作模式情况一样，主变压器原边向负载提供能量。通过移相控制，在关断VT1时并不马上关断VT4，而是根据输出反馈信号决定的移相角，经过一定时间后再关断VT4，在关断VT1之前，由于VT1导通，其并联电容C1上电压等于VT1的导通压降，理想状况下其值为零，当关断VT1时刻，C1开始充电，由于电容电压不能突变，因此，VT1即是零电压关断。

由于变压器漏感L1k以及副边整流滤波电感的作用，VT1关断后，原边电流不能突变，继续给Cb充电，同时C2也通过原边放电，当C2电压降到零后，VD2自然导通，这时开通VT2，则VT2即是零电压开通。

当C1充满电、C2放电完毕后，由于VD2是导通的，此时加在变压器原边绕组和漏感上的电压为阻断电容Cb两端电压，原边电流开始减小，但继续给Cb充电，直到原边电流为零，这时由于VD4的阻断作用，电容Cb不能通过VT2、VT4、VD4进行放电，Cb两端电压维持不变，这时流过VT4电流为零，关断VT4即是零电流关断。

关断VT4以后，经过预先设置的死区时间后开通VT3，由于电压器漏感的存在，原边电流不能突变，因此VT3即是零电流开通。

VT2、VT3同时导通后原边向负载提供能量，一定时间后关断VT2，由于C2的存在，VT2是零电压关断，如同前面分析，原边电流这时不能突变，C1经过VD3、VT3、Cb放电完毕后，VD1自然导通，此时开通VT1即是零电压开通，由于VD3的阻断，原边电流降为零以后，关断VT3，则VT3即是零电流关断，经过预选设置好的死区时间延迟后开通VT4，由于变压器漏感及副边滤波电感的作用，原边电流不能突变，VT4即是零电流开通。

3 UC387构成的驱动电路设计

UC3875是美国Unitrode公司针对移相控制方案推出的PWM控制芯片，实用于全桥变换器中驱动四个开关管，四个输出均为图腾柱式结构，可以直接驱动MOSFET或经过驱动电路放大，驱动大功率MOSFET或IGBT。由于该期间设计巧妙，是一种应用前景较好的控制芯片。

本电源的主功率管选用的MOSFET，是电压型驱动方式，驱动功率要求比较小。采用脉冲变压器将功率管的驱动端和控制电路隔离。UC3875的驱动端具有2A的电流峰值，但为了提高电路的可靠性，防止UC3875因为功率太大而损坏，所以采用达林顿驱动的晶体管组成输出电路来驱动脉冲变压器的原边。超前桥臂的驱动电路如图2所示，之后桥臂的驱动电路也一样。

图中，D1、D2和D3、D4是肖特基二极管，用于防止驱动管的电压由于低于或高于电源电压而损坏。R21和R22是限流电阻，DW1、DW2和DW3、DW4是齐纳稳压管，用来限制脉冲变压器的输出电压，防止功率管损坏。T1和T3选中TIP122，T2、T4选用TIP127，T1？T4是达林顿驱动的晶体管，耐压为100V，持续电流为5A，峰值电流可达8A，其开启时间和关断时间分别为1.5μs和2.5μs，而开关电源的设计的频率为70KHZ，即14μs>1.5μs+2.5μs，满足设计要求。

图2 功率管驱动电路

除了输出电流限制外，本电源还设置有五个保护功能：输入过电压保护、输入过流保护、输出过压保护、输出过流保护、过热保护。五种保护都是通过一个或门UC3875的电流检测端C/S+（5脚），使其电压高于2.5V，导致UC3875关断输出。输入、输出电流分别取自串联在输入、输出回路中的分流器上的信号（0-75mV）。

4 结束语

本文介绍了由UC3875芯片作为控制电路的1.2KW移相控制全桥变换软开关电源，由于开关管在ZVS条件下运行，可实现高频化，而且控制简单，性能可靠，适用于大功率场合。且能保持恒频运行，就不会同时出现大电压、大电流，减少了开关所受的应力，实现了高效化。大大减小了电源的体积。

参考文献

[1] 曲学基.稳定电源基本原理与工艺设计[M].北京：电子工业出版社，2004.

[2] 李定宜.开关稳定电源设计与应用[M].中国电力出版社.2006.

[3] 杨恒.开关电源典型设计实例精选[M].中国电力出版社.2007.

第4篇：开关电源原理设计范文

关键词:高频开关电源;全桥移相;零电压开关;软开关技术

中图分类号:TM46文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)02-188-03

Development of 48 kW High Frequency Switching Power Supply

PAN Min

(China Electric Institute,Guangzhou,510300,China)

Abstract:The analysis and design of 48 kW high frequency switching power supply are presented.The present state of switching power supply is explained.The operating principle of full bridge phase_shifted converter and realization of soft switching techniques are analysed.Soft switching can reduce switching loss and increase circuit′s efficiency.Integer designing of power supply system and selection of main device parameters are also proposed.The experiment results demonstrate the power supply device satisfies design requirements completely.It has been applied in electric plating production line success_fully.

