導(dǎo)語：如何才能寫好一篇開關(guān)電源電路，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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Abstract: The paper introduces the principle of switch power which is composed by current control type PMW UC3842 and analyzes the shortage of protective circuit and proposes an improving idea.

關(guān)鍵詞：UC3842；開關(guān)電源；保護電路

Key words: UC3842; switch power; protective circuit

中圖分類號：TM56 文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1006-4311（2010）36-0183-01

1UC3842的典型應(yīng)用

UC3842的典型應(yīng)用電路，該電路主要由橋式整流電路，高頻變壓器，MOS功率管以及電流型脈寬調(diào)制芯片UC3842構(gòu)成。其工作原理為：220V的交流電經(jīng)過橋式整流濾波電路后，得到大約+300V的直流高壓，這一直流電壓被MOS功率管斬波并通過高頻變壓器降壓，變成頻率為幾十kHz的矩形波電壓，再經(jīng)過輸出整流濾波，就得到了穩(wěn)定的直流輸出電壓。其中高頻變壓器的自饋線圈N2中感應(yīng)的電壓，經(jīng)D2整流后所得到的直流電壓被反饋到UC3842內(nèi)部的誤差放大器并和基準(zhǔn)電壓比較得到誤差電壓Vr，同時在取樣電阻R11上建立的直流電壓也被反饋到UC3842電流測定比較器的同柑輸入端，這個檢測電壓和誤差電壓Vt相比較，產(chǎn)生脈沖寬度可調(diào)的驅(qū)動信號，用來控制開關(guān)功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷時間，以決定高頻變壓器的通斷狀態(tài)，從而達到輸出穩(wěn)壓的目的。R5用來限制C8產(chǎn)生的充電峰值電流?？紤]到Vi及Vref上的噪聲電壓也會影響輸出的脈沖寬度，因此，在UC3842的腳7和腳8上分別接有消噪電容C4和C2。R7是MOS功率管的柵極限流電阻。另外，在UC3842的輸入端與地之間，還有34V的穩(wěn)壓管，一旦輸入端出現(xiàn)高壓，該穩(wěn)壓管就被反向擊穿，將Vi鉗位于34V，保護芯片不致?lián)p壞。

2UC3842保護電路的缺陷

2.1 過載保護的缺陷當(dāng)電源過載或輸出短路時，UC3842的保護電路動作，使輸出脈沖的占空比減小，輸出電壓降低，UC3842的供電電壓也跟著降低，當(dāng)?shù)偷経C3842不能工作時，整個電路關(guān)閉，然后通過R6扦始下一次啟動過程。這種保護被稱為“打嗝”式（hiccup）保護。在這種保護狀態(tài)下，電源只工作幾個開關(guān)周期，然后進入很長時間(幾百ms到幾s)的啟動過程，因此，它的平均功率很低。但是，由于變壓器存在漏感等原因，有的開關(guān)電源在每個開關(guān)周期都有很高的開關(guān)尖峰電壓，即使在占空比很小的情況下，輔助供電電壓也不能降到足夠低，所以不能實現(xiàn)理想的保護功能。

2.2 過流保護的缺陷UC3842的過流保護功能是通過腳3實現(xiàn)的。當(dāng)腳3上檢測的電壓高于lV時，就會使UC3842內(nèi)部的比較器翻轉(zhuǎn)，將PWM鎖存器置零，使脈沖調(diào)制器處于關(guān)閉狀態(tài)，從而實現(xiàn)了電路的過流保護。由于檢測電阻能感應(yīng)出峰值電感電流，所以自然形成逐個脈沖限流電路，只要檢測電阻上的電平達到lV，脈寬調(diào)制器立即關(guān)閉，因此這種峰值電感電流檢測技術(shù)可以精確限制輸出的最大電流，使得開關(guān)電源中的磁性元件和功率器件不必設(shè)計較大的余量，就能保證穩(wěn)壓電源的工作可靠。但是，通常我們采用的采樣電阻都是金屬膜或氧化膜電阻，這種電阻是有感的，當(dāng)電流流過取樣電阻時，就會感生一定的感性電壓。這個電感分量在高頻時呈現(xiàn)的阻抗會很大，因此它將消耗很大的功率。隨著頻率的增加，流過取樣電阻的電流有可能在下一個振蕩周期到來之前還沒放完，取樣電阻承受的電流將越來越大，這樣將會引起UC3842的誤操作，甚至?xí)鹫C。因此，UC3842的這種過流保護功能有時難以起到很好的保護作用，存在著一定的缺陷。

2.3 電路穩(wěn)定性的缺陷電路中，當(dāng)電源的占空比大于50％，或變壓器工作在連續(xù)電流條件下時，整個電路就會產(chǎn)生分諧波振蕩，引起電源輸出的不穩(wěn)定。變壓器中電感電流的變化過程：沒在t0時刻，開關(guān)開始導(dǎo)通，使電感電流以斜率m1上升，該斜率是輸入電壓除以電感的函數(shù)。t1時刻，電流取樣輸入達到由控制電壓建立的門限，這導(dǎo)致開關(guān)斷開，電流以斜率m2衰減，直至下一個振蕩周期。如果此時有一個擾動加到控制電壓上，那么它將產(chǎn)生一個I，這樣我們就會發(fā)現(xiàn)電路存在著不穩(wěn)定的情況，即在一個固定的振蕩器周期內(nèi)，電流衰減時閘減少，最小電流開關(guān)接通時刻t2上升了I+Im2/m1，最小電流在下一個周期t3減小到（I+Im2/m4）（m2/m1），在每一個后續(xù)周期，該擾動m2/m1被相乘，在開關(guān)接通時交替增加和減小電感電流，也許需要幾個振蕩器周期才能使電感電流為零，使過程重新開始，如果m2/m1大于1，變換器將會不穩(wěn)定。

3保護電路的改進

針對上述分析，改進電路該電路具有：①通過在UC3842的采樣電壓處接入一個射極跟隨器，從而在控制電壓上增加了一個與脈寬調(diào)制時鐘同步的人為斜坡，它可以在后續(xù)的周期內(nèi)將I擾動減小到零。因此，即使系統(tǒng)工作在占空比大于50％或連續(xù)的電感電流條件下，系統(tǒng)也不會出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。不過該補償斜坡的斜率必須等于或略大于m2/2，系統(tǒng)才能具有真正的穩(wěn)定性。②取樣電阻改用無感電阻。無感電阻是一種雙線并繞的繞線電阻，其精度高且容易做到大功率。采用無感電阻后，其阻抗不會隨著頻率的增加而增加。這樣，即使在高頻情況下取樣電阻所消耗的功率也不會超過它的標(biāo)稱功率，因此也就不會出現(xiàn)炸機現(xiàn)象。③反饋電路改用TL43l加光耦來控制。我們都知道放大器用作信號傳輸時都需要傳輸時間，并不是輸出與輸入同時建立。如果把反饋信號接到UC3842的電壓反饋端，則反饋信號需連續(xù)通過兩個高增益誤差放大器，傳輸時間增長。由于TL431本身就是一個高增益的誤差放大器，因此，直接采用腳1做反饋，從UC3842的腳8（基準(zhǔn)電壓腳）拉了一個電阻到腳l，腳2通過R18接地。這樣做的好處是，跳過了UC3842的內(nèi)部放大器，從而把反饋信號的傳輸時間縮短了一半，使電源的動態(tài)響應(yīng)變快。另外，直接控制UC3842的腳l還可簡化系統(tǒng)的頻率補償以及輸出功率小等問題。

4實驗結(jié)果

UC3842檢測電阻的電壓波形和采樣信號波形：經(jīng)過改進后的電路，其采樣信號的波形緊緊跟隨檢測電阻的電壓波形，沒有出現(xiàn)非常大的尖峰電壓。因此，該電路能有效避免因變壓器漏感等異常干擾引起的電源誤操作的問題，也能有效避免因電源占空比過大而引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題。

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NJM2367只需7個外接元件，散熱板的安裝也相當(dāng)簡單，外殼封裝為塑料TO-220（5個引腳）型。它是新日本無線公司的新產(chǎn)品。附表為它的主要電氣特性。圖1所示為它的引腳排列，圖2為輸入12V、使用NJM2367實現(xiàn)輸出5V/5A的DC-DC變換器電路，圖3所示為在實驗板上實測的NJM2367主要輸出特性。

電路與印制版的設(shè)計

1.電感L1

圖2中的L1是這樣設(shè)定的，即在L1中流過的脈動電流峰值應(yīng)小于最大電流的10%，也就是要小于0.5A。如果脈動電流超過上述值，則NJM2367內(nèi)部的過電流保護電路動作，輸出截止。電感的鐵芯宜采用允許大電流工作的環(huán)形鐵芯。

將NJM2367內(nèi)部的功率晶體管飽和壓降記作Vset[V]，接通時間記作ton[s]，在L1中流過的脈動電流記作ΔIL[A]，輸入電壓記作Vin[V]，輸出電壓記作Vout[V]，則L1[H]可由下式求得：

L1=(Vin-Vset-Vout)ton/IL

圖2中Vin=12V，Vset=1.8V，Vout=5V，ton=11.1μs，ΔIL≤0.5A，求得L1≈115μH，為留有余量，選定L1為180μH。

2.輸出電容Cout

作為Cout電容，若選用等效串聯(lián)電阻（ESR）低的器件，則可以有效地降低輸出脈動噪聲。通常，電容量越大，ESR也越大。因此比起使用單個大容量電容來說，還不如采用數(shù)個電容并聯(lián)連接的結(jié)構(gòu)形式更為有效。但由于在各電容中流過的脈動電流大小是不相等的，因此，如果使用不同特性的電容，則電流將集中于某個特定的電容中，從而有可能縮短該電容的使用壽命。

把脈動電壓記作VRP-P，ESR與輸出脈動電壓的關(guān)系如下式所示：

ESR=VRP-P/IL

實際上，在大多數(shù)情況下，根據(jù)留有余量的原則，設(shè)定ESR為不大于上式計算值的1/2。

3.印制版電路的布線

圖2中用粗黑線畫的部分為較大的開關(guān)電流流經(jīng)的電路，所以在電路連接時必須采用粗而短的線路來降低電路的阻抗。如果用細(xì)的線路連接，電路將產(chǎn)生很大的發(fā)射噪聲，或者有可能使電路不能穩(wěn)定地工作。開關(guān)電流的流動路徑如下：

