开关电源设计范文
时间：2023-12-07 12:27:37
开关电源设计篇1
高压直流电源在日常的生产、生活中有着广泛的应用,尤其在军事、医疗和绝缘测试等领域应用更为频繁。传统的高压直流电源采用线性电源技术的较多,这种结构形式造成电源整体效率较低,性能一般,体积大,重量沉。随着开关电源技术的进步和发展,各类用途的直流电源都倾向于采用开关电源技术。开关电源以其线性电源无法比拟的特点和优点已经成为电源行业的主流形式。开关电源技术应用于高压直流电源领域,使高压直流电源变得体积小,重量轻,效率高,性能更好。 本次论文研究工作是针对X射线发生装置设计所需高压电源。论文首先介绍了目前高压直流电源领域的发展情况,和X光管工作的基本原理,论证了各种开关电源主电路的拓扑结构,由于单一结构形式的变换器难以满足系统功能和性能指标的要求,提出了一种组合式结构,以半桥式变换器组合降压斩波电路的主电路结构形式,应用MATLAB仿真验证了系统设计的可行性。然后论文针对主电路中各主要元件参数进行了具体计算,对变换器中较为关键的高压变压器进行了具体设计,并指出了变压器制造过程中影响性能指标的关键因素和解决办法。控制电路设计中选用开关电源专用芯片TL494作为主要控制芯片,应用精密运算放大器和隔离反馈元件构成系统的反馈和PI调节控制器,应用控制领域使用最为广泛的51系列单片机构成控制电路中的数字控制部分,结合信号检测技术,组成具有完善控制和保护功能的电源系统。在论文的系统调试部分记录了此次设计的电源的调试步骤和过程,以及每步调试的波形和数据,尤其重要的是发现并记录了TL494的设计缺陷,提出了补救方法。经过多次试验和反复补充修改设计,最终制成了一台具有较高性能指标的高压开关电源样机。
开关电源设计篇2
[关键词] 开关电源 设计
图1是一个普遍应用的反激式（或称为回扫式）开关电源工作原理图，50Hz或60Hz交流电网电压首先经整流堆整流，并向储能滤波电容器C5充电，然后向变压器T1与开关管V1组成的负载回路供电。图2是进行过电磁兼容设计后的电气原理图。
图1 图2
1、对电流谐波的抑制
一般电容器C5的容量很大，其两端电压纹波很小，大约只有输入电压的10%左右，而仅当输入电压Ui大于电容器C5两端电压的时候，整流二极管才导通，因此在输入电压的一个周期内，整流二极管的导通时间很短，即导通角很小。这样整流电路中将出现脉冲尖峰电流。
这种脉冲尖峰电流如用傅立叶级数展开，将被看成由非常多的高次谐波电流组成，这些谐波电流将会降低电源设备的使用效率，即功率因数很低，并会倒灌到电网，对电网产生污染，严重时还会引起电网频率的波动，即交流电源闪烁。脉冲电流谐波和交流电源闪烁测试标准为：IEC61000-3-2及IEC61000-3-3。一般测试脉冲电流谐波的上限是40次谐波频率。
解决整流电路中出现脉冲尖峰电流过大的方法是在整流电路中串联一个功率因数校正(PFC)电路，或差模滤波电感器。PFC电路一般为一个并联式升压开关电源，其输出电压一般为直流400V，没有经功率因数校正之前的电源设备，其功率因数一般只有0.4~0.6，经校正后最高可达到0.98。PFC电路虽然可以解决整流电路中出现脉冲尖峰电流过大的问题，但又会带来新的高频干扰问题，这同样也要进行严格的EMC设计。用差模滤波电感器可以有效地抑制脉冲电流的峰值，从而降低电流谐波干扰，但不能提高功率因数。
图2中的L1为差模滤波电感器，差模滤波电感器一般用矽钢片材料制作，以提高电感量，为了防止大电流流过差模滤波电感器时产生磁饱和，一般差模滤波电感器的两个组线圈都各自留有一个漏感磁回路。
L1差模滤波电感可根据试验求得，也可以根据下式进行计算：
E=L*di/dt (1)
式中E为输入电压Ui与电容器C5两端电压的差值，即L1两端的电压降，L为电感量，di/dt为电流上升率。显然，要求电流上升率越小，则要求电感量就越大。
2、对振铃电压的抑制
由于变压器的初级有漏感，当电源开关管V1由饱和导通到截止关断时会产生反电动势，反电动势又会对变压器初级线圈的分布电容进行充放电，从而产生阻尼振荡，即产生振铃。变压器初级漏感产生反电动势的电压幅度一般都很高，其能量也很大，如不采取保护措施，反电动势一般都会把电源开关管击穿，同时反电动势产生的阻尼振荡还会产生很强的电磁辐射，不但对机器本身造成严重干扰，对机器周边环境也会产生严重的电磁干扰。