Keywords:high frequency switching power supply;full bridge phase_shifted;zero voltage switching;soft switching techniques

0 引 言

现有国内外的大功率电源主要为工频整流式电源,体积大、笨重、能耗高、多特性较差,且会对电网造成较大的电磁干扰。与它相比,开关电源具有高效节能,重量轻,体积小,动态性能好,适应性强,有利于实现工艺过程自动化和智能化控制等显著的优点。目前少数高频开关型电源主要限于小功率容量级别(2 000 A以下),而国外同类设备价格过于昂贵,市场迫切需要具有较大功率容量和先进技术水平的国产高频开关型电源装置。因此,大功率开关电源具有广泛的应用前景,是当前国内外研究、开发、应用的主流和方向。但是,开关电源特别是大功率硬开关电源在可靠性、稳定性、效率等方面的缺点成为制约大功率开关电源应用和发展的“瓶颈”,按照传统电源的设计思路和解决办法,不能从根本上解决其所面临的诸多问题。软开关技术的出现以及先进控制技术的兴起,则为解决开关电源诸多问题提供了新的方法。

目前单机容量大于20 kW的大功率开关电源在国内外极为少见,单机输出一般在1 000 A以下。为适应大功率(低电压、大电流)输出的电路拓扑和控制模式,采用全桥移相式电路拓扑结构,并通过软开关技术的应用,研制了48 kW、20 kHz的大功率高频开关电源,通过电镀生产线的现场使用,取得了满意的效果。

1 全桥移相零电压开关原理

零电压全桥移相变换电路拓扑结构适用于大功率开关电源,它采用移相控制,移相芯片选用UC3879,驱动部分采用目前较为成熟的EXB841专用驱动芯片。在换流时利用变压器的漏感和功率管的寄生电容产生谐振,实现开关器件的零电压开通,消除了开通损耗,提高了电路效率,其主电路原理图如图1所示。图1中IGBT1~IGBT4为功率开关管,分为超前桥臂(左半桥)和滞后桥臂(右半桥)。电路零电压开关依靠功率开关管反并联的二极管D1~D4的导通实现功率器件的零电压开通,通过功率管谐振电容C1~C4的充电过程实现功率器件的零电压关断[1,2]。

在全桥相移零压开关变换器中,开关管的导通关断时间恒定。导通顺序为IGBT1IGBT4IGBT2IGBT3。同一桥臂的开关管为反相导通。对角管导通具有相移,从而使共导时间随相移的变化而变化。由于开关管存在关断时间,同一桥臂的两个开关管导通关断时,需要一定的延时时间(死区时间)以防止直通,保证开关管的安全;同时为保证开关管的零压开通,需要分别设定合适的领先臂与滞后臂的延时时间。IGBT1~IGBT4分别由UC3879输出的OUTA~OUTD控制[3]。

图1 全桥移相零电压开关主电路原理图

2 电源系统整体设计

电源装置主要由三相整流滤波电路、高频逆变电路、高频变压器、高频整流滤波电路、PWM控制电路、稳压稳流控制电路及故障保护电路组成(如图2所示)。工作时电网三相电源输入,经整流、滤波电路加至绝缘栅双极型晶体管IGBT组成的逆变电路,由主电路转换成脉宽可调的高频交流(约20 kHz),再经高频变压器降压、肖特基二极管整流转换成适于工作需求的低压直流。

图2 电源装置系统组成图

高频逆变电路采用全桥移相零电压开关主电路,同时采用软开关技术,以实现大功率低损耗高频逆变。高频开关管采用大功率IGBT模块,以提高电源可靠性,高频整流管采用肖特基整流模块以提高电源的效率。

控制单元输出的控制信号可以对主电路输出做出迅速响应,从而不但给出优良的动、静态输出特性,而且能对各种输入电压的波动予以补偿,并能对各种原因造成的故障做出迅速的保护响应。

电源系统的主要功能有:

(1) 系统按输出的电流或电压偏差分别自动进行PI稳流或稳压调节;

(2) 设置了过流、过热和缺水等保护措施,且具有声光电三维报警方式;

(3) 通过面板上的电压、电流表(输出电压、输出电流)可分别监测系统的输出状态;

(4) 系统具有稳压及稳流两种工作模式,保证了系统的稳定运行。用户可根据工艺需要进行选择;

(5) 系统具有软启动功能,其给定值由小逐渐增大,软启动时间约为5 s;

(6) 系统为远控方式,其操作简单,方便用户掌握。

2.1 输入整流桥及平波滤波器

该系统设计输出为3 000 A/16 V,前端采用三相整流桥输入,如图3所示,其中负载R为开关变换器的等效电阻。考虑理想情况,Li为无穷大,id为一平滑直流。通过对三相整流桥电路工作原理分析,考虑电网波动及保留一倍裕量,可选定二极管的额定参数为150 A/1 200 V。

图3 三相整流桥及LC滤波器电路

平波滤波器的作用是平滑整流电压和提高功率因数。设计中需结合经验,选择一个性能和成本的折中点。这里采用把电感放在直流侧的安置方式。与把电感放在交流侧的安置方法相比,无论是在结构复杂程度上,还是成本上,都要低的多。而且理论上这种结构可以达到的最大输入功率因数为0.955,完全能满足该系统的要求。

2.2 高频变压器

在高频开关电源设计中,高频变压器的设计是一个关键因素,它不仅决定了电源的输出能力,而且直接关系到电源设计的成败。

为实现大功率转换,该系统采用四个变压器并联,且每个变压器的磁芯采用一个环形磁芯。环形磁芯的窗口面积和体积都比较容易做大,工艺绕制简单,安装方便,更加适合用于大功率开关电源。并联的四个变压器的原边输入电压相等且为逆变器输入的电压,副边输出并联。通过计算,取变压器原边的匝数为21匝,副边为1匝;考虑绕制工艺、散热、损耗等因素的影响,原边采用USTC 0.1×1 050的多股丝包线,副边则采用TMY-40×6或TMY-50×5的铜排。

2.3 IGBT及隔直电容

由电路特点可知,IGBT的工作平均电流为母线平均电流的一半。流过IGBT的平均电流及承受的最大反向电压为:

IIGBT=Id/2=P0/(2ηUd)

UIGBT=2.34×1.2U2

考虑到尖峰电压电流的影响,保留一定的裕量,最终确定IGBT的容量为300 A/1 200 V。

隔直电容的作用是防止变压器发生偏磁现象,选的过大,则会增加成本;选的过小,则会产生EMI,降低电压利用率。设计中还需考虑等效串联电阻和电感的影响及散热问题。

2.4 输出整流管及RC吸收网络

选择整流二极管首先要考虑流过二极管的电流。计算流过整流二极管的电流及其额定电压,保留一定的裕量,最终选用的是400 A/100 V的肖特基二极管。

RC吸收网络的作用是防止输出整流二极管关断时因反向恢复引起的振铃。设计中可选择电容的容值为二极管寄生电容容值的10倍,电阻值则必须使电容在1/10个周期内充、放电完成,同时也要注意电阻功率是否满足吸收要求。

