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開關(guān)電源設(shè)計(jì)范文1

【關(guān)鍵詞】電力儀表開關(guān)電源TOP260EN

中圖分類號(hào)：F407.61 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

隨著電力儀表測(cè)量精度的不斷提高以及體積越來越小，傳統(tǒng)的線性電源雖然設(shè)計(jì)簡單方便，使用的器件較少，紋波能滿足儀表設(shè)計(jì)的要求，但是要求輸出功能變大時(shí)，變壓器的體積是很多工程師棘手的問題，而且成本也隨之增加。開關(guān)電源體積小、寬輸入電壓，而且使用合適的元器件，合理的PCB布線，同樣也能輸出較好的紋波，價(jià)格上也可以接近線性電源，甚至更低。本文基于TOP260EN對(duì)電力儀表的開關(guān)進(jìn)行了簡單的設(shè)計(jì)。

一、TOPSw itch-HX系列芯片介紹

1、芯片性能特點(diǎn)

TOPSwitch-HX系列芯片是美國Power Integrations公司最新推出的一組開關(guān)電源集成芯片。它將高壓功率MOSFET、PWM控制器、故障保護(hù)電路以及其他控制電路集成到單個(gè)CMOS芯片中，具備過壓、欠壓、過流、過熱保護(hù)、遠(yuǎn)程控制等眾多功能。它廣泛地應(yīng)用于中小功率開關(guān)電源中，使電源損耗更少、電磁干擾更少、體積更小、效率更高、可靠性更高。TOPSwitch-HX系列產(chǎn)品具有以下顯著特點(diǎn)：

(1)將脈寬調(diào)制(PWM)控制系統(tǒng)的全部功能集成到三端芯片中，內(nèi)含脈寬調(diào)制器、功率開關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管(MOS- FET)、自動(dòng)偏置電路、保護(hù)電路、高壓啟動(dòng)電路和環(huán)路補(bǔ)償電路，通過高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離，真正實(shí)現(xiàn)了無工頻變壓器、隔離式開關(guān)電源的單片集成化，使用安全可靠。

(2)采用漏極開路輸出，并利用控制極反饋電流IC來線性調(diào)節(jié)占空比實(shí)現(xiàn)AC/DC變換的，即屬于電流控制型單片開關(guān)電源。

(3)輸入交流電壓和頻率的范圍極寬。作固定電壓輸入時(shí)，可選110V/115V/230V交流電，允許變化±15%。在寬電壓范圍輸入時(shí)，適配85~265V交流電，但輸出功率峰值POM要比前者降低40%。

(4)它只有三個(gè)引出端，能以最簡方式構(gòu)成無工頻變壓器的單端反激式開關(guān)電源。開關(guān)頻率的典型值為100 kHz，允許范圍是90 k~110 kHz，占空比調(diào)節(jié)范圍是1.7%~67%。

(5)電路簡單，電磁干擾小，成本低廉。由于芯片本身功耗很低，電源效率可達(dá)80%左右，最高可達(dá)90%

2、芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和引腳功能

TOPSwitch-HX封裝主要分為Y封裝、E封裝、L封裝、M封裝、P和G封裝。現(xiàn)以圖1(a)所示的E封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖來說明TOPSwitch-HX系列芯片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其主要由以下幾部分組成： (1)控制電壓源；(2)帶隙基準(zhǔn)電壓源；(3)頻率抖動(dòng)振蕩器；(4)并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器；(5)脈寬調(diào)制器(含PWM調(diào)制器和觸發(fā)器)；(6)過電流比較器；(7)門驅(qū)動(dòng)級(jí)和輸出級(jí)；(8)具有滯后特性的過熱保護(hù)電路；(9)關(guān)斷/自動(dòng)重啟動(dòng)電路；(10)高壓電流源；(11)軟啟動(dòng)電路；(12)輸入過壓、欠壓檢測(cè)及保護(hù)電路；(13)電流極限調(diào)節(jié)器；(14)線路檢測(cè)器；(15)線路檢測(cè)端和極限電流設(shè)定端的內(nèi)部電路；(16)停止邏輯；(17)開啟電壓為1V的電壓比較器。

（a）內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

（b）引腳排列圖

圖1TOPSwitch-HX E型封裝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和引腳排列圖

本次設(shè)計(jì)選用E封裝的TOPSwitch-HX芯片，其

引腳排列如圖1(b)所示，引腳功能如下。

漏極引腳(D)：MOSFET漏極引腳，通過內(nèi)部高壓電流源為內(nèi)部電路提供啟動(dòng)偏置電流。

控制引腳(C)：誤差放大器及反饋電流的輸入腳，與內(nèi)部并聯(lián)調(diào)整器相連接，可控制占空比。

極限電流設(shè)定端引腳(X)：用于對(duì)外部電流設(shè)定調(diào)整，在此端接上不同的電阻，可使開關(guān)電流設(shè)定為不同的數(shù)值。連接至源極引腳(S)則禁用此引腳的所有功能。