图2中的D1、R2、C6是抑制反电动势和振铃电压幅度的有效电路，当变压器初级漏感产生反电动势时，反电动势通过二极管D1对电容器C6进行充电，相当于电容器把反电动势的能量吸收掉，从而降低了反电动势和振铃电压的幅度。电容器C6充满电后，又会通过R2放电，正确选择RC放电的时间常数，使电容器在下次充电时的剩余电压刚好等于方波电压的幅度，此时电源的工作效率最高。
3、对传导干扰信号的抑制
图1中，当电源开关管V1导通或者关断时，在电容器C5、变压器T1的初级和电源开关管V1组成的电路中会产生脉动直流i1，如果把此电流回路看成是一个变压器的“初级线圈”，由于电流i1的变化速率很高，它在“初级线圈”中产生的电磁感应，也会对周围电路产生电磁感应，我们可以把周围电路都看成是同一变压器的多个“次级线圈”，同时变压器T1的漏感也同样对各个“次级线圈”产生感应作用，因此电流i1通过电磁感应，在每个“次级线圈”中都会产生的感应电流，我们分别把它们记为i2、i3、i4 …。
其中i2和i3是差模干扰信号，它们可以通过两根电源线传导到电网的其它线路之中和干扰其它电子设备；i4是共模干扰信号，它是电流i1回路通过电磁感应其它电路与大地或机壳组成的回路产生的，并且其它电路与大地或机壳是通过电容耦合构成回路的，共模干扰信号可以通过电源线与大地传导到电网其它线路之中和干扰其它电子设备。
与电源开关管V1的集电极相连的电路，也是产生共模干扰信号的主要原因，因为在整个开关电源电路中，数电源开关管V1集电极的电位最高，最高可达600V以上，其它电路的电位都比它低，因此电源开关管V1的集电极与其它电路(也包括电源输入端的引线)之间存在很强的电场，在电场的作用下，电路会产生位移电流，这个位移电流基本属于共模干扰信号。
图2中的电容器C1、C2和差模电感器L1对i1、i2和i3差模干扰信号有很强的抑制能力。由于C1、C2在电源线拔出时还会带电，容易触电伤人，所以在电源输入的两端要接一个放电电阻R1。
对共模干扰信号i4要进行完全抑制，一般很困难，特别是没有金属机壳屏蔽的情况下，因为在感应产生共模干扰信号的回路中，其中的一个“元器件”是线路板与大地之间的等效电容，此“元器件”的数值一般是不稳定的，进行设计时对指标要留有足够的余量。图2中L2和C3、C4是共模干扰信号抑制电路器件，在输入功率较大的电路中，L2一般要用两个，甚至三个，其中一个多为环形磁心电感。
根据上面分析，产生电磁干扰的原因主要是i1流过的主要回路，这个回路主要由电容器C5、变压器T1初级和电源开关管V1组成，根据电磁感应原理，这个回路产生的感应电动势为：
e=dψ/dt=S*dB/dt (2)
式中e为感应电动势，ψ为磁通量，S电流回路的面积，B为磁感应密度，其值与电流强度成正比，dψ/dt为磁通变化率。由此可见，感应电动势与电流回路的面积成正比。因此要减少电磁干扰，首先是要设法减小电流回路的面积，特别是i1电流流过的回路面积。另外，为了减少变压器漏感对周围电路产生电磁感应的影响，一方面要求变压器的漏感要做得小，另一方面一定要在变压器的包一层薄铜皮，以构成一个低阻抗短路线圈，把漏感产生的感应能量通过涡流损耗掉。
4、对辐射干扰信号的抑制
开关电源设计篇3
【关键词】开关型；直流稳压电源；探究；电路设计
【中图分类号】G64【文献标识码】A【文章编号】2095-3089（2016）04-0163-02
在电力电子技术的不断发展与技术革新下，开关型直流稳压电源以其自身的工作表现与其可靠性成为我国电力系统中广泛使用的一种设备。在实际应用中，开关型直流稳压电源自重轻，工作内故障低，工作效率高，且其性价比占优势，并具有功耗晓得良好表现。相比于其他开关型电源，开关型稳压电源应用范围广，竞争力强，特别是对于粒子加速器等电源应用范围来说，开关型稳压电源具有着良好的专业性与稳定性。通过对于开关型稳压电源的技术标准研读与相关的影响因素分析，目前此类技术研究区域人员都是采用移相控制桥来对DC/DC变换小信号模式进行开关型稳压电源的电路设计。
1.对于动态小信号模型的相关阐述