2.5 输出滤波器

输出滤波器的设计主要围绕输出纹波指标来考虑。一般情况下,以在最坏的情况下计算的参数为依据来选择滤波电容和滤波电感值。

3 试验结果

设计制造的3 000 A/16 V样机如图4所示,试验波形由泰克TDS5034示波器记录,如图5~图7所示。图5为同一桥臂上两个开关管的驱动脉冲波形,开关频率为20 kHz。图6为输入电压为220 V时,样机的工作波形,1通道为变压器原边电压,2通道为IGBT驱动脉冲,3通道为变压器副边肖特基反向压降,4通道为变压器原边电流。图7为样机满载时的工作波形,1通道为变压器原边电压,2通道为样机直流输出电压。表1列出了样机的各项技术指标,及与预定目标的比较。试验证明,样机已完全满足设计要求。

图4 3 000 A/16 V样机

图5 IGBT的驱动脉冲波形

图6 输入电压为220 V时样机的工作波形

图7 样机满载时的工作波形

表1 样机的各项技术指标及与预定目标的比较

技术指标预定目标3 000 A/16 V样机

输入电压范围360~450 V360~450 V

额定输出电压0~16 V连续可调0~16 V连续可调

额定输出电流0~3 000 A连续可调0~3 000 A连续可调

整机效率≥75%≥82.8%

稳压精度≤1%≤0.6%

稳流精度≤2%≤0.5%

冷却方式水冷水冷

保护功能过热、过流、缺水过热、过流、缺水

4 结 语

高频开关电源,作为中国电器科学研究院研制的新一代逆变式电源,具有高效节能、体小量轻、稳定可靠、绿色环保等优良特性。该项目成果较大功率单机输出的实现、软开关技术的应用、水冷却方式的采用等,都为以后电镀行业逆变电源设计提供了很好的借鉴之处。该电源装置已顺利应用于国内某电镀生产线上,并取得了良好的效果。

参 考 文 献

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[8]周漪清,黄石生,杜贵平.新型软开关弧焊逆变器主电路的仿真与实验[J].航空精密制造技术,2004,40(3):34-37.

第5篇：开关电源原理设计范文

[关键词]单片开关电源 复合式 AC/DC MAX8873

一、引言

电源是现代电力电子设备不可缺少的组成部分,其性能的优劣直接影响设备的性能。传统的电源由于笨重、效率低而逐渐被重量轻、体积小、效率高的开关电源所代替。复合式开关电源作为一种高效率的开关电源,是对线性稳压电源和开关稳压电源进行优化组合形成的一种电源设计方案,它即具有输出电压稳定程度高、纹波电压小、电源转换效率高等众多优点。本文介绍了一种新型复合式开关稳压电源,该电源采用了一种新型单片AC/DC单片开关电源作为前级稳压器,为低压差线性稳压器MAX8873提供直流输入电压,然后利用低压差线性稳压器MAX8873获得高质量的稳压输出,组成高效率、输出可调的复合稳压电源。实验证明该电路具有良好的性能,有很高的实用性。

二、AC/DC开关电源

本设计采用基于Trench DMOS工艺设计的一种AC/DC开关电源管理芯片。该芯片的工作方式为PWM即脉冲宽度调制方式;电路正常工作温度范围是-35℃至130℃;工作的开关频率为100KHz;占空比调节范围是3%～65%。其特点是宽压输入,输出电压纹波小,芯片效率高。该开关电源变换器集成了耐650V高压的功率开关管、电流限流比较器、振荡器、旁路调整器/误差放大器、高压电流源、基准源和过温、过压/欠压、过流及自动重启等保护电路,采用PWM调制模式达到在不同的负载下的高效率,采用隔离结构降低了芯片的EMI。开关电源控制集成电路的原理图如图1所示:

针对变压器原边绕组的漏感产生的高压毛刺,采用二极管D1与稳压管VR1并联接入原边绕组侧,用来吸收高压毛刺。光电耦合三极管U2的偏置电压由二极管D3与电容C3构成的整流电路提供。稳压管VR2、电阻R1、光电耦合三极管U2、电容C5组成电压反馈电路,用来确保电压稳定能都稳定输出。稳压管VR2和电阻R2保证了电源空载或轻载时输出电压的稳定性。利用电容C2降低输出直流电压的交流纹波。

电路工作原理:输入交流电先经过整流桥BR1整流,之后再经电容C1滤波,最后转变为脉动的直流电压。当MOSFET开关管导通时,电容C1两端的电压加到反激变压器的原边,流过原边绕组的电流线性增加,变压器储存能量。当MOSFET开关管关断时,电感原边电流由于没有回路而突变为零,此时稳压管VR1的击穿电压高于原边的感应电势而截止。

该AC/DC开关电源控制芯片结构示意图如图2所示,该集成电路的主要组成部分有旁路调整器/误差放大器、锯齿波/振荡发生电路、PWM比较器、基准电压源、软启动电路、上电复位电路及其它保护电路等。

从图2可以看出控制芯片的最大特色是把外置管脚数控制为三个。振荡器和功率管的内置使管脚数减少,功率管的内置还提供了启动偏置电压。控制引脚C不仅给内部供电,还提供了反馈电流信号,可用于控制电路的旁路电流和控制PWM占空比。此外,来利用功率管的导通电阻作为敏感电阻,来实现各个周期内的限流保护,这些都是该电路的特色。