開關(guān)接通時，輸入電容功率晶體管電感輸出電容。

開關(guān)斷開時，電感輸出電容地二極管電感。

當(dāng)隨意地連接線路時，在輸出端將會產(chǎn)生800mVp-p左右的尖峰脈沖噪聲。因此采用單點接地的配線方法，使電路不形成公共阻抗，并使必要的線路盡可能地粗和短，這將使脈動電壓得到明顯的改善，達到小于100mVp-p的水平。

在圖2電路中，當(dāng)需要設(shè)定的輸出電壓高于5V時，可以追加虛線部分的電阻R1，并對R1進行調(diào)整。虛線電路中加接D1的作用，是當(dāng)負(fù)載急劇變動時，為了防止IC遭到破壞而加入的保護性肖特基二極管。

內(nèi)部電路工作狀態(tài)

如圖2所示，NJM2367內(nèi)部含有基準(zhǔn)電源、振蕩電路、誤差放大器、PWM電路和功率晶體管等，開關(guān)頻率固定為72kHz。

為了使NJM2367在5個引腳、單片封裝情況下輸出5A的大電流，在IC電路中采取了下述措施：

1.低損耗和節(jié)省空間的過流保護電路

我們知道，對于使用電流取樣電阻的過電流檢出電路來說，由于在電阻上需要消耗一個恒定的較大的功率，因而它的電路效率很低。特別是在輸出電流超過5A的DC-DC變換電路中，我們幾乎無法忽視這種損耗。而在NJM2367中，采用將一個小功率晶體管同開關(guān)晶體管相并聯(lián)連接的方法，通過檢出該晶體管中流過的電流比值大小來使保護電路動作。

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關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；UCC3895；測控系統(tǒng)

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.10.012

引言

大中功率直流開關(guān)電源一般采用移相全橋DC/DC變換器 。實現(xiàn)全橋變換器的移相控制主要有以下三種方法：（1）采用分立器件進行邏輯組合；（2）采用DSP或CPLD實現(xiàn)數(shù)字控制；（3）采用專用集成控制芯片 。采用分立器件進行邏輯組合構(gòu)成的模擬控制電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于開關(guān)電源小型化；采用DSP或CPLD實現(xiàn)數(shù)字控制的成本較高，且存在數(shù)字電路延遲；采用專用的集成控制芯片電路簡單且成本較低。第三種方法中可以采用UCC3895芯片來產(chǎn)生PWM控制波形，UCC3895是一款優(yōu)良的移相全橋控制芯片，有電壓和電流兩種控制模式，占空比可從0%～100%， 且可以為零電壓開關(guān)（ZVS）提供高效高頻的解決方案。國內(nèi)外常用的移相全橋反饋模式為電流模式 ，但其雙閉環(huán)控制電路復(fù)雜，不易實現(xiàn)。

由于單電壓環(huán)反饋模式簡單有效的優(yōu)點，本文基于UCC3895移相全橋控制芯片采用單電壓環(huán)加限流環(huán)的反饋模式和單片機相結(jié)合設(shè)計了直流開關(guān)電源數(shù)字模擬混合測控系統(tǒng)，詳細(xì)設(shè)計了閉環(huán)系統(tǒng)、控制器參數(shù)、保護電路，顯示電路，調(diào)壓電路，并對測控系統(tǒng)進行了實驗。

系統(tǒng)方案

采用應(yīng)用廣泛的TI公司生產(chǎn)的UCC3895芯片與單片機相結(jié)合的方案設(shè)計了直流開關(guān)電源數(shù)字模擬混合測控系統(tǒng)。如圖1所示，利用UCC3895對DC/DC變化器主電路進行PWM移相控制，并與單片機相結(jié)合來實現(xiàn)對主電路的檢測與反饋控制，以及輸出過壓，過流，過溫等保護。其中，所選單片機型號為美國微芯公司生產(chǎn)的PIC16F873單片機。PIC16F873共28個引腳，內(nèi)部自帶5個10位A/D通道，2個定時計數(shù)器，2個脈寬調(diào)制（PWM）通道。

UCC3895電路設(shè)計

如圖4所示，UCC3895的EAN腳為內(nèi)部誤差放大器反相輸入端，E A O U T腳為誤差放大器輸出端，R 3、R 4、R 6、C 1、C 2、C 3構(gòu)成了閉環(huán)控制系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)器，輸出電壓Vo經(jīng)過電阻分壓接到電壓調(diào)節(jié)器反相輸入端構(gòu)成反饋電壓，改變可調(diào)電阻R2的值可以改變電源輸出電壓。RT、CT可以實現(xiàn)開關(guān)頻率的設(shè)定，A D S腳為自適應(yīng)延遲死區(qū)時間設(shè)置端，接地表示輸出延遲死區(qū)時間設(shè)為最大。限流調(diào)節(jié)器輸出端也接到UCC3895的EAOUT腳，故障保護電路接到CS腳實現(xiàn)電源系統(tǒng)的故障保護功能。

故障保護電路設(shè)計

UCC3895的CS腳有過流保護功能，當(dāng)CS腳電壓高于2.5V時，UCC3895芯片將會被軟關(guān)斷，驅(qū)動脈沖被封鎖，CS腳低于2.5V，芯片將進入下一個軟啟動過程。如圖5所示，保護電路的設(shè)計就是基于CS腳的過流保護功能，正常情況下保護電路的輸出為低電平，一旦出現(xiàn)輸出過壓、過流、過溫等故障，相應(yīng)的電壓比較器輸出高電平，同時故障信號被單片機檢測，通過單片機數(shù)字控制也可使電壓比較器輸出為高電平，開關(guān)管T1導(dǎo)通，輸出一個高于2.5V的高電平至CS腳，使芯片封鎖驅(qū)動信號，從而使主電路停止工作，實現(xiàn)電源系統(tǒng)的數(shù)字模擬雙重保護功能。

限流值可調(diào)的限流環(huán)電路設(shè)計

單片機與電路設(shè)計

單片機部分電路和電源狀態(tài)顯示電路分別如圖7和圖8所示。單片機部分引腳功能分配如下：AN0腳是限流信號檢測，AN1腳是輸出電壓檢測，AN2腳是輸出電流檢測，AN4腳是溫度檢測，其中AN0、AN1、AN2、AN4腳均為A/D轉(zhuǎn)換端口。CCP2腳（PWM端口）提供可調(diào)的限流調(diào)節(jié)器的限流參考值，CCP1腳（PWM端口）提供可調(diào)的電壓調(diào)節(jié)器的輸出電壓參考值，SCK、SDO、RB4腳用于電源狀態(tài)顯示，RB1腳（I/ O口）為單片機數(shù)字控制。單片機通過SPI（同步串行通訊）向移位寄存器SN74HC164發(fā)送電源當(dāng)前工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，由移位寄存器把串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)并輸出給顯示模塊。單片機RB4腳（I/O口）控制發(fā)光二極管的供電電壓，在剛開機還沒有采集工作狀態(tài)之前，保證所有二極管不工作。單片機SCK（時鐘）腳接在三個移位寄存器的脈沖輸入口（CLK）作為脈沖輸入。單片機SDO（SPI通訊數(shù)據(jù)輸出）腳接到移位寄存器的數(shù)據(jù)輸入口（A、B腳），并把三個移位寄存器接到一起串聯(lián)使用。通過數(shù)碼管實時顯示輸出電流值，通過4個LED燈圖11 突加突減負(fù)載電壓波形的亮滅表示電源當(dāng)前的工作狀態(tài)，其中發(fā)光二極管D4（綠燈）燈亮表示電源正常工作，D3（紅燈）燈亮表示輸出過壓故障，D2（紅燈）燈亮表示輸出限流，D1（紅燈）燈亮表示過溫故障。

調(diào)壓電路設(shè)計

單片機CCP1腳為PWM波端口，可以通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比產(chǎn)生不同的電壓。如圖9所示，PWM信號經(jīng)過濾波電路由數(shù)字量轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量輸入到由運放5構(gòu)成的電壓跟隨器進行緩沖與隔離，該模擬電壓與參考電壓VDD疊加構(gòu)成分壓電路，分壓信號輸入到由運放6構(gòu)成的電壓跟隨器正向輸入端。輸出端經(jīng)過濾波電路接到UCC3895芯片電壓調(diào)節(jié)器參考電壓端（EAP）。改變CCP1的PWM波占空比即可調(diào)整電壓調(diào)節(jié)器參考電壓，進而改變電源輸出電壓。圖中由R2、R3、R4構(gòu)成的分壓電路可以設(shè)定PWM占空比為最低時電壓調(diào)節(jié)器參考電壓的最低值，保證電源電壓的最低輸出?？烧{(diào)電阻R2的作用是調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)器參考電壓的范圍，改變R2的值，在輸出占空比范圍不變的情況下，輸出參考電壓的范圍可以進行調(diào)整，進而改變電源輸出電壓的范圍。圖12 過載限流波形

實驗及結(jié)果

圖10是直流開關(guān)電源上電輸出電壓瞬態(tài)波形，上電輸出瞬態(tài)電壓的超調(diào)量為1.1%，調(diào)整時間為50ms，穩(wěn)態(tài)誤差為0.5V。圖11是直流開關(guān)電源突加突減負(fù)載輸出電壓瞬態(tài)波形，突加突減負(fù)載輸出瞬態(tài)電壓的恢復(fù)時間為30ms，電壓動態(tài)降落為22%。圖12是突加過載限流波形，過流后限流環(huán)起作用，通過調(diào)節(jié)輸出電壓，使得電流很快限制在限流值上。

篇4

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；反激式電路；高頻變壓器

引言

開關(guān)電源是綜合現(xiàn)代電力電子、自動控制、電力變換等技術(shù)，通過控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，來獲得穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，因其具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，在現(xiàn)代電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，代表著當(dāng)今穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，已成為穩(wěn)壓電源的主導(dǎo)產(chǎn)品。文章設(shè)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(guān)電源。

1 電源設(shè)計要求

文章設(shè)計的開關(guān)電源將用于軌道車輛電動門控制系統(tǒng)中，最大的功率為12W，分四路輸出，具體設(shè)計參數(shù)如下：（1）輸入電壓Vin=110V；（2）開關(guān)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(fù)載調(diào)整率±3%，電源最小輸入電壓為Vimin=77V，最大輸入電壓為Vimax=138V?？紤]到設(shè)計要滿足結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，經(jīng)濟性及電磁兼容性等要求，結(jié)合本設(shè)計輸出功率小的特點，最終選用了單端反激式開關(guān)電源，它具有結(jié)構(gòu)簡單，所需元器件少，可靠性高，驅(qū)動電路簡單的特點，適合多路輸出場合。