对于动态小信号模型来说，不同的模型选取进而得到的设计结果都会存在差异。所以，在模型的选取上，应根据其实际情况进行分析与配置。对于开关电源来说，其本质是作为一个非线性的控制对象在进行工作，如果要对其进行成功的设计与分析，那么在进行指导建模时，应以近似建立在其稳态时的小信号扰动模型为依据。这一思路一方面取决于小信号扰动模式稳态时具有与设计目标相近的工作表现；另一方面也是由于这样的模型对于大范围扰动时的拟态不够精准，会造成相应结论的误差或偏差。基于此，以小信号扰动模型来进行开关型稳压电源的电路设计是保证其最终设计结果满足设计要求的必要条件。
2.开关型稳压电源的相关性能指标
2.1性能指标之稳定性
通过相关数据与实践结果研究表明，在不同的开关型稳压电源系统设计下，会产生不同程度的鲁棒性。而在暂态特性方面，其表现也会相应提高。但对于直流新稳压电源来说，其系统下对于增益余量的要求是大于或等于40dB，对于相位余量的要求则是大于或等于30dB。
2.2性能指标之瞬间响应指标
当开关电源处于非稳定状态下，由于其所受的干扰，输出量会出现相应的抖动现象。且其抖动量会随着其干扰而变化，当干扰停止时，则其最终也会回到稳定值，基于此，在对开关型稳压电源进行这方面的性能指标确定时，是以过冲幅度与动态恢复时间的长短来衡量其系统的动态特性的。在此定义下，瞬态响应指标内容主要是表现为，如果穿越频率越高，则其系统恢复到动态平衡点的时间就越短，另一方面，系统在干扰情况下所表现的过冲幅度与其相位余量呈相关性。
2.3性能指标之电源精度
在电源精度方面，其控制要求严格，一般其最终的电源精度误差需要控制在设计目标的1‰以下，且其纹波不得在1‰以上。考虑到纹波自身的分类有高频与低频两种，而这两种纹波是基于开头频率表现的。如高频纹波就是受到开头频率的影响，必须通过滤波器进行控制。而低频纹波则是受到电网波动的影响，必须通过系统的负反馈来进行控制。
3.关于开关型稳压电源的电路设计
3.1关于系统下的补偿网络与相关相关设计应用
目前来说，对于开关型直流稳压电源系统来说，其补偿网络是通过PI或者PID的算法来设计与制作的。也就是说，PI调节器的主要作用是对抗高频纹波影响，也就是提高系统对于高频干扰能力的抵抗性，但对于PI调节器来说，动态性差的缺点是无法忽视的。目前来说，实际应用中通过引入微分算法后可以有效提高系统的响应速度。但其缺点也显而易见：一方面是由于零点的大量引入直接造成系统对于高频信号的敏感度大幅度提高，放大器在此情况下，很容易产生堵塞现象；另一方面则是当开关纹波的放大倍数得到增大时，放大器也会随之进入非线性区，这结果只会造成整个系统的不稳定。目前来说，对于这些缺陷是以超前滞后的方法来进行补偿的。
3.2关于开关型稳压电源的电路设计原理
3.2.1理想性技术指标如下：（1）输入交流：电压220V（50—60Hz）；（2）输出直流：电压5V，输出电流3A；输入交流电压在180—250V区间变化时，输出电压相对变化量应小于2%；（4）输出电阻R0<0.1欧；（5）输出最大纹波电压<10mv。3.2.2关于开关型稳压电源的基本工作原理。当线性自流稳压电源处于低频率工作状态下时，那么调整管的工作由于其体积大，则其效率相应低，但当其调整管工作处于开关状态下时，那么其的工作表现就为体积小，效率高。
3.3开关型稳压电源的电路设计探究
从以上论述可以看出，开关型直流稳压电源系统其低功耗的特点是由于晶体管位于开关工作状态下时，对于功率调整管的功耗要求低。特别是对于理想状态下的晶体管来说，当其处于一种截止状态时，晶体管所经过的电流为0，相应的功耗也就为0；另一方面，由于开关型稳压电源系统的穿越频率较高，所以对于电路的动态响应速度得以提高，而且整个系统的响应速度不受低通滤波器的影响；另外，相对于直流470V的电压来说，并环穿越频率远未达到这一频率，输出只为48V，特别是其电压稳定性方式，经过测试，其低频纹波稳定率都在0.996以上，完全满足了设计要求。
4.结语
综上所述，在进行开关型稳压电源的电路设计时，小信号的模型选择是关键点。为了进一步提高开关型稳压电源系统的稳定性，超前滞后网络补偿原理有效地弥补了精度电源的纹波限制高的问题。通过实践也表明，开关型稳压电源的适用性非常强，必将为人们生活提供更好的服务。
参考文献：
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[2]樊思丝.高性能开关型直流稳压电源的设计探究[J].企业技术开发，2011，（03）.