三、低压差线性集成稳压器MAX8873

低压差集成稳压器是近年来应用广泛的高效率线性稳压集成电路。传统的三端集成稳压器普遍采用电压控制型,为保证稳压效果,其输入输出压差一般取2V~4V来保证正常工作。低压差稳压器采用电流控制型,选用低压降的晶体管作为内部调整管,能够把输入输出压差降低到0.6V以下,提高了电源的转换效率。产品主要有MAXIM公司生产的MAX8873系列,MICREL公司生产的MIC39500系列,TI公司生产的TPS767系列,LT公司生产的LT1528系列等。本文采用应用广泛的MAX8873芯片,MAX8873的典型工作电路如图3所示。

MAX8873是MAXIM公司生产的输出120mA的低压差线性稳压器。其中IN和OUT分别为电压输入端和输出端,GND为公共端,SET和SHDN分别为调整端和控制端。其主要特点有:组成电源元件最少,压差低,静态电流低,有关闭电源控制,输出电压固定,由外接电阻组成的分压器时输出电压可调,内部有输出电流限制、过热保护及电池反接保护等。

MAX8873有两种工作模式:工作在预置的电压模式下或工作在可调的电压模式下。在预置的电压模式下,内部电位器能够设置它的输出电压,我们通过连接SET端到地选择这种模式。在可调模式下,我们通过在SET端连上两个外部电阻作为分压器来选择输出电压,电压范围可从1.25V到6.5V。

为了减小寄生电容的影响,我们在电阻R1两端串上一个10PF到25PF的电容。而在预置电压模式下,SET端和地之间的阻值不能小于100K,否则SET端的电压将超过两种工作模式的门限值60mV。

四、新型复合式开关稳压电源的设计

本复合式开关稳压电源的原理图如图4所示。

电源输入交流宽输入电压85V-265V,双路输出电压+5V/1.5A,-5V/1.5A,输出功率15W。电路包括输入整流滤波,脉宽调制,高频变压器,电流反馈,低压差线性稳压,整流滤波输出等几部分。交流输入经整流滤波后,产生一个的直流电压加在变压器初级绕组的一端和控制芯片的源极,变压器初级的另一端由控制芯片内的高压功率管驱动。变压器两组副边经整流滤波后分别产生±5.5V的输出电压,该电压经LC滤波后输入到MAX8873中,经MAX8873输出后再通过下一级LC输出滤波得到±5V的高稳定输出。

在设计PCB板时要注意,电容C2负极应直接连反馈绕组,将反馈绕组上的浪涌电流直接返回到输入滤波电容,提高抑制浪涌干扰的能力。控制端附近的电容应尽可能靠近源极和控制端的引脚。控制芯片的源极采用单点接地法,即控制端旁路电容C12的负极、反馈电路的返回端、高压返回端应分开布线,最后在源极管脚处汇合。安全电容C13应通过宽而短的印制导线分别接至反馈绕组和次级绕组的返回端。尽量使用大尺寸的低电感引线。

五、实验结果

在市电输入下,当负载从0达到额定值时,电路的负载调整率为95%,输出电压纹波在40mV左右,输出纹波主要由变压器漏感的电压和整流管电压产生,可以通过进一步优化PCB版布局等方法来改善。

六、结束语

本文采用基于Trench DMOS工艺设计的一种AC/DC开关电源管理芯片和低压差线性稳压器MAX8873设计了一种新型通用的复合式开关稳压电源。该电源具有体积小,效率高,输出电压稳定,负载调整率好等优点,实验表明该电源是一种性能良好的高精度稳压源。

参考文献:

[1]黄俊,王兆安.电力电子变流技术.北京:机械工业出版社,1999.

[2]刘胜利.现代高频开关电源实用手册.北京:电子工业出版社,2001.

[3]沙占友.新型单片开关电源设计与应用技术.北京:电子工业出版社,2004.

第6篇：开关电源原理设计范文

Song Fei；Hu Shiping；Yao Xin'an

（National University of Defense Technology School of Computer，Changsha 410073，China）

摘要：本文提出了一种基于开关电源原理的极低纹波电源的设计方案，该方案不仅克服了线性电源体积大、效率低等致命弱点，同时还能够将输出纹波控制在极低水平。

Abstract： This paper put forward design plan of power supply with extra-low ripple based on switched-mode power supply principle. Not only does the design overcome the vital shortcomings of linear power such as large volume, low efficiency, but also controls the output ripple in extra-low level.

关键词：开关电源 低纹波 双滤波器 电磁兼容

Key words： switched-mode power supply；low ripple；double filter；electromagnetic compatibility

中图分类号：TG434.1文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）19-0030-01

0引言

众所周知，设备系统中的高精度的传感器需要相当纯净的低纹波电源供电，这样有利于提高其精度。而目前市场上多数DC-DC开关电源都不能做到很低的纹波，在使用上存在着一定的局限性。本设计摒弃了传统的线性电源设计方案，以优质DC-DC电源控制模块为核心，采用输入输出双滤波器的特殊滤波结构，关键部位采用高性能的三端滤波器和聚酯电容滤波，实现直流28V电源至7V/3A的电源转换，作为陀螺的供电电源。该电源的纹波控制在极低水平，可以控制在1.5mV左右，远远优于市场上的同类开关电源。

1滤波原理

共模干扰是电源设计中常见的干扰之一，共模电感对共模干扰有良好的抑制作用。共模电感的等效电路如图1所示。图中的Ug为共模干扰电压，RL为负载电阻，在这里为开关电源的输入电阻，RC为不平衡电阻，在这里表示两个电感线圈在绕制过程中，虽然匝数相同，但存在所用导线长度不同的情况，RC代表两绕组直流电阻之差，UN为传输到电源输入端的共模干扰电压。根据图1可得到Ug=jωLI1+jωMI2+RLI1 Ug=jωLI2+jωMI1+RCI2