2 單端反激式開關(guān)電源的基本原理

單端反激式開關(guān)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(dāng)開關(guān)管Q被PWM脈沖激勵而導(dǎo)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(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，次級繞組上的電壓極性是上正下負(fù)，整流二極管正偏導(dǎo)通，開關(guān)管導(dǎo)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(fù)載釋放。反激變壓器在開關(guān)管導(dǎo)通期間只存能量，在截止期間才向負(fù)載傳遞能量，因為能量是單方向傳導(dǎo)，所以稱為單端變化器[1]。

圖1 單端反激式開關(guān)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(guān)電源是開關(guān)電源專用集成電路，它將脈寬調(diào)制電路與高壓MOSFET開關(guān)管及驅(qū)動電路等集成在一起，具備完善的保護功能。使用該芯片設(shè)計的小功率開關(guān)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(shè)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(shè)計

本設(shè)計開關(guān)電源的總體設(shè)計方案如圖2所示。

4.1 主電路設(shè)計

4.1.1 變壓器設(shè)計

變壓器的設(shè)計是整個電源設(shè)計最重要的部分，它的設(shè)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(dāng)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(chǎn)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(yīng)電壓，VDS為開關(guān)管漏源導(dǎo)通電壓，其中VOR=135V，VDS=10V）

（3）初級波形參數(shù)計算

初級波形的參數(shù)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(dāng)反激式開關(guān)電源工作在不連續(xù)狀態(tài)時取KRP=1）

（4）確定初級繞組電感

（5）計算各繞組的匝數(shù)

初級繞組的匝數(shù) 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(shè)計

反激式開關(guān)電源，每當(dāng)功率MOSFET由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r，在開關(guān)電源的一次繞組上就會產(chǎn)生尖峰電壓和感應(yīng)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(wěn)壓管和二極管D1組成，其中VR1為瞬態(tài)電壓抑制器P6KE200，D1為快恢復(fù)二極管IN4936，當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時，原邊繞組電壓上正下負(fù)，使D1截止，鉗位電路不起作用；當(dāng)MOSFET截止瞬間，原邊繞組電壓上負(fù)下正，使得D1導(dǎo)通，電壓被鉗位在200V左右。

4.1.3 輸出環(huán)節(jié)的設(shè)計

以+5V輸出為例，次級繞組高頻電壓經(jīng)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(shè)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(huán)節(jié)的設(shè)計

反饋回路主要由PC817和TL431組成，這里用的TL431型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器來代替普通的穩(wěn)壓管，構(gòu)成外部誤差放大器，進而對輸出電壓作精密調(diào)整，當(dāng)輸出電壓發(fā)生波動時，經(jīng)過電阻R13、R14分壓后得到取樣電壓與TL431中的2.5V的基準(zhǔn)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(chǎn)生相應(yīng)變化，再通過光耦合器去改變單片開關(guān)電源的控制端電流，進而調(diào)節(jié)輸出占空比，使輸出電壓維持不變，達到穩(wěn)壓目的。

5 結(jié)束語

文章設(shè)計的開關(guān)電源具有結(jié)構(gòu)簡單，所需元器件少，體積小，成本低的特點，并且滿足所有設(shè)計要求，在軌道車輛電動門控制系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻

[1]楊立杰.多路輸出單端反激式開關(guān)電源的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007.

[2]沙占友.開關(guān)電源實用技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2011.

篇5

關(guān)鍵詞：高頻開關(guān)電源 通信電源 監(jiān)控系統(tǒng) 應(yīng)用

一、引言

本文通過探究高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及工作原理、在鐵路系統(tǒng)中的應(yīng)用和應(yīng)用效果，得出高頻開關(guān)電源具有各項技術(shù)指標(biāo)合格、功能齊全、可靠穩(wěn)定的運行等方面的優(yōu)勢，從而使通信電源的可靠性和安全性得以提高。

二、高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及工作原理

（1）總體結(jié)構(gòu)

整流模塊、配電模塊、主監(jiān)控單元、交流配電單元等組成了高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，通過通信線主監(jiān)控單元的控制和管理功能輸送給主監(jiān)控系統(tǒng)各個監(jiān)控單元采集的信息。由其進行統(tǒng)一管理。直流系統(tǒng)各種信息在主監(jiān)控中顯示，通過觸摸顯示屏用戶能夠查詢和操作信息，在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中也能夠接入系統(tǒng)信息。除了基本單元中的開關(guān)量監(jiān)控、直流監(jiān)控、交流監(jiān)控等，在系統(tǒng)中還配置有電池巡檢、降壓裝置、絕緣監(jiān)測等功能單元，從而實現(xiàn)全面控制直流系統(tǒng)。在工作狀態(tài)下，經(jīng)過交流切換裝置兩路電流輸入一路電流，供電給整流模塊。輸入三相電流在整流模塊中被轉(zhuǎn)換為直流電，供電給合閘母線負(fù)載，并且給蓄電池充電，除此之外通過降壓裝置合閘母線供電給控制母線。這個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是集充電和整流兩項功能于一體。高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的組成圖如下：

a、交流配電模塊

對交流電源的檢測、保護、處理都是通過這個模塊來實現(xiàn)的。交流輸入切換裝置在交流輸入正常時提供兩路380伏電源給直流電源系統(tǒng)的整流模塊，這兩路電源的自動切換系統(tǒng)都能夠?qū)崿F(xiàn)，在正常運行中給蓄電池充電是通過整流模塊來實現(xiàn)的，并且提供交流電給站內(nèi)。整流模塊在站內(nèi)失去交流電的時候停止工作，通過逆變電源蓄電池提供交流電源給站內(nèi)，還裝有防雷器在交流配電模塊上，過電壓的沖擊能夠被有效的避免，電源系統(tǒng)的正常運行得以保證。

b、整流模塊

交流電被這個模塊整流變?yōu)橹绷麟?，即高壓開關(guān)。CPU存在于該模塊中，模塊自身的運行狀況能被它控制、監(jiān)視，在脫離系統(tǒng)監(jiān)控模塊的情況下能夠獨立運行。

c、集中監(jiān)控模塊

在直流電系統(tǒng)中，集中監(jiān)控模塊是管理、控制的核心，系統(tǒng)各單元的狀態(tài)與運行參數(shù)能夠被其實時監(jiān)測，并且自動管理電源系統(tǒng)，人為操作減少，使系統(tǒng)工作的安全性、可靠性、連續(xù)性得到了保證。

d、直流配電模塊

在直流供電中這個模塊起著樞紐的作用，蓄電池組和整流輸出的電流被其匯接成直流輸出母線，并且該母線具有不間斷性，再分接這個母線為各種容量的負(fù)載供電支路，把相應(yīng)的負(fù)荷開關(guān)或熔斷器串入之后，供電給設(shè)備。

（2）工作原理

開關(guān)K以一定的頻率重復(fù)的斷開或接通。斷開K時，輸入電源Vi能量的供給便會中斷；接通K時，輸入電源Vi通過濾波電路和開關(guān)K提供能力給負(fù)載R0。必須有一套儲能裝置在開關(guān)電源中才能提供負(fù)載連續(xù)的能量，一部分能量被儲存起來在接通開關(guān)K時，存儲能量被提供給負(fù)載在斷開開關(guān)K之后。在圖中具有這樣功能的部分是二極管D、電容C和電感L所組成的電路。用電感L來存儲能量當(dāng)接通開關(guān)K時，通過二極管D電感L中的能量釋放給負(fù)載在斷開開關(guān)K時，這樣負(fù)載能夠得到穩(wěn)定而連續(xù)的能量。電子開關(guān)K按一定的頻率開關(guān)的時候，越長時間的導(dǎo)通，輸出電壓就會越高，反之輸出電壓變低。一般在開關(guān)頻率一定時，通過調(diào)整開關(guān)時間的長短，開關(guān)電源對輸出電壓的高低進行控制。開關(guān)時間的長短被有的開關(guān)電源用來作為恒定的標(biāo)準(zhǔn)，對輸出電壓高低的改變是通過改變開關(guān)頻率來實現(xiàn)的。

三、應(yīng)用高頻開關(guān)電源的必要性

目前在大部分鐵路供電系統(tǒng)中，磁飽和式電源或相控電源是大部分直流設(shè)備電源所采用的電源形式，直流的輸出是通過硅充電裝置及直流發(fā)電機來實現(xiàn)的，在期間特性和工藝水平的限制下，很難進行基層維護保養(yǎng)，低技術(shù)指標(biāo)是電源長期處于的狀態(tài)。上述電源在在可控硅自身參數(shù)或變壓器的限制下有很多不足之處，如：壓力過大的系統(tǒng)紋波、不穩(wěn)定的浮充電流和初充電流、不佳的控制特性等。并聯(lián)運行的蓄電池與充電設(shè)備，在偏低的浮充電壓波動或出現(xiàn)較大電源紋波系數(shù)時，充電放電現(xiàn)象會出現(xiàn)在蓄電池脈沖波動中，會損壞單體的蓄電池或蓄電池組。另外，效率不高、體積龐大、投資過大等也是上述電源的不足之處，在當(dāng)今迅速發(fā)展的電力工程，該電源已不能適應(yīng)發(fā)展的需要了。而高頻開關(guān)電源具有的優(yōu)勢是模塊可疊加輸出、動態(tài)相應(yīng)快、輸出波紋極低、重量輕、體積小、效率高等，這樣磁飽和式電源或相控電源將被高頻開關(guān)電源所替代。

四、高頻開關(guān)電源的特點

（1）硅鏈分級調(diào)壓裝置被應(yīng)用在高頻電源開關(guān)中，大大提升了電源穩(wěn)流穩(wěn)壓的精確度，僅為≤±0.5%的誤差率，使蓄電池的欠充與過充現(xiàn)象避免發(fā)生，蓄電池運行的穩(wěn)定性得到了保證。

（2）微機絕緣監(jiān)測裝置被應(yīng)用在該系統(tǒng)中，線路對地電阻能夠被實施監(jiān)測到，直流系統(tǒng)絕緣情況也能夠被監(jiān)視到。當(dāng)出現(xiàn)降到設(shè)定值的線路對地絕緣的情況時，就會發(fā)出告警把絕緣降低的回路指出，很到程度上縮短了直流系統(tǒng)接地的查找時間。

（3）在并聯(lián)運行時整流模塊具有均充功能，而且當(dāng)短路沖擊系統(tǒng)的時候，準(zhǔn)確的動作也會出現(xiàn)在過流過壓等保護中，系統(tǒng)運行的安全性得到保證。