[3]王滔.开关型稳压电源[J].科技风，2012，（11）.
开关电源设计篇4
【关键词】LM2596；UCC29002；反馈
1 系统整体设计方案
系统整体如图1所示。
图 1 系统整体框图
2 主要模块设计方案
2.1 供电系统
桥式整流电路的工作原理如图2：e2为正半周时，对D1、D3和方向电压，Dl，D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。电路中构成e2、Dl、Rfz、D3通电回路，在Rfz，上形成上正下负的半波整洗电压，e2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。电路中构成e2、D2、Rfz、D4通电回路，同样在Rfz上形成上正下负的另外半波的整流电压。
图 2
2.2 DC模块的选择
电源芯片采用美国国家半导体的LM2596―ADJ它是一款降压型的PWM调节方式的开关稳压电源的芯片，内部振荡源频率为 150KHZ，最大输出电流3A，最大输出电压40V，基本可以满足题目要求。它通常被作为恒压电源应用，此时其通过电压取样电压反馈稳压方式达到稳定电压的目的。
2.3 输出电流比例实现方案
输出电流比例实现有两种方案。一是通过单片机控制ucc29002来实现电流比例，但电路极其复杂。二是调节内部参数使DC-DC模块输出电流1：2。当电流需要1：1的时候，通过检测，单片机识别选通，让均流模块电路ucc9002工作，实现电流1：1。
UCC29002采用一个高增益、高精度的放大器，能检测到外面的输入的微小的电压变化量，放大倍数的大小可以通过改变外电路的参数获得。UCC29002中的电流检测放大器的输入偏置电压极低，使得它可以精确的检测到一个阻值很小的电流采样电阻上的微小电流变化量。而且，它的共模范围介于接地电压和UCC29002供电电压之间。芯片电流读出放大器超低的输入补偿电压使得对通过低值电阻的电流信息的检测更加适宜。为防止错误的输出调整信号，在误差放大器的反向输入端加一个比同向输入端高25mV的固定偏置，当连输入端输入相等时不会做出调整。当芯片不能正常工作时调整放大器的同向输入端将被下拉到地（相当于误差放大器输出为零），防止该单元被错误调整，此外，误差放大器的两个输入端还可作为使能。
2.4 单片机检测实现方案
用霍尔传感器（ACS712）检测负载上电流，把电流变为电压，然后经过D/A把信号传给单片机。
2.5 单片机过流控制方案
用单片机实现对模拟开关CD4051控制选通实现电路调整如过流保护，如图3所示。
图3
使用低功耗单片机MSP430实时监测电流。因为UCC29002的8脚电压与系统的输出电流成正相关，我们用MSP430片内12位ADC定时采样该电压。并把它与预先设定的电压比较来判断过流。当连续两次检测到电流过大时，关断TPS5430使系统不输出电压，6秒延时后使能TPS5430，并继续检测电流。
3 系统测试与误差分析
3.1 性能指标
实验过程：在实验室220v交流点下分别测量CD模块空载输出（测量数据及结果如表1）和负载输出。
3.2 比例均流性能指标
实验过程：把CD模块的输出端后接均流电路分别测量两路的输出电流。
3.3 单片机调节电路性能
实验过程：调节可视负载使输出总电流由1A逐渐增大到6A再减小到4A观察各电路电流量。
3.4 均流效率
实验过程：改变负载电阻测量负载功率P1和CD模块输出功率P2由P1/P2计算均流效率。
从测试结果来看，均流偏差在0.5%以内。但是电源均流时两路的电流仍有一定的误差，并非绝对均流；而且均流偏差变化不是线性的，即输出电流增大时，均流偏差不是单调变化。主要原因是由于我们均流方法是UCC29002，通过能检测到外面的输入的微小的电压变化量，放大调节。但由于电路本身和焊接等原因，造成一定误差。若需要进一步减小误差，则需采用更为精确的平均电流均流法。均流误差的非单调变化，主要是由于采样电阻等分立元件的温漂及杂散噪声引起，当温度变化或工作频率变化时，电阻会偏离原来的阻值，导致UCC29002内部调节信号偏离理论计算值，从而使调制的信号和理论值有差异，产生均流偏差波动。
【参考文献】
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开关电源设计篇5
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.