当M=L，UN=I1RL并设RC?垲RL时，可知：U■=■。为了尽量减少噪声电压UN，应使RC尽可能小，电感L满足ωL?垌RC，则■0。

所以，有了共模滤波器之后，在ωL?垌RC条件下，传输到电源输入端的共模干扰电压很小，能够起到良好的抑制作用。

2电路设计

电源电路原理部分如图2所示，由输入滤波网络、开关电源模块、输出滤波网络何检测信号输出等部分组成：

利用优质的DC-DC开关电源控制模块，采用输入输出双滤波器的滤波结构，关键部位采用高性能的三端滤波器和聚酯电容滤波，并通过合理的电磁兼容设计，最终将输出纹波控制在极低水平。

输入电源为直流+28V，经过输入滤波网络变为纯净稳定电流输入DC-DC控制模块，然后模块将电压变换为+7V输出，再经过输出滤波网络将电压的输出纹波、干扰等进一步降低，达到设计所要求的。同时给主机提供检测信号输出。

2.1 双滤波器设计针对电源的低纹波要求，在电路设计上采用了很少采用的双滤波器的滤波结构，即在电源输入端和输出端上各插入了一个共模滤波器。设计中使用的开关电源模块开关频率为300KHz，一般认为150kHz～10MHz范围内主要是共模成分的噪声，可以采用共模抑制滤波器来解决。输入端的共模滤波器可以防止开关电源的共模噪声传递到电源线中，影响系统中其它的用电设备，同时也抑制来自系统总电源的噪声，减少噪声对电源本身的侵害。输出端的共模滤波器能够有效地抑制开关电源模块的共模噪声对用电设备的干扰。双滤波器结构如图3所示。设计中共模扼流圈采用导磁率高、频率特性较佳的铁氧体磁性材料，电感量在2.2mH左右。实验结果表明双滤波器结构能够有效地抑制系统电源对电源模块的干扰，同时能够有效的降低输出的纹波。

2.2 电源技术的合理运用电源的合理应用包括具备完善的保护措施和检测监控技术，提高电源的安全性和可靠性；在电源的高压输入端、输出端等关键部位采用浪涌吸收设备对电压瞬变和冲击采取防护抑制措施，提高电源系统可靠性；采用多重滤波措施，有效降低输出电压纹波，改善系统的动态性能；合理配置DC-DC开关电源控制模块，优化电路设计，实现高集成低纹波电源的设计。①输入保险丝。电路中安装保险丝可以起到保护电源控制模块的作用。保险丝应安装在各模块的输入端，以防模块出现输入短路故障将输入母线短路。②输入维持电容。模块出现输入短路故障时，或其它原因导致输入母线电压瞬间跌落的意外时，安装在模块输入端的维持电容，可在一定时间内给模块提供维持电压。另外还可以吸收模块输入端的电压尖峰。为满足维持时间的要求。③输入瞬间过压保护。在电源系统设计中，关键部位要采用TVS对电压瞬变和浪涌冲击采取防护抑制措施，以防止电源系统遇到随机的电压冲击，造成输出电压的波形中出现尖峰及毛刺，甚至导致电源系统的损坏。④实时检测功能电源实时检测监控设计可以使系统的安全性和稳定性大大提高。电源输出端通过光耦隔离后，能够有效的检测电源输出状态是否正常；同时降低电源设备对系统其它设备的干扰。

2.3 电磁兼容设计电源良好的电磁兼容性设计可以很大程度降低外界干扰对电源噪声的影响。设计中实现电源EMC的技术措施主要有以下两种：PCB设计进行合理布局、布线，尽可能减小电路的环路面积，功率线应尽量短，尽量宽，导线分类束扎；电源电路板安装在铝盒中进行良好的屏蔽，并且接地，提高了电源抗干扰的能力。

3总结

该极低纹波开关电源在某型号光电设备中得到了成功应用，已经和整机系统一起运行了相当一段时间，在长期的工作中性能稳定、工作可靠。该低纹波开关电源不仅拥有线性电源所独有的低纹波性能，同时又兼顾有开关电源的高效率、低发热、体积小、重量轻、隔离输出等优点，这些都是一个高品质电源所必须具备的，同时也是今后电源发展的必然趋势。

参考文献：

第7篇：开关电源原理设计范文

关键词：准谐振 反激变换器 变压器

中图分类号：TM131.4 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）07-0000-00

1 引言

反激式变换器（Flyback Converter）由于其简单的拓扑和低廉的成本经常被用作LED的驱动，准谐振反激式变换器（quasi-resonant Flyback Converter）类似于传统的反激变换器但是由于能够基本上实现零电压开通（ZVS），减少了开关损耗，降低了电磁干扰，提高了开关频率，因此越来越受到电源设计者特别是LED驱动设计者的关注。但是由于它是工作在变频模式，因此导致诸多设计参数的不确定性，本文给出了一种确定设计参数较为实用的确定方法。为了面向LED驱动应用的广泛需求，国际知名IC企业也推出了相应的准谐振反激式变换器的控制芯片，例如安森美的NCP1207、英飞凌的ICL8001G等。这些芯片相对于传统的反激式变换器，加入准谐振技术，在实现开关管的零电压开通的同时又保留了反激式变换器所固有的拓扑和低廉的成本。因此，准谐振反激式变换器在低功率LED驱动市场可能具有广阔的应用前景。但是，由于变换器的工作频率会随着输入电压及负载的轻重变化而变化，这就给设计中一些重要的参数确定造成一些困难。本文将从原理拓扑入手，重点介绍变压器的设计，详细介绍准谐振反激式变换器的主要参数设计。

2 准谐振反激变换器原理描述

准谐振反激式变换器原理图1所示。

由图1可见，仅看电路原理拓扑，准谐振反激式变换器与传统的反激式变换器基本一样，区别仅在于开关管的导通时刻不一样。图1中：Lp为初级绕组电感量，Llk为初级绕组漏感量，Rp是初级绕组的电阻，Cp是谐振电容。图2是工作在断续模式（DCM）的传统反激式变换器的开关管漏源极间电压Vds的波形图。这里Vin是输入电压，VOR为次级到初级的折射电压。