（4）微處理器被內(nèi)置于整流模塊中，它很大程度上提高看設(shè)備的先進性，更加方便的安裝調(diào)試，接線簡單。模塊的運行狀況在面板上能直接被看到，網(wǎng)絡(luò)通信通過電力系統(tǒng)與監(jiān)控模塊能夠?qū)崿F(xiàn)自動化和“四遙”功能，而傳統(tǒng)的直流電源自動化程度低并且接線復(fù)雜。

（5）具有效率高的特點，在開關(guān)電源中使用的功率器件功耗較小時，如果開關(guān)電源帶有功率因數(shù)補償，可達到88%甚至91%的整機效率。

（6）具有功率因數(shù)高的特點，當(dāng)可控硅導(dǎo)通角變化的時候，相控整流器的功率因數(shù)也會發(fā)生變化，在小負(fù)載的時候僅為0.3左右，在全導(dǎo)通的時候可接近0.7以上。開關(guān)電源被矯正后，0.93是其正常的功率因數(shù)，負(fù)載變化基本不會對其產(chǎn)生影響。

（7）具有可聞噪聲低的特點，濾波電感和工頻變壓器在相控整流設(shè)備中運行時產(chǎn)生可聞噪聲較大，大于60dB，開關(guān)電源在無風(fēng)扇的情況下可聞噪聲僅有45dB左右。

（8）在高頻開關(guān)電源中采用的供電方式是N+1模塊冗余并聯(lián)組合方式。重復(fù)配置系統(tǒng)的一些部件被稱為N+1模塊冗余，當(dāng)某一設(shè)備發(fā)生損壞時它作為后備式設(shè)備能夠自動替代該設(shè)備。如在四個均衡的整流模塊負(fù)載中，N+1模塊冗余提供電力給工作中的系統(tǒng)，一個高頻開關(guān)有問題的時候，所有的負(fù)載由其余的承擔(dān)。N+1模塊冗余供電方式使不中斷供電得以實現(xiàn)，并且使電源成本降低了。

五、高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的核心部分――整流器

整流器組成如下圖：

整流器的線路濾波器有單相防雷功能并且能夠?qū)㈦娋W(wǎng)干擾濾除；控制器及交流緩啟動能夠防止啟動電源時所引起的過沖電流。經(jīng)過警告、控制、有源功率因數(shù)及整流橋電路不僅能變成314伏的高壓直流電，而且還能使輸入電壓與輸入電流波形同為正弦波、相位一致，最終功率因數(shù)接近1，在輸入欠壓或過壓的時候采取保護措施。在經(jīng)過告警、控制及DC―DC保護電路的高壓直流電變成高頻交流，進行再次整流，得到可靠穩(wěn)定的48伏或24伏直流。PWM諧振軟開關(guān)、民主均流、有源功率因數(shù)校正三項新技術(shù)被應(yīng)用在整流模器，使整流器模塊輸出可靠穩(wěn)定的電流得到了保證。對電網(wǎng)而言，有源功率因數(shù)校正電路展現(xiàn)的是一個純電阻負(fù)載，具有高功率因數(shù)，使高頻開關(guān)電源的工作效率得到了很好的發(fā)揮；就民主均流技術(shù)而言，均流措施存在于整流器中，均衡分配負(fù)載，避免負(fù)載過重使個別整流器的使用壽命受到影響，系統(tǒng)的可靠性大大提高了；就PWM諧振軟開關(guān)而言，在開關(guān)頻率不變和輸入電壓幅度不變的條件下，改變占空比對輸出電壓的高低進行控制，實現(xiàn)穩(wěn)壓，這個過程被稱為PWM即脈沖寬度調(diào)制法。在開關(guān)管截止或?qū)〞r沒有功率損耗而且在時間上電壓和電流沒有重合，這個開關(guān)就是軟開關(guān)。電容器并在開關(guān)兩端并且增加一個諧振電感在逆變電路上，開關(guān)管就轉(zhuǎn)變成了軟開關(guān)。開關(guān)管在諧振電感增加后導(dǎo)通時會產(chǎn)生往后移的電流軌跡，零點流導(dǎo)通得以實現(xiàn)；電容器并在開關(guān)兩端，截止時會源漏兩極會產(chǎn)生往后移的電壓上升軌跡，零電壓截止得以實現(xiàn)。PWM諧振軟開關(guān)技術(shù)被采用后，在電源設(shè)備中只需自然風(fēng)不要使用風(fēng)扇，整流器熱量很小。

六、整流模塊的功能

（1）輸出過電壓保護

用電設(shè)備會因為過高的輸出電壓而出現(xiàn)重大事故，而過壓保護電路設(shè)置在模塊內(nèi)部能防止此類事故發(fā)生過。模塊在出現(xiàn)過壓時自動鎖定，而且故障指示等會亮，模塊從工作狀態(tài)中自動退出，最終整個系統(tǒng)的正常運行不會受到影響。

（2）輸出限流保護

輸出功率在每個整流模塊中都受到限制，不能過大的輸出電流，所以輸出電流在每個模塊中的最大限制是1.2倍額定輸出電流，在超出負(fù)載的情況下輸出電壓會被模塊自動調(diào)低，模塊的功能得到保護。

（3）短路保護

在輸出短路時，短路電流被限制在限流點之下，輸出電壓被模塊瞬間拉低到零，此時很小的模塊輸出功率，可以保護模塊，這樣在短路狀態(tài)下模塊不會損壞可以長期工作，模塊在排除故障后可以自動恢復(fù)工作。

（4）模塊并聯(lián)保護

并聯(lián)保護電路存在于每個模塊內(nèi)，在發(fā)生故障時能夠保證模塊自動退出系統(tǒng)，其他正常模塊的工作不會受到影響。

（5）過溫保護

保護大功率變流器件是過溫保護的主要功能，安全極限值均存在于這些器件的電流和結(jié)溫過載能力，系統(tǒng)在正常工作時留有足夠余量，但是在風(fēng)機停轉(zhuǎn)燈、環(huán)境溫度過高等特殊情況下，檢測散熱器溫度超過一定值的，模塊就會自動關(guān)機保護，重新動啟動模塊自是在溫度降低到正常范圍時。

（6）電壓調(diào)節(jié)功能

這里主要指的是輸出電壓調(diào)節(jié)，電壓調(diào)節(jié)器設(shè)置在模塊的輸出端，當(dāng)連接監(jiān)控單元和模塊的 時候，由監(jiān)控系統(tǒng)來設(shè)定輸出電壓，此時是無效的電位器調(diào)節(jié)。

（7）過流保護

大功率變流器件中主要應(yīng)用過流保護，如果器件承受的流每一個周期的變流中被通過的電流超過，功率器件被模塊關(guān)閉，最終很好的保護功率器件。

（8）測量功能

這個功能用來測量模塊的工作狀態(tài)以及輸出電流和電壓，而且在LCD上進行顯示，對于系統(tǒng)和模塊的工作狀態(tài)用戶能夠方便直觀的了解到。

（9）遙控功能

遙信：對模塊的工作狀態(tài)監(jiān)測通過遠(yuǎn)程監(jiān)控來實現(xiàn)；遙測：輸出電壓和輸出電流的值可以在模塊工作時進行測量；遙調(diào)：調(diào)節(jié)控制對輸出電壓和輸出電流；遙控：對備用電源的均/ 浮充狀態(tài)和模塊的開/ 關(guān)機狀態(tài)進行控制。

七、高頻開關(guān)電源系統(tǒng)在實際中的應(yīng)用及應(yīng)用效果

（1）根據(jù)用戶的實際需要電源監(jiān)控系統(tǒng)定義多級權(quán)限，管理并自動記錄設(shè)備地點名、名稱、方式，有利于打印、分析、查詢數(shù)據(jù)。

（2）通過實際應(yīng)用的檢驗，高頻開關(guān)電源系統(tǒng)操作直觀、簡單，各項技術(shù)指標(biāo)合格，功能齊全、可靠穩(wěn)定的運行、動作可靠，及時準(zhǔn)確地反映故障，不需要專業(yè)人員維護和管理設(shè)備，正常供電受影響的現(xiàn)象從來沒有發(fā)生過。更加穩(wěn)定的性能和更高的精確度使變電站設(shè)備運行的可靠安全性得到了保證。

八、結(jié)束語

綜上所述，高頻開關(guān)電源在鐵路通信網(wǎng)中的應(yīng)用，使通信電源的可靠性和安全性得以提高，高頻開關(guān)電源系統(tǒng)操作直觀、簡單，各項技術(shù)指標(biāo)合格，功能齊全、可靠穩(wěn)定的運行、動作可靠，能夠及時準(zhǔn)確地反映故障。

參考文獻：

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篇6

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

為了使負(fù)載能夠得到連續(xù)的能量，開關(guān)電源就必須有一套儲能裝置，以便在開關(guān)K 接通時將一部分能量儲存起來，當(dāng)開關(guān)K 斷開后再將儲存的能量提供給負(fù)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(dāng)開關(guān)K 接通時，電感L 用以儲存能量，開關(guān)K 斷開時，儲存在電感L中的能量通過二級管D 釋放給負(fù)載，從而使負(fù)載得到連續(xù)而又穩(wěn)定的能量。

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

圖2-1 開關(guān)電源示意圖

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

采用PWM技術(shù)的開關(guān)電源原理機構(gòu)如圖2-2所示，從電網(wǎng)將能量傳遞給負(fù)載的回路稱為主回路，其余稱為控制回路。

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

圖2-2 PWM方式開關(guān)電源框圖

控制回路在提供高壓開關(guān)T管基極驅(qū)動脈沖的同時，需要完成輸出電壓穩(wěn)壓的控制，而且還必須能對電源或負(fù)載提供保護。它通常由檢測比較放大電路、電壓-脈沖寬度轉(zhuǎn)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(gòu)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(chǎn)生誤差信號，在經(jīng)過V/W電路調(diào)制脈沖寬度——調(diào)節(jié)輸出電壓。例如，由于某種原因（負(fù)載電流減小或電網(wǎng)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(zhǔn)電壓進行比較，并產(chǎn)生負(fù)積極性的誤差電壓，V/W電路根據(jù)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(shù)值，從而實現(xiàn)穩(wěn)壓的作用。

開關(guān)電源的分類

在電子技術(shù)和應(yīng)用飛速發(fā)展的今天, 對電子儀器和設(shè)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(yōu)點的開關(guān)電源就顯得更加重要。所以, 開關(guān)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(yīng)用, 發(fā)揮了巨大的作用, 這大大促進了開關(guān)電源的發(fā)展, 從事這方面研究和生產(chǎn)的人員也在不斷地增加, 開關(guān)電源的品種和類型也越來越多。常見的開關(guān)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(guān)電源電路中專設(shè)激勵信號振蕩器；自激式開關(guān)功率管兼作振蕩管。該形式的開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)簡單, 元器件少, 可以做成低成本的開關(guān)電源。