开关电源设计篇6
关键词:开关电源的应用与维护；整体设计；教学项目考核
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.
[2]陈纯锴.开关电源原理、设计及实例[M].北京:电子工业出版社,2012.
开关电源设计篇7
摘 要：以uc3842和fqp12n60c为基础设计了一款可编程序控制器专用电源。意在介绍通用开关电源的工作原理与设计过程，并且着重介绍高频变压器的设计以及整板调试过程，突出以理论为基础，工程设计为主导的设计方法。该电源经过实际测试，符合可编程序控制器专用电源的标准。
关键词：变频器；开关电源；uc3842
引言
现应用uc3842芯片设计了一款可编程序控制器用的开关电源，经过大量实验。在输入有很大波动的时候，该电源也能稳定工作。其中为cpu供电的+5v电源误差范围在0.1v，达到了设计目标。而且本开关电源也可作为其它电力电子控制设备的电源，可移植性能好。
1 设计要求
本电源利用pwm控制技术实现dc-dc转换，通过fqp12n60c的电流检测端口与控制电路要求精度最高的电源相连，当输入有干扰的情况下，通过调节占空比来稳定对多路电源的输出。
具体指标如下：输入：直流250v±40%，输出：直流+24v、6a；+5v、2a。输出全部采用共地方式，控制系统对电源输出的纹波电压小于5%。
2 原理图功能分析与设计过程
基于uc3842和fqp12n60c所组成的开关电源的电路原理图。包括整流、滤波、pwm控制器等结构。电源内部采用单端反激式拓扑结构，具有输入欠电压保护、过电压保护、外部设定极限电流、降低最大占空比等功能。
2.1输入侧整流、滤波、保护电路设计。从ac（l）线路进线串联保险丝（f1），起到过流保护作用。从ac（n）线路进线串联热敏电阻（rt110d-9），对接通ac电源时产生的浪涌电流起限制作用。在熔断器与热敏电阻的出线端并联压敏电阻（vr1），对接通ac电源时产生的浪涌电压起限制作用。之后并联安规电容cx1，泄流电阻r5。防止大电容失效后漏电，危及用电人员安全。之后串联电感，出线端并联x2电容。然后经过整流桥d1整流，在直流侧并联电解电容c10滤除整流后的交流分量以及谐波成份。
2.2功率管参数调整与电路设计。电阻r1提供电压前馈信号，使电流可随电压而降低，从而限定在高输入电压时的最大过载功率。电阻r2实现线电压检测。由电阻r6，电容c30，开关管zd1，二极管d88组成简单的rcd箝位电路。达到保护开关管的目的。因而t1可以使用较高的初次级匝数比，以降低次级整流管d3上的峰值反向电压。电路采用简单的齐纳检测电路来降低成本。输出电压稳压由齐纳二极管（ic2）电压及光耦合器（ic1）决定。电阻r9提供进入齐纳二极管的偏置电流，产生对+5v输出电平、过压过载和元件变化时±5%的稳定度。
2.3高频变压器磁路设计。由于反激变换器对多组输出的应用特别有效。即单个输入电源使用同一磁路有效地提供多个稳定输出。因此本文设计的开关电源采用反激式变换结构。高频变压器的设计过程主要包括：磁芯大小的选择、最低直流输入电压的计算、工作时的磁通密度值的选择等。
（1）设计参数。设计使其工作在132khz模式下。输入：直流250v±40%，输出：+24v、6a；+5v、2a。
（2）功率计算。
p=24×6×1+5×2×1=154w （1）
（3）磁芯选择。由公式（2）、（3）
sj=0.15■=2.01cm2 （2）
p1=■=■=181.18w （3）
再由实际中输出引脚个数等因素，查磁芯曲线可得选择磁芯eer40。
（4）工作时的磁通密度计算。对于eer40的磁芯，振幅取其一半bac=0.195t。