電壓監(jiān)測(cè)引腳(V)：是過壓(OV)、欠壓(UV)、降低DCMAX的線電壓前饋、輸出過壓保護(hù)(OVP)、遠(yuǎn)程開/關(guān)和器件重置的輸入引腳。連接至源極(S)引腳則禁用此引腳的所有功能。

源極引腳(S)：源極連接點(diǎn)，用于高壓功率的回路。它也是初級(jí)控制電路的公共點(diǎn)及參考點(diǎn)。頻率引腳(F)：用于選擇開關(guān)頻率的輸入引腳，如果連接到源極(S)引腳則開關(guān)頻率為132kHz，連接到控制引腳(C)則開關(guān)頻率為66kHz。

二、輔助電源的設(shè)計(jì)

1、設(shè)計(jì)要求

超聲波發(fā)生器對(duì)輔助電源的要求是：可靠、穩(wěn)定、小型、高效率；交流輸入電壓為85~265VAC；適應(yīng)負(fù)載在較大范圍變化；自保護(hù)功能齊全。設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如下，輸入電壓： 85~265V AC(50Hz)；輸出電壓和電流： 3路共地， 20V/2A， 12V/1A， 5V/1A； 1路獨(dú)立地5V/1A；輸出電壓紋波：≤1%；電源效率η：≥75%；電壓調(diào)整率SV：±1%；負(fù)載調(diào)整率SI：±1%。

2、電路設(shè)計(jì)及工作原理

(1)開關(guān)電源集成芯片的選取

由設(shè)計(jì)要求，可確定電源工作方式為反激式，可計(jì)算出電源輸出總功率P為62W(P=20×2+12×1+5×1×2=62W)。考慮到設(shè)計(jì)時(shí)需要留有一定裕量，為此可選用TOP260EN芯片，其最大輸出功率為93W(適配器模式)。以TOP260EN為核心設(shè)計(jì)的輔助電源如圖2所示。

圖2輔助電源原理圖

(2) EMI濾波電路與輸入整流濾波電路設(shè)計(jì)

電容C1、C6和電感L1、L2組成EMI濾波電路，其中C6能濾除變壓器一次、二次繞組耦合電容產(chǎn)生的共模干擾。橋塊BR1和電容C2、C4組成一次整流濾波電路，其中C4為開關(guān)電源提供去耦，從而降低差模干擾，C2可確保低紋波直流電流進(jìn)入反激式轉(zhuǎn)換器級(jí)，C2的容量可依照經(jīng)驗(yàn)來取值，可取容量為120μF、耐壓為400V的電解電容。

(3) TOP260EN電路的設(shè)計(jì)

為了減小變壓器和電源的體積，將引腳(F)與引腳(S)短接，使TOP260EN工作在開關(guān)頻率為132kHz的全頻方式。電阻R5、R6和R7用來限制功率，保證在輸入電壓波動(dòng)時(shí)維持相對(duì)恒定的過載功率。將引腳(V)與直流電壓輸入端之間接入線電壓檢測(cè)電阻R(R=R3+R4)，可為TOP260EN提供線電壓前饋信號(hào)，一方面保證在直流輸入電壓下降到100V時(shí)，輸出沒有干擾，實(shí)現(xiàn)欠壓檢測(cè)功能；另一方面保證在直流輸入電壓升至450V以上且電壓恢復(fù)正常值以前時(shí)，使TOP260EN停止工作，防止器件損壞，實(shí)現(xiàn)過壓檢測(cè)功能。線電壓檢測(cè)電阻R可由式(1)和式(2)確定為4MΩ。

UUV=IUVR （1）

UOV=IOVR （2）

式中：UUV、UOV、IUV、IOV分別為TOP260EN的欠壓、過壓、欠壓電流、過壓電流，其數(shù)值分別為100V、450V、25μA、112.5μA。

為了吸收TOP260EN關(guān)斷時(shí)高頻變壓器一次繞組漏感產(chǎn)生的尖峰電壓，以保護(hù)MOSFET不受損壞，設(shè)計(jì)了一個(gè)由R8、R9、C5、VR1、D1構(gòu)成的高效率箝位電路，使漏感中的能量大部分消耗在R8、R9上；同時(shí)，通過VR1可將電壓箝位在限定范圍內(nèi)，使電源在開啟和過載情況下均能滿足要求。VR1選用箝位電壓為180V的瞬態(tài)電壓抑制器，D1選用反向耐壓為600V的超快恢復(fù)二極管。

(4)變壓器設(shè)計(jì)