2.按調(diào)制方式劃分 分為脈寬調(diào)制型、頻率調(diào)整型和混合調(diào)整型。脈寬調(diào)制型保持振蕩頻率保持不變, 通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來改變輸出電壓的大??；頻率調(diào)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??；混合調(diào)整型是脈沖寬度和振蕩頻率均可進行調(diào)節(jié)的開關(guān)電源。

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

4．按開關(guān)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(yīng)管)作為開關(guān)功率管；可控硅型采用可控硅作為開關(guān)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(fù)載的連接方式劃分 分串聯(lián)型和并聯(lián)型。串聯(lián)型儲能電感串聯(lián)在輸入與輸出電壓之間；并聯(lián)型儲能電感并聯(lián)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(guān)管。這種電路的特點是價格低、電路結(jié)構(gòu)簡單, 但輸出功率不能提高；推挽式使用兩個功率開關(guān)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(guān)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(guān)管, 將其連接成半橋形式。它的特點是適應(yīng)于輸入電壓較高的場合；全橋式使用四個功率開關(guān)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(jié)構(gòu)劃分 分為散件式和集成電路式。散件式整個開關(guān)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(jié)構(gòu)較為復(fù)雜；集成電路式整個開關(guān)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(guān)管, 有的則不包括。這種形式的電源的特點是電路結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、可靠性高。這種電路被廣泛地應(yīng)用于彩色電視中。

以上五花八門的開關(guān)電源品種都是站在不同的角度, 以開關(guān)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(diào)節(jié)手段、儲能電感的連接方法、功率開關(guān)管的器件種類以及串并聯(lián)結(jié)構(gòu), 還是其他的電路形式,它們最后總可以歸結(jié)為串聯(lián)型和并聯(lián)型開關(guān)電源這兩大類[4]。

開關(guān)電源優(yōu)缺點

開關(guān)電源的優(yōu)點

1．功耗小、效率高 開關(guān)電源結(jié)構(gòu)原理方框圖中的晶體管在激勵信號的驅(qū)動下,其工作狀態(tài)處于導(dǎo)通—截止和截止—導(dǎo)通的開關(guān)狀態(tài),轉(zhuǎn)換速度很快, 頻率一般為50kHz左右。在一些技術(shù)先進的國家, 可以做到幾百或者上千kHz。晶體管V飽和導(dǎo)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(guān)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(diào)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(guān)電源的體積小、重量輕。

3．穩(wěn)壓范圍寬 開關(guān)電源的輸出電壓是通過激勵信號的占空比來調(diào)節(jié)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(wěn)定的輸出電壓。所以, 開關(guān)電源的穩(wěn)壓范圍很寬, 穩(wěn)壓效果較好。此外,改變占空比的方法有脈寬調(diào)制型、頻率調(diào)制型和混合調(diào)制型三種。這樣開關(guān)電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點, 而且實現(xiàn)穩(wěn)壓的方法也較多較靈活,設(shè)計人員可以根據(jù)實際應(yīng)用的需要和要求, 靈活選用各種形式的穩(wěn)壓方法。

4．濾波效率高,不需要較大容量的濾波電容 開關(guān)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(guān)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(yīng)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(diào)寬型和調(diào)頻型; 有單端式和雙端式; 有開關(guān)元件為晶體管式和開關(guān)元件為可控硅式等等。設(shè)計者可以發(fā)揮各種類型電路的特長, 設(shè)計出能滿足各種不同應(yīng)用場合的開關(guān)電源。

開關(guān)電源的缺點

開關(guān)電源最為突出的缺點就是開關(guān)干擾較為嚴(yán)重。開關(guān)電源中的開關(guān)功率管是工作在開關(guān)狀態(tài)下, 它產(chǎn)生的交流電壓和電流會通過電路中的其他元器件產(chǎn)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(yán)重地影響整機的正常工作。此外, 由于開關(guān)電源中沒有了工頻降壓變壓器的隔離, 振蕩器所產(chǎn)生的高頻干擾如果不加以消除, 就會串入工頻電網(wǎng), 使附近的其他電子儀器、設(shè)備和家用電器受到嚴(yán)重的干擾。

目前,由于國內(nèi)微電子技術(shù)、阻容器件生產(chǎn)技術(shù)以及磁性材料技術(shù)與

一些技術(shù)先進的國家還有一定的差距, 因此開關(guān)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(guān)電源還不能得到普及使用。特別是無工頻變壓器開關(guān)電源中的高壓電容、高反壓大功率開關(guān)管、開關(guān)變壓器的磁性材料等元件,我國還處于研究和開發(fā)階段。一些先進的國家,雖然有了一定的發(fā)展,但是在實際應(yīng)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(guān)電源的又一個缺點, 那就是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率高、維修麻煩、成本高。對此, 如果設(shè)計者和制造者不予以充分重視,則會直接影響開關(guān)穩(wěn)壓電源的推廣應(yīng)用。

軟開關(guān)技術(shù)簡介

硬開關(guān)與軟開關(guān)

現(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)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(shè)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(guān)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(shù)，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(guān)頻率的同時，開關(guān)損耗也會隨之增加，電路效率嚴(yán)重下降，電磁干擾也增大了，所以簡單的提高開關(guān)頻率是不行的。

（a）硬開關(guān)的開通過程（b）硬開關(guān)的關(guān)斷過程

圖 2-3 硬開關(guān)的開關(guān)過程

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

在很多電路中，開關(guān)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(guān)斷，起典型的開關(guān)過程如圖2-3所示。開關(guān)過程中電壓、

電流均不為零，出現(xiàn)了重疊，因此導(dǎo)致了開關(guān)損耗。而且電壓和電流的變化很快，波形出現(xiàn)了明顯的過沖，這導(dǎo)致了開關(guān)噪聲的產(chǎn)生。具有這樣的開關(guān)過程的開關(guān)稱為硬開關(guān)。

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

通過在原來的開關(guān)電路中增加很小的電感，電容等諧振元件，構(gòu)成輔助換流網(wǎng)絡(luò)，在開關(guān)過程中引入諧振過程，開關(guān)開通前電壓降為零，或關(guān)斷前電流降為零，就可以消除開關(guān)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(guān)噪聲，這樣的電路稱為軟開關(guān)電路。軟開關(guān)電路中典型的開關(guān)過程如圖2-4所示。具有這樣開關(guān)過程的開關(guān)稱為軟開關(guān)。開關(guān)損耗理論上為零[5]。

（a）軟開關(guān)的開通過程 （b）軟開關(guān)的關(guān)斷過程

圖2-4軟開關(guān)的開關(guān)過程

軟開關(guān)的分類

根據(jù)電路中主要開關(guān)元件是零電壓開通還是零電流關(guān)斷，可以將軟開關(guān)電路零電壓電路和零電流電路兩大類。通常，一種開關(guān)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(guān)，有些開關(guān)工作在零電壓的條件下，而另一些開關(guān)工作在零電流的條件下。

根據(jù)軟開關(guān)技術(shù)的發(fā)展歷程可以將軟開關(guān)電路分成準(zhǔn)諧振電路、零開關(guān)PWM電路和零轉(zhuǎn)換PWM電路。下面分別介紹上述三類軟開關(guān)電路。

1.準(zhǔn)諧振電路

這是最早出現(xiàn)的軟開關(guān)電路，其中有些現(xiàn)在還在大量使用。準(zhǔn)諧振電路可分為

(1)零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路；

(2)零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路；

(3)零電壓開關(guān)多諧振電路；

(4)用于逆變器的諧振直流環(huán)電路。

2.零開關(guān)PWM電路

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

1）零電壓開關(guān)PWM電路；

2) 零電流開關(guān)PWM電路和準(zhǔn)諧振電路相比，這類電路有很多明顯的優(yōu)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(guān)承受的電壓明顯降低，電路可以采用開關(guān)頻率固定的PWM控制方式。[5]這兩種電路的基本開關(guān)單元如圖2-5。

(a) 零電壓開關(guān)PWM基本開關(guān)單元 (b) 零電流開關(guān)PWM基本單元

圖2-5 零開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元

3.零轉(zhuǎn)換PWM電路

這類軟開關(guān)電路還是采用輔助開關(guān)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(guān)并聯(lián)的，因此輸入電壓和負(fù)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(nèi)并從零負(fù)載到滿載都能工作在軟開關(guān)狀態(tài)。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(zhuǎn)換電路可分為：

(1)零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路；

(2)零電流轉(zhuǎn)換PWM電路。

基本開關(guān)單元如圖2-6。

(a) ZVT PWM開關(guān)單元 (b)ZCT PWM 開關(guān)單元

圖2-6 零轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元

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關(guān)鍵詞：開關(guān)電源;原理;原理框圖;電路圖

電子技術(shù)教學(xué)中，我們有的教師對開關(guān)電源部分內(nèi)容常常忽視，這與目前生產(chǎn)、生活實際是不符，本文根據(jù)自己的教學(xué)實踐，對開關(guān)電源教學(xué)談一些認(rèn)識。

一、明確開關(guān)電源教學(xué)的重要性

簡單的分類，直流穩(wěn)壓電源有串聯(lián)型線性直流穩(wěn)壓電源和開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源。串聯(lián)型線性直流穩(wěn)壓電源由整流、濾波、穩(wěn)壓等部分組成，穩(wěn)壓部分的調(diào)整部分工作在線性狀態(tài)，學(xué)生易理解，掌握串聯(lián)型線性直流穩(wěn)壓電源的工作原理和進行實際電路分析也是較為容易的。

開關(guān)電源（SwitchingMode Power Supply，SMPS）采用“交流直流交流直流”變換技術(shù)，是一種組合變流電路，包括由沖擊電流限幅、輸入濾波器、輸入側(cè)整流與濾波、逆變、輸出側(cè)整流與濾波等部分組成的主電路，以及控制電路、檢測電路、輔助電源四大部份組成。開關(guān)電源較直流線性穩(wěn)壓電源復(fù)雜，但開關(guān)電源功耗小，轉(zhuǎn)化率高，且體積和重量只有線性電源的20%―30%，目前它已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。因此我們在教學(xué)時應(yīng)重視開關(guān)電源這部分內(nèi)容，不要淡化它。