（5）原边感应电压的选择。这个值是由自己来设定的，但是这个值决定了电源的占空比。其中d为占空比，vs为原边输入电压，vor为原边感应电压。d=■本文选定占空比d=0.5。
（6）计算变压器的原边匝数：np=■=42匝。
（7）计算变压器的副边匝数。对于+5v，考虑到整流管的压降0.7v以及绕组压降0.6v。则副边+5v电压值：v2=（5+0.7+0.6）v=6.3v。
原边绕组每匝伏数=■=■=3.57伏/匝。
则+5v副边绕组匝数为：n5=■=1.76匝。由于副边低压大电流，应避免应用半匝线圈，考虑到e型磁芯磁路可能产生饱和的情况，使变压器调节性能变差，因此取1.76的整数值2匝。计算选定匝数下的占空比辅助输出绕组匝数，因为+5v副边匝数取整数2匝，反激电压小于正向电压，新的每匝的反激电压为6.3伏/匝。占空比必须以同样的比率变化来维持v-s值相等。由此可得：+24v副边绕组匝数为：n24=■=7.08匝。取整数值为7匝。
对于反馈线圈的匝数，反馈电压是反激的，其匝数比要和幅边对应。ns=■=1.76匝。取整数值为2匝。
（8）确定磁芯气隙的大小。首先求出原边电感量（mh），根据lp=vs■则全周期ts的平均输入电流is=■=■=1a。
相应的im=■=2a，ip1=■=1a。
ip2=3ip1=3a在ton期间电流变化量i=ip2-ip1=2a，lp=vs■=150×■=0.56mh。所以电感系数al=■=■=0.00049×■。根据所选磁芯的al=f（lg）曲线，可求得气隙
lg=■=■=0.45mm
（9）变压器设计合理性检验。首先利用磁感应强度与直流磁密相关的关系计算直流成分bdc。根据公式计算可以得到：bdc=?滋h=185mt
而交流和直流磁感应强度相加之和得到的磁感应强度最大值bmax=?滋h=■+bdc=282.5mt，而从磁性材料曲线可知bs=390mt，故工作时留有余量，设计通过。
（1、烟台德尔自控技术有限公司，山东 烟台 264006 2、沈阳工业大学，辽宁 沈阳 110178）
摘 要：以uc3842和fqp12n60c为基础设计了一款可编程序控制器专用电源。意在介绍通用开关电源的工作原理与设计过程，并且着重介绍高频变压器的设计以及整板调试过程，突出以理论为基础，工程设计为主导的设计方法。该电源经过实际测试，符合可编程序控制器专用电源的标准。
关键词：变频器；开关电源；uc3842
引言
现应用uc3842芯片设计了一款可编程序控制器用的开关电源，经过大量实验。在输入有很大波动的时候，该电源也能稳定工作。其中为cpu供电的+5v电源误差范围在0.1v，达到了设计目标。而且本开关电源也可作为其它电力电子控制设备的电源，可移植性能好。
1 设计要求
本电源利用pwm控制技术实现dc-dc转换，通过fqp12n60c的电流检测端口与控制电路要求精度最高的电源相连，当输入有干扰的情况下，通过调节占空比来稳定对多路电源的输出。
具体指标如下：输入：直流250v±40%，输出：直流+24v、6a；+5v、2a。输出全部采用共地方式，控制系统对电源输出的纹波电压小于5%。
2 原理图功能分析与设计过程
基于uc3842和fqp12n60c所组成的开关电源的电路原理图。包括整流、滤波、pwm控制器等结构。电源内部采用单端反激式拓扑结构，具有输入欠电压保护、过电压保护、外部设定极限电流、降低最大占空比等功能。
2.1输入侧整流、滤波、保护电路设计。从ac（l）线路进线串联保险丝（f1），起到过流保护作用。从ac（n）线路进线串联热敏电阻（rt110d-9），对接通ac电源时产生的浪涌电流起限制作用。在熔断器与热敏电阻的出线端并联压敏电阻（vr1），对接通ac电源时产生的浪涌电压起限制作用。之后并联安规电容cx1，泄流电阻r5。防止大电容失效后漏电，危及用电人员安全。之后串联电感，出线端并联x2电容。然后经过整流桥d1整流，在直流侧并联电解电容c10滤除整流后的交流分量以及谐波成份。