由图2可见，当副边绕组中的能量释放完毕之后（即变压器磁通完全复位），在开关管的漏极出现正弦波振荡电压，振荡频率由Lp、Cp决定，衰减因子由Rp决定。对于传统的反激式变换器，其工作频率是固定的，因此开关管再次导通有可能出现在振荡电压的任何位置（包括峰顶和谷底）。由于开关管导通时流过的电流较大，此时开关管上的电压又较高，会极大地增加开关器件的热耗，降低电源驱动的转换效率和开关管的可靠性。但是，如果控制开关管每次都是在振荡电压的谷底导通，如图3所示，那么就可以实现零电压导通（或是低电压导通），此时开关管上的热耗很低或为零，这必将减少开关损耗，降低EMI噪声。实现这一点只要通过控制芯片增加磁通复位检测功能（通常是检测辅助绕组来实现），以便在检测到振荡电压达到最低点时打开开关管，就能实现零电压开通。这就是准谐振反激式变换器的工作原理。但是由于每次开关开通的时间不固定，造成了工作频率是变化，从而影响了此类LED驱动电路设计参数的确定。

3 变压器设计

对于准谐振反激式变换器的设计与一般反激式变换器相似，但是在准谐振模式下，工作频率fS是变化的，fS变化了，初级峰值电流Ipmax和LP也就无法确定，整个设计似乎是无从下手。因此我们首先详细分析一下准谐振反激式变换器的工作周期。图3是准谐振反激式变换器的MOSFET的漏极电压在一个工作周期内的波形。由图4可见，由于是工作在断续模式，准谐振模式的工作周期由三部分组成：Ton、Toff1、Toff2。

首先为了能够完成变压器的设计，我们必须确定几个参数：最小输入电压Vinmin：根据实际的输入电压及其最小值确定。输入功率Pin：根据实际输入功率或由输出功率Pout和预计的转换器的效率η折算而来。开关频率fs：对于准谐振模式，工作频率是变化的，在设计时，应该以最小的工作频率来确定其它相关参数，因此，fs在这里亦表示系统最小的工作频率。它的确定须从两方面考虑，一方面为了采用较小尺寸的变压器，必须提高fs；另一方面为了降低开关损耗以及减少EMI噪声，fs应取得小些。折衷考虑，通常取fs的范围是25KHz-50KHz。漏源分布电容Cp：开关关断时Cp与初级绕组的漏感Llk形成第一个谐振电路，与初级绕组的电感Lp形成第二个谐振电路。第一个谐振电路在开关管关断时产生尖峰电压，因此决定着开关管上的最高电压；第二个谐振电路决定着前文提到的Toff2。Cp的确定可分两种情况，一是开关管的漏极没有额外增加电容，Cp只包括MOSFET的漏源极间电容COSS和其它一些分布电容，这种情况下，Cp可用COSS来近似地表示。第二种情况是开关管的漏极额外增加了一个电容CD，此时Cp包括CD以及COSS等杂散电容。有了以上4个参数的确定，我们就可以来设计准谐振反激式变压器了。由图4可以看出准谐振反激式变换器的一个完整工作周期为：

以上计算都与一般反激式变换器变压器的参数设计相同，但当次级绕组中的能量释放完毕之后，次级绕组将停止导通，初级绕组上的折射电压VOR也将消失。由于初级电感量LP和开关管漏极电容CP以及电阻构成一个RLC谐振电路。

4 结语

准谐振反激式变换器的变压器设计具有其自身的特殊性，它的关键参数的确定不但需要理论等式的计算，还需要实际调试和修正，通过不断的计算、调试经过反复的迭代，才能确定较为合理的参数，充分发挥准谐振反激式变换器的高效率、低EMI、高性价比的优势。

参考文献

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[4] 王维新，王书堂.低损耗准谐振反激变换器的实现[J].电源世界，2009（7）：34-36.

第8篇：开关电源原理设计范文

开关电源是一种高效节能的优质电源。然而在电子设备工作过程中，开关电源会产生比较严重的电磁干扰。本文根据高中物理所学知识，在与老师的沟通和指导下，研究开关电源电磁干扰的产生原因，并从屏蔽、滤波、接地以及电路等方面简要分析了干扰抑制措施。

【关键词】高中物理 开关电源 电磁干扰 抑制

开关电源的应用十分广泛，其小型化和高频化虽然为电子设备的发展带来了很多便利，但所产生的电磁干扰也愈发严重，对功能发挥的影响越来越大。因此，必须采取有效的电磁干扰抑制措施，削弱甚至消除电磁干扰，保证电子设备能够正常运行。

1 开关电源电磁干扰的产生原因

根据高中物理的知识学习，我们知道在电子设备的工作过程中通电电流的传导会出现一些无用信号或电磁噪声等，会对电路器件设备、传输通道以及系统的性能造成干扰，这种干扰就是电磁干扰。电磁干扰的出现有很多可能的原因，电磁干扰的的干扰源一般都是电压电流变化比较大的元器件，包括开关管、二极管及变压器等。

通过总结经验，并学习资料，开关电源电磁干扰产生的主要因素包括下面一些内容：

1.1 开关管产生电磁干扰

开关电源中原边主电路的开关管大多采用MOSFET功率管，这种开关管具有小电荷存储效应，开关速度快，在开通、断开时，电磁干扰易于产生。对于这种电磁干扰，通常的做法是通过吸收电路进行削弱，但加装吸收电路会对电源效率造成一定影响。