二、讀懂開關(guān)電源原理框圖

要理解開關(guān)電源工作原理，會分析開關(guān)電源電路圖，那就要讀懂開關(guān)電源原理框圖。下圖就是典型的開關(guān)直流穩(wěn)壓電源原理框圖。

圖1 開關(guān)直流穩(wěn)壓電源原理框圖

（一） 框圖組成

框圖由主電路、控制電路、檢測比較放大電路、輔助電源四大部份組成。

1.主電路。主電路即完成“交流直流交流直流”變換的功能電路部分，由沖擊電流限幅、輸入濾波器、輸入側(cè)整流與濾波、逆變、輸出側(cè)整流與濾波等部分組成;沖擊電流限幅部分功能：限制接通電源瞬間輸入側(cè)的沖擊電流;輸入濾波器功能：其作用是過濾電網(wǎng)存在的雜波及阻礙本機產(chǎn)生的雜波反饋回電網(wǎng);輸入側(cè)整流與濾波：將電網(wǎng)送來的交流電直接整流濾波為較平滑的直流電;逆變：利用開關(guān)調(diào)整電路將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開關(guān)電源的核心部分;輸出側(cè)整流與濾波：根據(jù)負(fù)載需要，將高頻交流電進行整流與濾波，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。

2.控制電路。一方面從輸出端取樣，與設(shè)定值進行比較，然后去控制逆變器（開關(guān)調(diào)整電路），改變其脈寬或脈頻，使輸出穩(wěn)定，另一方面，根據(jù)測試電路提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)保護電路鑒別，提供控制電路對電源進行各種保護措施。

3.檢測電路。提供保護電路中正在運行中各種參數(shù)和各種儀表數(shù)據(jù)。

4.輔助電源。實現(xiàn)電源的軟件（遠(yuǎn)程）啟動，為保護電路和控制電路（PWM等芯片）工作供電。

（二）開關(guān)電源的工作原理

開關(guān)電源就是采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)元件（開關(guān)管），開關(guān)元件以一定時間間隔重復(fù)地接通和斷開，在開關(guān)元件接通時輸入側(cè)整流濾波的直流電通過逆變器（開關(guān)管）、輸出側(cè)整流濾波電路向負(fù)載提供能量，當(dāng)開關(guān)元件斷開時，電路中的儲能裝置（有電感、電容等組成）向負(fù)載釋放開關(guān)接通時所儲存的能量，使負(fù)載得到連續(xù)穩(wěn)定的能量。

根據(jù)開關(guān)電源輸出的直流電壓情況，經(jīng)過取樣進行檢測比較放大得到反映輸出電壓穩(wěn)定情況的誤差信號，將其送入控制電路產(chǎn)生控制信號，控制信號經(jīng)驅(qū)動電路后對逆變器的開關(guān)元件的占空比（導(dǎo)通時間與周期之比）進行控制，這樣傳到輸出端的能量得到調(diào)整，即調(diào)整輸出電壓使其穩(wěn)定。

三、讀懂開關(guān)電源電路圖

讀開關(guān)電源電路圖，不要急于弄清某一元器件的作用，要按一定順序逐步進行。首先，找到來自電網(wǎng)的交流電位置（即“信號”入口，）和直流穩(wěn)壓電源穩(wěn)定電壓輸出位置（“信號”出口）;其次，找到開關(guān)電源電路的主電路（“主信號”電路，正向電路），它由沖擊電流限幅、輸入濾波器、輸入側(cè)整流與濾波、逆變、輸出側(cè)整流與濾波等部分組成;找到反饋控制電路，它由取樣比較放大、時鐘振蕩電路、脈寬（脈頻）調(diào)制電路、驅(qū)動電路等組成;最后對開關(guān)穩(wěn)壓電源的主電路和反饋控制電路的各組成部分進行分析，分析出各部分的功能和作用，具體到每一個元器件的功能和作用;完成以上分析后，引導(dǎo)學(xué)生再回頭體會開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理，會有更深刻的理解。

目前，開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應(yīng)用幾乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。作為電子技術(shù)的教學(xué)專業(yè)人員，有必要將開關(guān)電源這部分教學(xué)內(nèi)容向?qū)W生講清楚，講明白。

參考文獻：

[1]王兆安，劉進軍.電力電子技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社.2009.

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【關(guān)鍵詞】開關(guān)；電源；原理；趨勢

電子設(shè)備的運作需要電源供電，因而一個安全高效的電源，是組成技術(shù)指標(biāo)合格的電子設(shè)備的必要部件之一。當(dāng)下最常見的直流穩(wěn)壓電源主要有兩類，一類是線性電源，另一類是開關(guān)電源。線性電源穩(wěn)定性較好，輸出紋波電壓小，但要浪費較多的調(diào)整管功率，所以電源體積較為臃腫。相比之下，開關(guān)電源高效節(jié)能，外形小卻能穩(wěn)定輸出較高電壓，并且擴充方便，包含技術(shù)含量高，常被應(yīng)用于數(shù)碼設(shè)備、計算機等。開關(guān)電源是穩(wěn)壓電源未來發(fā)展的主流趨勢，在當(dāng)下已經(jīng)較為普遍的應(yīng)用于各個領(lǐng)域。

一、開關(guān)電源的基本原理及組成

（一）開關(guān)電源的基本原理

根據(jù)控制原理的差異，開關(guān)電源分為三種：脈寬調(diào)制、脈頻調(diào)制和混合調(diào)制。

（1）脈沖寬度調(diào)制式，簡稱脈寬調(diào)制式（Pulse Width Modulation，縮寫為PWM），當(dāng)前集成開關(guān)電源多采用此種方式。這種方式穩(wěn)定電壓的方式是，在開關(guān)頻率不變化的前提下，依靠脈沖寬度的增大或縮小改變占空比例，進而調(diào)節(jié)電壓達到穩(wěn)定。它核心部件是脈寬調(diào)制器。濾波電路的運行十分便捷，因為開關(guān)是按照穩(wěn)定的周期工作的。然而，這種控制方式也有缺陷，它不能寬范圍地調(diào)整輸出的電壓，因為受功率開關(guān)最小導(dǎo)通時間不夠的話，就不能完成寬范圍的調(diào)整。還有一個缺陷就是，輸出端要求較高，為了避免空載時電壓輸出上升，需要安排接假負(fù)載。

（2）脈沖頻率調(diào)制方式，簡稱脈頻調(diào)制式（PulseFre-quency Modulation，縮寫為PFM）。在這種調(diào)制方式運作的時候，脈沖寬度是固定的，開關(guān)頻率的增加或減少控制了占空比，使得電壓保持穩(wěn)定。脈頻調(diào)制器是它的核心部件。設(shè)計電路的時候，它不使用脈寬調(diào)制器中的鋸齒波發(fā)生器，取而代之的是，用固定脈寬發(fā)生器，同時，使用電壓/頻率轉(zhuǎn)換器來調(diào)節(jié)頻率的變化。

這種調(diào)節(jié)方式的基本原理是，調(diào)節(jié)控制器輸出信號的脈沖寬度的運轉(zhuǎn)周期，改變其占空比，從而控制輸出電壓Uo保持穩(wěn)定。它輸出電壓范圍寬，輸出端可不接假負(fù)載。

（3）混合調(diào)制方式，在這種調(diào)整方式下，可以靈活調(diào)整脈沖寬度或開關(guān)頻率，它屬于PWM和PFM的混合方式?；旌险{(diào)制方式兼有脈寬調(diào)制器和脈頻調(diào)制器兩種組件。由于tp和T均可單獨調(diào)節(jié)， 因此占空比調(diào)節(jié)范圍最寬，適合制作供實驗室使用的輸出電壓可以寬范圍調(diào)節(jié)的開關(guān)電源。

此三種方式都可以叫做時間比率控制（TimeRatio Control， 簡稱TRC）方式。其中，脈寬調(diào)制器在諸如UC3842型脈寬調(diào)制器中是一個獨立的集成電路，而在LM2576型開關(guān)穩(wěn)壓器、TOP250型單片開關(guān)電源集成電路中與其他設(shè)備一同集成使用。

（二）開關(guān)電源的組成

（1）輸入電路：線性濾波電路、浪涌電流抑制電路、整流電路。

（2）變換電路：含開關(guān)電路、輸出隔離（變壓器）電路等，是開關(guān)電源電源變換的主通道， 完成對帶有功率的電源波形進行斬波調(diào)制和輸出。

（3）控制電路：向驅(qū)動電路提供調(diào)制后的矩形脈沖，達到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的?；鶞?zhǔn)電路、采電路、比較放大、V/F變換、振蕩器?；鶚O驅(qū)動電路：把調(diào)制后的振蕩信號轉(zhuǎn)換成合適的控制信號， 驅(qū)動開關(guān)管的基極。

（4）輸出電路：整流、濾波。把輸出電壓整流成脈動直流，并平滑成低紋波直流電壓。

二、電源開關(guān)的發(fā)展趨勢

開關(guān)電源是穩(wěn)壓電源未來發(fā)展的主流趨勢，在當(dāng)下已經(jīng)較為普遍的應(yīng)用于各個領(lǐng)域。接下來，筆者立足當(dāng)前的開關(guān)電源的發(fā)展實際和理論發(fā)展，淺析開關(guān)電源的未來其發(fā)展趨勢。

（一）小型高頻化

磁性元件和電容的大小和質(zhì)量決定了電源大小。當(dāng)前的技術(shù)開發(fā)的一個方向在于，減小這些元件的大小，并盡可能低提升開關(guān)頻率。這樣既能減小電源尺寸受到磁性元件和電容尺寸和重量的影響，還能避免受到不必要因素的干擾，提升系統(tǒng)性能，所以小型高頻化是開關(guān)電源的發(fā)展趨勢之一。

（二）使用穩(wěn)定化

比起線性使用的電源，開關(guān)電源的使用次數(shù)要多好多倍，由于經(jīng)常使用其穩(wěn)定性便不如前者。電解電容、光耦合器及排風(fēng)扇這些部件是決定使用的穩(wěn)定性和時間長短的要素。因此，當(dāng)下的設(shè)計正是從集成度的提升著眼，盡力地改善器件的使用，增強開關(guān)電源的穩(wěn)定性。進化，開關(guān)電源的集成度還有待提高。比較可取的是，利用模塊化技術(shù)，它可以提升開關(guān)的穩(wěn)定性，適合用于分布式電源系統(tǒng)。

（三）低噪化

在傳統(tǒng)的開關(guān)電源中，頻率越高噪聲越大。采用部分諧振轉(zhuǎn)換回路技術(shù)，在原理上既可以提高頻率又可以降低噪聲，所以低噪聲化也是開關(guān)電源的未來發(fā)展趨勢之一。