2.2功率管参数调整与电路设计。电阻r1提供电压前馈信号，使电流可随电压而降低，从而限定在高输入电压时的最大过载功率。电阻r2实现线电压检测。由电阻r6，电容c30，开关管zd1，二极管d88组成简单的rcd箝位电路。达到保护开关管的目的。因而t1可以使用较高的初次级匝数比，以降低次级整流管d3上的峰值反向电压。电路采用简单的齐纳检测电路来降低成本。输出电压稳压由齐纳二极管（ic2）电压及光耦合器（ic1）决定。电阻r9提供进入齐纳二极管的偏置电流，产生对+5v输出电平、过压过载和元件变化时±5%的稳定度。
2.3高频变压器磁路设计。由于反激变换器对多组输出的应用特别有效。即单个输入电源使用同一磁路有效地提供多个稳定输出。因此本文设计的开关电源采用反激式变换结构。高频变压器的设计过程主要包括：磁芯大小的选择、最低直流输入电压的计算、工作时的磁通密度值的选择等。
（1）设计参数。设计使其工作在132khz模式下。输入：直流250v±40%，输出：+24v、6a；+5v、2a。
（2）功率计算。
p=24×6×1+5×2×1=154w （1）
（3）磁芯选择。由公式（2）、（3）
sj=0.15■=2.01cm2 （2）
p1=■=■=181.18w （3）
再由实际中输出引脚个数等因素，查磁芯曲线可得选择磁芯eer40。
（4）工作时的磁通密度计算。对于eer40的磁芯，振幅取其一半bac=0.195t。
（5）原边感应电压的选择。这个值是由自己来设定的，但是这个值决定了电源的占空比。其中d为占空比，vs为原边输入电压，vor为原边感应电压。d=■本文选定占空比d=0.5。
（6）计算变压器的原边匝数：np=■=42匝。
（7）计算变压器的副边匝数。对于+5v，考虑到整流管的压降0.7v以及绕组压降0.6v。则副边+5v电压值：v2=（5+0.7+0.6）v=6.3v。
原边绕组每匝伏数=■=■=3.57伏/匝。
则+5v副边绕组匝数为：n5=■=1.76匝。由于副边低压大电流，应避免应用半匝线圈，考虑到e型磁芯磁路可能产生饱和的情况，使变压器调节性能变差，因此取1.76的整数值2匝。计算选定匝数下的占空比辅助输出绕组匝数，因为+5v副边匝数取整数2匝，反激电压小于正向电压，新的每匝的反激电压为6.3伏/匝。占空比必须以同样的比率变化来维持v-s值相等。由此可得：+24v副边绕组匝数为：n24=■=7.08匝。取整数值为7匝。
对于反馈线圈的匝数，反馈电压是反激的，其匝数比要和幅边对应。ns=■=1.76匝。取整数值为2匝。
（8）确定磁芯气隙的大小。首先求出原边电感量（mh），根据lp=vs■则全周期ts的平均输入电流is=■=■=1a。
相应的im=■=2a，ip1=■=1a。
ip2=3ip1=3a在ton期间电流变化量i=ip2-ip1=2a，lp=vs■=150×■=0.56mh。所以电感系数al=■=■=0.00049×■。根据所选磁芯的al=f（lg）曲线，可求得气隙
lg=■=■=0.45mm
（9）变压器设计合理性检验。首先利用磁感应强度与直流磁密相关的关系计算直流成分bdc。根据公式计算可以得到：bdc=?滋h=185mt
而交流和直流磁感应强度相加之和得到的磁感应强度最大值bmax=?滋h=■+bdc=282.5mt，而从磁性材料曲线可知bs=390mt，故工作时留有余量，设计通过。
3 结论
24v输出电压波形
参考文献
[1]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[m].第一版.北京：电子工业出版社，1999，7.