1.2 高频变压器产生电磁干扰

在开关电源的功率变换电路中，开关管的负载是高频电压器的初级线圈，呈感性，在开关管开通的瞬间，初级线圈中会出现很大的电流，相应的线圈会产生很高的电压；在开关管断开的瞬间，初级线圈的部分能量停留在初级线圈中，无法导入次级线圈，这部分能量会在原边电路中的电容和电阻上产生衰减震荡。如果高频变压器两端的滤波电容容量不够大，或者高频特性较差，电容上的高频阻抗就会导致高频电流以差模的方式传导到交流电源中，从而产生传导干扰。

1.3 整流电路产生电磁干扰

工频交流电需要通过整流变成单向脉动电流，转换的结果除了直流分量外，还存在着一些高频谐波分量，这些高频谐波分量会导致输入功率因数变小，同时还会附带较大的THD，这不仅会对电网产生很严重的干扰，还会通过电源线造成射频干扰。

2 开关电源的电磁干扰抑制措施

2.1 屏蔽技术

屏蔽是我们日常生活中都能接触到的物理原理，包括中央一套《加油！向未来》的节目中验证了特斯拉线圈的实验。电磁屏蔽的原理是通过加装屏蔽体来削弱甚至完全阻挡电磁能量。在开关电源的电磁屏蔽中，分为两个部分：

（1）对产生电磁干扰的元器件进行屏蔽；

（2）对容易受到电磁干扰的元器件进行屏蔽。

开关电源中，产生电磁干扰的元器件一般是变压器、电感器以及各种功率器件，对于这些元器件的电磁屏蔽，可以使用铜板或者铁板围绕起来，从而削弱其产的电磁干扰。对于容易受到电磁干扰的元器件也可以采用相同的办法进行屏蔽。另外，还可以通过整体屏蔽的方法，使用强导电性的材料把开关电源整体都围绕起来，从而防止其中产生的电磁干扰向外扩散。在应用整体屏蔽时，需要注意以下两点问题：

（1）屏蔽材料的接缝、电线以及输出端子的接口都很容易发生电磁泄漏，在应用整体屏蔽时需要着重处理；

（2）整体屏蔽需要将开关电源整体围绕在屏蔽体中，这就会导致散热出现阻碍，相应的，设备成本也会增加。

2.2 滤波技术

通过《整流和滤波》部分的学习，我们可以知道滤波技术可以应用到开关电源传导干扰的抑制中。通过学习其他资料了解到开关电源的传导干扰包括共模干扰和差模干扰两种，共模干扰出现在相线和地线以及中线和地线之间，共模干扰的电流会在相线和中线内部同时出现，大小和方向都相同。差模干扰出现在相线和中线之间，差模干扰的电流同样会在相线和中线内容同时出现，大小相同，但是方向相反。滤波技术无论是对差模干扰还是共模干扰都有很好的抑制作用，由于共模干扰和差模干扰一般会同时出现在开关电源传导干扰中，所以在加装滤波器时一般会将共模滤波和差模滤波同时考虑在内。实践发现，对于内阻较高的干扰源，滤波器输入阻抗需要设计低值，对于内阻低的干扰源，滤波器输入阻抗需要设计高值；负载电阻高时，滤波器输出阻抗需要设计低值，负载电阻低时，滤波器输出阻抗需要设计高值。

2.3 接地技术

接地技术是广泛应用的一项物理技术，同时也是漏电保护中很常用且效果很好的一种技术。开关电源中的接地属于屏蔽接地。在设计屏蔽接地时，需要注意以下几个方面。

（1）开关电源的接地包括交流接地和直流接地，必须将两者严格分离，一般采用浮地技术将开关电源的直流地和交流地分隔开，从而来屏蔽交流电源地线所产生的干扰。

（2）功率地和弱电地要分开。功率地应用于是负载电路或者功率驱动电路，电流和电压都很大，因此很容易产生干扰，必须和其他弱电地分隔开。

（3）地线直径尽量大。直径小的地线会导致接地电位随电流变化而变化，从而进而影响抗噪声性能。

2.4 电路措施

开关电源干扰抑制中的电路措施包括吸收电路、软开关技术以及器件选择。

（1）开关电源中电磁干扰的产生主要是忧郁电压和电流的短时间大幅度变化，因此，在抑制电磁干扰时，可以通过设计吸收电路，分散能量，降低电路中的电压和电流变化幅度。

（2）在原有的硬开关电路中设置电感和电容，通过其谐振特性，能够有效减少电压和电流的重叠，从而降低电磁干扰。

（3）在开关电源设计中，尽量选择不容易产生、传导以及辐射电磁干扰的元器件。

开关电源的电磁干扰一直是影响电路性能的一大问题。通过资料的学习和分析，在开关电源的电磁干扰抑制中可以结合实际情况综合使用多种电磁干扰抑制措施，这样才能发挥最大的作用，有效保证电子设备的正常工作。

参考文献

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第9篇：开关电源原理设计范文

关键词：气保焊 控制板 单片机控制

教学仪器设备改造与设计是长期的多方有利的工作，主要介绍以下几方面：主控电路达到最简，主控器件使用单片机最小系统，简化了电路的设计，使主控系统达到最优。

1 系统简述

1.1 NBC系列抽头式焊机简述

图1 NBC-250/350结构简图

由NBC-250/350结构框图（如图1所示）可见，该系列气体保护焊机主电路由三相动力电经交流接触器接通后，由三相主变压器降压后，再经三相全桥整流，滤波电路滤波后，提供焊接电源。而控制电路板要控制交流接触器、送丝装置，使整机系统协调工作。