（四）計算機智能控制化

當(dāng)前計算機操作系統(tǒng)不斷革新，未來的電路將會加以結(jié)合，利用微機檢測和控制，能有效、多反面監(jiān)控系統(tǒng)，實時檢查、登記和預(yù)警等。

（五）低壓輸出化

隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的不斷發(fā)展，微處理器和便攜式電子設(shè)備的工作越來越低，這就要求未來的DC-DC變換器能夠提供低輸出電壓以適應(yīng)微處理器和便攜式電子設(shè)備的供電要求。

三、總結(jié)

本文的上半部分，分析了開關(guān)電源根據(jù)控制原理的差異可以分為三種：脈寬調(diào)制、脈頻調(diào)制和混合調(diào)制，同時還介紹了開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)及構(gòu)成原理。

后半部分，立足當(dāng)前的開關(guān)電源的發(fā)展實際和理論發(fā)展，分析未來其發(fā)展趨勢為：小型高頻化、使用穩(wěn)定化、低噪化、計算機智能控制化和低壓輸出化等。

參考文獻

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篇9

【關(guān)鍵詞】電流脈寬調(diào)制;PWM;Pspice

1.概述

電源是電子設(shè)備的心臟部分，其質(zhì)量的好壞直接影響電子設(shè)備的可靠性，電子設(shè)備故障60%來自電源，開關(guān)穩(wěn)壓電源的調(diào)整工作在開關(guān)狀態(tài)，主要優(yōu)越性是高達70%-95%變換效率。

目前，空間技術(shù)、計算機、通信、雷達、電視及家用電器中的穩(wěn)壓電源已逐步被開關(guān)電源取代。開關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)越性主要表現(xiàn)在：功耗小，穩(wěn)壓范圍寬，體積小、重量輕[1] [2]。

傳統(tǒng)的線性電源具有穩(wěn)壓性能好、輸出紋波電壓小、使用可靠等優(yōu)點，但工頻變壓器體積龐大，調(diào)整管工作于線性放大狀態(tài)，導(dǎo)致電源功耗大、效率低、發(fā)熱嚴(yán)重。開關(guān)電源采用功率管作為開關(guān)器件，工作于開關(guān)狀態(tài)，損耗小;工作頻率在幾十到上百千赫茲，濾波電容、電感的數(shù)值較小。線性穩(wěn)壓電源允許電網(wǎng)波動范圍為220v×（1±10%）， 對電網(wǎng)的適應(yīng)能力很強。另外，由于功耗小、機內(nèi)溫升低，提高了整機的穩(wěn)定性和可靠性[3]。

2.系統(tǒng)整體概述

開關(guān)電源可分成：機箱（或機殼）、電源主電路、電源控制電路三部分。機箱既可起到固定的作用，也可起到屏蔽的作用;電源主電路負(fù)責(zé)進行功率轉(zhuǎn)換，通過適當(dāng)控制電路將市電轉(zhuǎn)換為所需的直流輸出電壓;控制電路根據(jù)實際需要產(chǎn)生主電路所需的控制脈沖及提供保護。開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

圖1 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖

電源主電路通過輸入整流濾波、DC-DC變換、輸出整流濾波將市電轉(zhuǎn)為所需的直流電壓。開關(guān)電源主回路可以分為：輸入整流濾波回路、功率開關(guān)橋、輸出整流濾波三部分。輸入整流濾波回路通過整流模塊將交流電變換成含有脈動成分的直流電，通過輸入濾波電容使脈動直流電變?yōu)檩^平滑的直流電;功率開關(guān)橋?qū)V波所得直流電變換為高頻方波電壓，通過高頻變壓器傳送至輸出側(cè)。由輸出整流濾波回路將高頻方波電壓濾波為所需直流電壓或電流。

控制電路為主回路提供正常功率變換所需的觸發(fā)脈沖。具有以下功能：控制脈沖產(chǎn)生電路、驅(qū)動電路、電壓反饋控制電路、各種保護電路、輔助電源電路[4] [5]。

3.軟開關(guān)技術(shù)

軟開關(guān)技術(shù)指零電壓開關(guān)（ZVS）和零電流開關(guān)（ZCS）。圖4所示為功率開關(guān)管在軟開關(guān)及硬開關(guān)下的波形：

圖2 軟開關(guān)理想波形和硬開關(guān)波形

軟開關(guān)包括軟開通和軟關(guān)斷。軟開通包括零電流開通及零電壓開通，軟關(guān)斷包括零電流關(guān)斷及零電壓關(guān)斷，可按照驅(qū)動信號時序來判斷。

零電流關(guān)斷：關(guān)斷命令在t2時刻或其后給出，開關(guān)器件端電壓由通態(tài)值上升到斷態(tài)值，開關(guān)器件進入截止?fàn)顟B(tài)。

電壓關(guān)斷：關(guān)斷命令在t1時刻給出，開關(guān)器件電流由通態(tài)值下降到斷態(tài)值后，端電壓由通態(tài)值上升到斷態(tài)值，開關(guān)器件進入截止?fàn)顟B(tài)。在t2前，開關(guān)器件端電壓必須維持在通態(tài)值（約等于零）。

零電壓開通：開通命令在t2時刻或其后給出，開關(guān)器件電流由斷態(tài)值上升到通態(tài)值，開關(guān)器件進入導(dǎo)通狀態(tài)。在t2前，開關(guān)器件端電壓必須下降到通態(tài)值（約等于零），電流上升到通態(tài)值以前維持在零。

零電流開通：開通命令在t1時刻給出，開關(guān)器件端電壓由斷態(tài)值下降到通態(tài)值以后，電流由斷態(tài)值上升到通態(tài)值，開關(guān)器件進入導(dǎo)通狀態(tài)。在t2以前開關(guān)器件電流必須維持在斷態(tài)值（約等于零）[6] [7]。

圖3 電源控制電路框圖

4.控制電路

根據(jù)電路功能將控制電路分為幾部分：脈沖產(chǎn)生電路、觸發(fā)電路、電壓反饋控制電路、軟啟動電路、保護電路、輔助電源電路等[8]，控制電路如圖3所示。

脈沖產(chǎn)生電路是控制電路的核心。脈沖產(chǎn)生電路根據(jù)電壓反饋控制電路、保護電路及軟啟動電路等提供的控制信號產(chǎn)生所需脈沖信號，該脈沖信號經(jīng)過觸發(fā)電路的放大驅(qū)動開關(guān)元件，使開關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷。

控制電路輸出的PWM信號，電平幅值和功率能力均不足以驅(qū)動大功率開關(guān)元件，需要選擇合適的驅(qū)動電路。驅(qū)動電路將控制電路輸出PWM脈沖信號經(jīng)過電隔離后進行功率放大及電壓調(diào)整驅(qū)動大功率開關(guān)管，脈沖幅度以及波形關(guān)系到開關(guān)管的開關(guān)過程，直接影響損耗，需合理設(shè)計驅(qū)動電路，實現(xiàn)開關(guān)管最佳開通與關(guān)斷[9][10]。

5.系統(tǒng)仿真

5.1 總電路設(shè)計

利用理想電源代替振蕩器，通過設(shè)置時鐘周期給定振蕩頻率，仿真時控制震蕩頻率外接定時電阻和電容的6、7腳均可不接。簡化輸出電路，利用兩個晶體管模擬輸出級，關(guān)閉控制端用數(shù)字激勵驅(qū)動，內(nèi)部邏輯利用數(shù)字仿真器進行仿真。電路參數(shù)選擇和設(shè)計時，應(yīng)考慮上述簡化對系統(tǒng)的影響[11] [12]。

圖4 總電路設(shè)計圖

5.2 PWM模塊

根據(jù)PWM產(chǎn)生的原理得到仿真模塊，用以產(chǎn)生可調(diào)的PWM信號。工頻脈沖信號，通過比較器，經(jīng)積分器產(chǎn)生三角鋸齒波，通過比較取符號產(chǎn)生一路脈沖信號，由分頻器產(chǎn)生兩路互補驅(qū)動脈沖，輸入調(diào)節(jié)PWM信號的占空比[13]。

圖5 PWM仿真圖

6.結(jié)論

采用組合式變換器實現(xiàn)多路輸出、多種保護。通過Pspice仿真，驗證了設(shè)計思路的正確，理論性的可實現(xiàn)。

參考文獻

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篇10

【關(guān)鍵詞】變壓器耦合并聯(lián)型；開關(guān)電源；檢修

彩色電視機的電源系統(tǒng)包括開關(guān)穩(wěn)壓電源和行輸出變壓器脈沖整流電源兩大部分。開關(guān)穩(wěn)壓電源具有效率高、重量輕、穩(wěn)壓范圍寬、穩(wěn)定性和可靠性高、易于實現(xiàn)多路電壓輸出和遙控開關(guān)等優(yōu)點。按穩(wěn)壓控制方式分調(diào)寬式和調(diào)頻式，按開關(guān)變壓器與負(fù)載的連接方式分為串聯(lián)型和并聯(lián)型，按振蕩啟動方式分為自激式和他激式。不同類型的開關(guān)電源電路，工作方式不同，在電路結(jié)構(gòu)上會有較大的差異。而且開關(guān)電源電路的損壞在彩電維修中占有很大的比例。現(xiàn)具體討論變壓器耦合、并聯(lián)輸出、自激式、調(diào)寬穩(wěn)壓型開關(guān)電源的檢修注意事項和檢修方法。

一、檢修注意事項

由于開關(guān)電源工作在高電壓、大電流的情況下，所以為了實現(xiàn)安全、快速的檢修，必須注意以下幾點：

1、為了避免事故發(fā)生，檢修時必須才取必要的措施。在被檢測電源輸入端外接1:1隔離變壓器，將檢修整機與電網(wǎng)火線隔離開來。另外最好把工作臺鋪上絕緣膠墊。

2、檢修時應(yīng)注意人身、儀器的安全。由于“熱底板”存在著與電網(wǎng)火線相通的可能，因此應(yīng)注意電源部分“熱底板”和“冷底板”的區(qū)域范圍。

3、市電輸入回路的延時熔絲管或供電回路的保險電阻燒壞，不能采用導(dǎo)線短接的方法進行檢修，以免擴大故障范圍。

4、開關(guān)電源未起振時，大部分彩電的300V供電的濾波電容會在關(guān)機后存儲一定的電壓，必須先將存儲的電壓泄放掉后再檢修，以免損壞測量儀表或擴大故障范圍。