[2]赵书红，谢吉华，曹曦.一种基于top switch的变频器开关电源[j].电气传动，2007，26（9）：76-80.3 结论
24v输出电压波形
参考文献
[1]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[m].第一版.北京：电子工业出版社，1999，7.
开关电源设计篇8
【关键词】电容储能；自动化终端设备；电源开关设计
一、电容储能自动化终端设备的开关电源设计
智能化终端设备的主要部件构成有：电力系统的监测、监控设备及自动化系统设备。其中，开关电源是关键部件之一，开关电源的输入主要来自于电压互感器二次侧及配电变压器二次侧。要解决户外智能自动化设备的工作安全稳定问题就必须采取能够电容器等相对于蓄电池来说，管理更加便捷的储能技术。电容器作为自动化终端设备的储能电源更方便于管理、并且充电迅速、使用的寿命较长、重量较轻并且体积比较小非常适合在户外或者环境较为恶劣的工作环境中使用，具有比较大的发展前景。在实际的应用方面，对于我国电力储能设备来说，要在失去电源时维持绝大多数的户外智能自动化终端设备的短暂运行，只需要在刚停电时上报该项工作的工作时间对于环网柜的监控终端来说，也只要在失去电源供电时上报出工作的故障及开关的状态，同样要将故障线路上游的相邻开关进行分断。这些所有的功能基本上在一分钟之内都可以完成。在出现故障时或者突然失去了电源供应时，智能型自动化终端设备的电源必须要在维持本设备的正常工作及通信部件需要的能量的基础上，提供峰值功率一般不大于5W，平均功率要小于2.5W的供电电源。从这一点来看，超级电容器、大容量的电解电容器是非常适合作为储能电源来提供户外智能自动化终端设备。因此，电容储能已经能够成功地运用在电力系统中。
二、设计原理
电容储能的开关电源主要通过整流电路、切换电路、变换器以及工作用的储能电容器及操作用的储能电容器等组成。主要的电力构造如下图所示。对TTU等不需要进行电容储能开关控制的情况只需要虚线下方等部件构成。
通过示意图我们可以看出：电容储能中整个流通电路是可以正常的供电情况下进行电容充电，并且可以通过切换电路A用在失去了正常供电电源的供电情况下，而把DC-DC变换器切换到自动化终端的工作设备中所需的储能电容进行恢复正常供电，并提供电能，当不需要时再进行切换。而切换电路B则可以在失去正常的供电情况下把将电源的开关等操动机构切换到储能电容的操作上。一方面，工作用的储能电容器可以储存相应的能量，并且能够在失去交流电源的供应时维持短暂的智能终端供电提供给自动化终端设备；另一方面，操作用的储能电容器可以储存相应的能量，DC-DC变换器则可以把交流供应电源与工作用的储能电容器中的能量进行转换。同时，按照智能型自动化终端设备所需要的形式提供其使用。一般来说，输入电压都要比自动化装置设备的工作电压高，所以要采用降压型buck DC-DC作为变换器，其主要构成如下图所示。
上图，S作为功率开关，D作为-极管，L为电感，C0作为输出电容，RL作为负载、Vi作为输入电压、V0为输出电压、I0为输出电流。在正常的工作状况下，工作电源与操作电源并不同时保持时相同的状况。正常工作状况下的操作电源主要直接取自与电压互感器二次侧；而正常工作状况下的工作电源有时也会直接取自电压互感器二次侧，有时则是通过一个二次变压器作为隔离装置来进行降压后才得到。在输入电压和输出电压相差比较大的状况下，DC-DC变换器则需要采用一种脉冲隔离变压器来进行电压变压，从而满足工作的需要。由于构成工作用的储能电容器，具备串联充电及并联放电的特殊性质。所以，在失去交流电源的正常供电情况下，由工作用的储能电容器进行放电来维持自动化终端设备的正常工作，通过串并电容组合的结构起到相应的降压效果。这种组合可以不通过隔离变压器就能满足DC-DC变换器的工作需要而不需要进行电压变比的工作。
综上，通过对电容储能的自动化终端设备的开关电源设计及研究分析，采用新型的电容储能作为交流电失去正常供电时维持自动化设备正常的工作是非常可靠并具备相应的稳定性。
参 考 文 献
[1]刘健，陈治明，钟颜儒．开关电容DC-DC变换器的设计方法[J]．电子学报．1999（4）