本文围绕此控制板进行分析、设计、改进。

1.2 改进前的焊机控制板简述

原控制板主要由电源电路、PWM产生电路、逻辑判断电路、功率驱动电路、交流控制电路等组成。

电源电路为常见的三端稳压电路，24 VAC电源，经整流、滤波后，经7812稳压、滤波后，形成稳定的直流电源，给主要控制部分提供持续可靠的电源。

控制板驱动直流电机欠稳定，造成吐丝不匀、丝红热等现象。硬件复杂，故障率较高。控制板成本较高。软件升级困难。鉴于控制板的以上不足，决定调整其结构。

1.3 改进、设计、调整后的方案概述

调整后的控制板，主要由电源电路、主控器件、驱动电路、开关控制电路等组成。

电源电路与原控制板方案相似，都是采用78系列三端稳压形成直流电源，主控器件采用AVR芯片—ATtiny26，ATtiny26是基于增强AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。数据吞吐率高达 1MIPS/MHz，从而解决了系统在功耗和处理速度之间的矛盾。具有一整套的编程与系统开发工具，包括：宏汇编、程序调试器/软件仿真器、仿真器及评估板。

驱动电路选用的场效管，具体型号为IRFP250，IRFP9140，正常工作情况下，IRFP250接受主控芯片ATtiny26送来的PWM信号而决定自身的通断，IRFP250饱和导通时直流电机吸收能量加速，IRFP250截止时直流电机释放能量减速。当焊机停止送丝时，IRFP250截止，而IRFP9140导通，以短路直流焊机，起到刹车作用。IRFP9140的驱动信号由主控芯片ATtiny26经内部运算给出。

开关控制电路采用交流固态继电器代替原系统电磁继电器，使其工作更稳定、寿命更长。

1.4 方案比较及确定（见表1）

由表1可见，调整后方案所用的硬件数量要比原系统少很多，这就大大简化了控制板的硬件电路，降低了成本，而且实现了硬件的可再升级功能。

注：R代表电阻，C代表电容，D代表二极管，V代表三极管，IC代表集成电路

驱动控制部分，改进、调整前采用达林顿对管，这样造成其需要的驱动信号大，给逻辑判断电路带来不必要的负载，抗干扰能力也差。驱动部分由达林顿管改为IFR系列开关场效管，驱动电路直接与单片机接口，进一步简化了硬件电路。

把改进、调整前复杂的逻辑判断电路功能交给主控芯片ATtiny26完成，其内含11路单通道AD、两路高速PWM、2K的Flash存储器等资源，可以完成系统所需的功能。

开关部分采用固态继电器，可与单片机直接接口，最大优点就是没有机械触点、寿命长、可靠性高、响应快。可以解决此部分故障率高的缺陷。

综合改进、调整前控制板，分析及实验可得出调整、设计后方案有以下优点：

（1）硬件电路简单，开发成本低；

（2）维护、维修方便，可利用软件升级产品；

（3）器件可靠性提高，各部分故障率降低；

基于以上优点，最终确定了改进、设计后控制板方案。

2 硬件电路设计部分

系统的组成如图2所示：

2.1 主控芯片、交流开关驱动器件的选取及介绍

ATtiny26有一个片内的10位AD转换器，可以实现7路AD输入，片内有一个PLL可以产生64 MHz的高频PWM时钟频率，有ISP口支持在线编程，是精简指令集处理器，选定ATtiny26作为主控器件。

原系统采用的普通电磁继电器故障率高，选用交流固态继电器控制。

设计中此部分控制器件要用单片机控制，固态继电器可以用单片机直接控制，输入、输出隔离，抗干扰能力较强。最终选定交流固态继电器GTJ11-1，参数见表2。

2.2 电机驱动器件的选取及设计

原系统采用达林顿对管组成直流电机驱动电路，而本设计的选型为IRF系列大功率场效应管。

根据开关管数据手册，选择了IRFP250，IRFP9140。其中IRFP250为N沟道场效应管，IRFP9140为P沟道场效应管，由输出特性曲线可知，此两种型号的场效应管以作开关为主要用途，开关特性非常好，自身功耗较低，最大的优点是可以直接与单片机接口，驱动速度快，信号稳定，可以与主控芯片协调工作。

其中焊机附带的直流电机的参数为65 W，24 VDC，通过比对得到结论，该选型符合要求，选型合理。

2.3 电源电路的设计

设计中采用的电源稳压电路为常见电源电路，采用常见的7805三端集成稳压电路，外加较少的器件，用合成的全桥整流器，经其整流后，电容滤波，送入7805输入端，再经电容滤波，最终输出稳定的5 V直流电源。

2.4 控制板总体布局设计

本设计布局原则为“强弱隔离，减少干扰”。尽量减少信号之间的干扰，减少电路板上打孔的数目，使制作成形的电路板布局合理，外观简单，原控制板的PCB面积为192 cm2，调整后PCB面积为110 cm2，减小了82 cm2，大大降低了设计成本。

3 软件部分

本设计采用结构化程序设计，这种程序便于编写、阅读、修改和维护，减小了程序出错的几率，提高了程序的可读性，保证了程序的质量。实施方法为：自顶向下；逐步细化；模块化设计；结构化编程。程序流程图如图3所示。

4 实验部分结果及分析

调整前控制板理论频率为1 kHz，实验结果是低速、高速时频率较稳定，但中速波动较大，频率跳跃到10 kHz左右。

调整后控制板频率稳定在20 kHz，误差较小。

由实验结果得出：调整后的控制板驱动电机性能较好（如图4a和图4b所示）。

5 结束语

主要介绍了教学仪器改进与设计，包括硬件、软件以及重要的布局处理。

在硬件方面，充分考虑各方面因素，选型时将安全系数适当提高，保证硬件的可靠持续运行，在程序方面，采用结构化程序设计，自顶向下，逐步细化，模块化设计，结构化编程。这样的程序便于编写、阅读、修改和维护。减少了程序出错的几率，提高了程序的可读性，保证了程序的质量。教学仪器设备的改进使教学实验设备各项性能得到了较大的提升，应用于实验教学中，提升了实验教学水平和教学质量，效果良好。

参考文献

[1] 梁合庆.增强核闪存80C51教程[M].北京：电子工业出版社，2003.

[2] 邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法[M].北京：清华大学出版社，2004.