5、檢測開關(guān)電源不同部位的電壓時，要選擇好接地線。即測開關(guān)電源初級部分的關(guān)鍵點電壓時，應(yīng)選擇300V供電的濾波電容負(fù)極為“地”，而測開關(guān)電源輸出端電壓時，應(yīng)該以高頻調(diào)諧器外殼或與其相通的部位為“地”，否則會導(dǎo)致所測電壓不準(zhǔn)。

6、開關(guān)管擊穿后，必須檢查故障確定原因后再通電試機，以免更換后的開關(guān)管再次擊穿。

7、檢修過壓保護電路動作的故障時，不能輕易脫開保護電路進行檢修，以免擴大故障范圍。

8、需要暫時斷開負(fù)載，以判斷故障是在負(fù)載的行輸出級還是在開關(guān)電源部分時，必須在開關(guān)電源的輸出端接上一個假負(fù)載才能開機。假負(fù)載需接在B＋電壓的濾波電容兩端或B＋供電的整流管負(fù)極與地之間，而不能接在B＋整流管正極與地之間。當(dāng)采用斷開穩(wěn)壓電路檢修時，應(yīng)在交流電壓輸入端串接一個100W燈泡降壓，防止輸出電壓過高而燒壞元件。

二、檢修時的檢測要點

不同類型的開關(guān)電源電路，由于工作方式的不同會在電路結(jié)構(gòu)上有較大差異，但基本工作原理和方框結(jié)構(gòu)比較相近，檢測要點也基本相同。

1、輸入端“交～直變換”的檢測要點

輸入端的“交～直變換”是指220V輸入回路、整流、濾波這部分電路，它的任務(wù)是把220V的交流電壓變換成直流電壓，輸送到開關(guān)管的集電極。因此，通過檢測開關(guān)管集電極上有無250～340V左右的直流電壓，來判斷這部分電路工作是否正常。若此電壓為零，表明電路出現(xiàn)斷路故障，應(yīng)先對其進行檢修，使其達到正常后，才能檢修其他電路。

2、開關(guān)振蕩電路的檢測要點

開關(guān)振蕩電路是開關(guān)電源的關(guān)鍵部位，它包括開關(guān)變壓器（主要是初級繞組和正反饋繞組）、開關(guān)管、啟動電路和正反饋電路。

（1）開關(guān)振蕩電路是否起振的判斷方法如下：

1）直流電壓檢測法：檢測開關(guān)管基極有無0.1～0.2V的負(fù)電壓，有負(fù)電壓即表示已經(jīng)起振。

2）“dB”電壓檢測法：用萬用表的dB擋檢測開關(guān)管基極或集電極有無dB電壓，有dB電壓表示已經(jīng)起振。如萬用表沒有dB擋，可在表筆上串聯(lián)一個0.1μF/400V的無極性電容后，用交流電壓擋去測量。

3）示波器觀察法：用示波器觀察開關(guān)管基極或集電極有無開關(guān)脈沖信號。注意：用示波器檢測時，必須在220V輸入端加接1:1隔離變壓器。

（2）若通過以上檢測確定開關(guān)振蕩電路沒有起振，則應(yīng)重點檢查以下電路：

1）啟動電路是否開路。檢查方法十分簡單，用萬能表的直流擋位測量開關(guān)管的B極，在開機瞬間如開關(guān)管B極電壓有跳變則說明啟動電路正常，如果按動開關(guān)時表筆沒有擺動則說明啟動電路開路了。

2）正反饋電路中有無元件開路或短路。檢修時，只要對正反饋回路中的阻容元件測量或采用代換法就可以查找出故障根源。

3）由取樣繞組、取樣比較、誤差放大和脈沖寬度調(diào)節(jié)電路組成的穩(wěn)壓電路是否有故障。必要時可暫時斷開穩(wěn)壓控制電路，使振蕩器單獨起振。

4）保護電路是否有故障，必要時可斷開保護電路。

3、輸出端“交～直變換”的檢測要點

輸出端的“交～直變換”是指開關(guān)變壓器次級繞組輸出的脈沖電壓經(jīng)整流、濾波后形成的直流輸出電壓。一般開關(guān)電源有多路直流輸出電壓，檢測各路輸出的直流電壓值，可以判斷開關(guān)電源的工作是否正常。

4、穩(wěn)壓控制電路的檢測要點

穩(wěn)壓控制電路一般包括取樣繞組、取樣電路、基準(zhǔn)電壓、比較放大、誤差放大和脈沖控制電路幾個部分。它的任務(wù)是通過自動調(diào)整開關(guān)管的導(dǎo)通時間，從而調(diào)整高頻脈沖的占空比，使輸出電壓穩(wěn)定在負(fù)載所要求的電壓值上。檢測穩(wěn)壓控制電路的方法是用萬用表檢測輸出端的直流電壓，然后微調(diào)穩(wěn)壓電路中的可調(diào)電阻，看輸出端的電壓能否變化，能否重新穩(wěn)住，從而判斷整個穩(wěn)壓電路中是否正常。

三、常見故障的檢修方法

1、保險絲熔斷

開機就燒保險絲，且燒斷的保險絲內(nèi)部呈現(xiàn)出黑色煙霧狀，表明電路中有嚴(yán)重的短路性，且一般都發(fā)生在開關(guān)電源本身，這時應(yīng)檢查消磁電路、整流、濾波電路或是開關(guān)管等重要元件是否被擊穿了；如果燒斷的保險絲還呈透明狀，通常是電流過載而造成的，多數(shù)為行輸出有短路性故障。

維修方法：先采用串聯(lián)燈泡法簡捷地判斷出是開關(guān)電源本身故障還是行輸出電路的問題：在交流輸入端串入一個100w／220v的燈泡，開機觀察現(xiàn)象。如果在正常情況下，接通電源后，燈泡會瞬間很亮，隨后變成暗光；如果燈泡沒有發(fā)光，則說明是保險絲或是電源開關(guān)損壞；如果燈泡在瞬間很亮后就再沒有發(fā)光了，則表明消磁之前的電路正常，應(yīng)把重點放到整流以后的電路；如果燈泡長時間保持很亮，則說明電源部分有短路性故障，應(yīng)著重檢查整流電路和穩(wěn)壓電路；如果燈泡亮了一下，隨后又變得較亮，則很大可能是行負(fù)載有短路，這時可對行輸出電路進一步檢查。

如果判斷出是開關(guān)電源本身故障。先用觀察法檢查電路上有沒有燒焦或是炸裂的元件，聞一聞有沒有異味。經(jīng)看，聞之后，再用萬用表進行檢查。首先測量一下電源輸入端的電阻值，若太小，則說明后端有局部短路現(xiàn)象，然后分別測量四只整流二極管正、反向電阻和限流電阻的阻值，看其有無短路或燒壞；然后再測量一下電源濾波電容是否能進行正常充放電，再就測量一下開關(guān)管是否擊穿損壞。需要說明的一點是：因是在路測量，有可能會使測量結(jié)果有誤，造成誤判。因此必要時可把元器件焊下來再進行測量。

2、無直流電壓輸出

如果保險絲是完好的，在有負(fù)載的情況下，各級直流電壓無輸出。這種情況主要是以下原因造成的：電源中出現(xiàn)開路，短路現(xiàn)象，過壓，過流保護電路出現(xiàn)故障，振蕩電路沒有工作，電源負(fù)載過重，高頻整流濾波電路中整流二極管被擊穿，濾波電容漏電等。

維修方法：首先，用萬用表測量開關(guān)管集電極有無300V直流電壓，若沒有應(yīng)往前查交流輸入，保險絲、整濾波等電路是否正常；若集電極電壓正常，則檢查開關(guān)管b極電壓。測開關(guān)管b極電壓或者在關(guān)機瞬間，用指針萬用表R×lΩ擋，黑筆接b極，紅筆接整流濾波電容負(fù)極（熱地），聽電源有啟動聲音，說明電源振蕩電路正常，僅缺乏啟動電壓，是啟動電阻開路或銅皮斷。若無啟動聲，在測be結(jié)后，迅速將表轉(zhuǎn)到電壓檔，測c極電壓是否快速泄放。若是，說明開關(guān)管及其放電回路均正常，正反饋電路存在故障，包括反饋電阻、電容、續(xù)流二極管、正反饋繞組及其開關(guān)管故障。若c極電壓仍不泄放，說明開關(guān)管及其回路有開路故障或b極有短路接地故障。

3、有直流電壓輸出，但輸出電壓過高

這種故障往往來自于穩(wěn)壓取樣和穩(wěn)壓控制電路出現(xiàn)故障所致。在開關(guān)電源中，直流輸出、取樣電阻、誤差取樣放大管、光耦合器、脈沖控制電路等電路共同構(gòu)成了一個閉合的穩(wěn)壓控制環(huán)路，任何一處出問題都會導(dǎo)致輸出電壓升高。

維修方法：由于開關(guān)電源中有過壓保護電路，可以通過斷開過壓保護電路，使過壓保護電路不起作用。用分割法以穩(wěn)壓環(huán)路中的光耦為分水嶺，對電路實行分割，確定故障范圍。將光耦件熱地端的兩控制腳短路，觀察B＋變化，B＋嚴(yán)重下降或停止輸出，說明熱底板部分正常。故障點在B＋取樣電路及光耦；變化不明顯或無變化，說明熱底板部分有故障，要仔細(xì)檢查此部分的脈沖控制電路。檢查脈沖控制電路可采用調(diào)整交流電壓法：用交流調(diào)壓器調(diào)整交流輸入電壓，監(jiān)測+B輸出電壓。然后測脈寬調(diào)整電路中各級三極管的b、e、c極電壓、光耦端子間壓降變化，看其是否與穩(wěn)壓原理相符或變化趨勢一致。測到某一點與穩(wěn)壓原理應(yīng)得值相反，說明被測點的這一級有故障，應(yīng)逐一檢查相關(guān)元件。注意振蕩定時電容容量下降也會使輸出電壓過高。

對于具體的開關(guān)電源電路故障現(xiàn)象，可因故施修、因機施修，靈活掌握，采用不同的檢修方法和步驟，以達到準(zhǔn)確、快速、高質(zhì)量地完成檢修任務(wù)為目的。無論采取何種方法和步驟，原則是不能造成穩(wěn)壓電路開路、開關(guān)管失控，引起開關(guān)電源輸出電壓升高，造成大面積元件損壞，反而將故障擴大。如果掌握了開關(guān)電源各電路和元件發(fā)生故障的規(guī)律，就能夠迅速地排除各種故障。

參考文獻

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