高頻變壓器是開關(guān)電源的核心元件，在電路中兼有能量轉(zhuǎn)換、電壓變換、限流和隔離作用，是整個(gè)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)和關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)和制作時(shí)，對(duì)磁芯材料的選擇、磁芯與線圈的結(jié)構(gòu)、繞制工藝等都要有周密考慮。為了合理選擇變壓器的磁芯，確定初級(jí)、次級(jí)線圈的線徑、匝數(shù)及氣隙等參數(shù)，本設(shè)計(jì)選用開關(guān)電源專用設(shè)計(jì)軟件PI-Expert來計(jì)算變壓器參數(shù)。磁芯選擇：磁芯材料NC-2H，磁芯類型EE35，相關(guān)參BW=15.70mm，ML=0mm，MR=0mm，AE=101.40mm2，ALG=324nH/T2，BM=219mT，BP=303mT，BAC=56mT；氣隙：LG=0.379mm；初級(jí)線圈電感量LP=230μH，初級(jí)匝數(shù)NP為27. 3匝(實(shí)際取28匝)，初級(jí)線徑為AWG25(0.45mm)，2股并繞，初級(jí)漏感LL為6.3μH；反饋繞組匝數(shù)NB為6匝，反饋繞組線徑為AWG25(0.45mm)，2股并繞；次級(jí)20V/2A繞組匝數(shù)為3匝，線徑為AWG25(0.45mm)，2股并繞；次級(jí)12V/1A繞組匝數(shù)為2匝，線徑為AWG25(0.45mm)，3股并繞； 5V/1A繞組匝數(shù)為2匝，線徑為AWG25(0.45mm)， 4股并繞；5V/1A繞組匝數(shù)為2匝，線徑為AWG25(0.45mm)。軟件給出的參數(shù)都是經(jīng)過一定優(yōu)化得到的，故實(shí)際設(shè)計(jì)中優(yōu)先選用這些推薦參數(shù)，實(shí)踐證明這樣做是合理且高效的。

(5)輸出整流濾波電路的設(shè)計(jì)

高頻變壓器的二次側(cè)輸出電壓經(jīng)二極管D2~D5整流后，由電解電容C13~C16濾波，再經(jīng)電感L3~L6低通濾波后送給電解電容C17~C20，進(jìn)一步降低直流電壓的交流紋波后向負(fù)載輸出。設(shè)計(jì)時(shí)，要選用等效串聯(lián)電阻很小的輸出濾波電容，以避免因電容損耗增大而引起的電源可靠性降低。

(6)反饋控制電路的設(shè)計(jì)

電源能否穩(wěn)定地工作在額定范圍內(nèi)，反饋控制電路的設(shè)計(jì)是很重要的。設(shè)計(jì)中，對(duì)于精度要求較高的5V輸出，采用線性光耦LTY817C和三端精密穩(wěn)壓器LM431等元件組成電氣隔離式反饋電路，其工作原理是：變壓器次級(jí)偏置繞組的輸出電壓經(jīng)過D6、C11整流濾波后給LTY817C中的接收管U2B提供偏置電壓，5V輸出經(jīng)電阻分壓器R17、R18獲得取樣電壓，與LM431中的2.5V基準(zhǔn)電壓相比較后產(chǎn)生誤差電壓，使LTY817C中發(fā)光二極管的工作電流產(chǎn)生相應(yīng)變化，再通過LTY817C隔離放大去改變控制引腳(C)的電流，從而調(diào)節(jié)TOP260EN的輸出占空比，達(dá)到輸出5V電壓穩(wěn)定的目的。其中R16為限流電阻，推薦值R16=100Ω；電阻分壓器R18典型值為10kΩ，R17阻值可根據(jù)式(4)確定為10kΩ。

R17=10×(5-2.5) /2.5(kΩ)(4)

C8為控制端的旁路電容；C9與R15一起構(gòu)成尖峰電壓濾波器，使偏置電壓在負(fù)載較重時(shí)能保持恒定；C21為軟啟動(dòng)電容； C22和R19構(gòu)成控制回路的補(bǔ)償元件；另外，本設(shè)計(jì)還通過VR2、R12、D7、VR3、R20、U3、R13、D8等器件實(shí)現(xiàn)可選次級(jí)側(cè)過壓保護(hù)功能。如果某元件出現(xiàn)故障而導(dǎo)致反饋環(huán)路開環(huán)，偏置繞組電壓將會(huì)上升，此時(shí)VR2將擊穿并通過R12、D7觸發(fā)引腳(V)而啟動(dòng)過壓保護(hù)；同時(shí)，輸出端的電壓過高將導(dǎo)致VR3擊穿，并使流經(jīng)R20和U3A中電流增加，進(jìn)而使U3B中的電流產(chǎn)生相應(yīng)變化并經(jīng)R13和D7觸發(fā)引腳(V)而啟動(dòng)過壓保護(hù)。

結(jié)束語

本文采用TOP260EN研制了一款單片開關(guān)電源，論文給出了電路各部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算，通過實(shí)測(cè)結(jié)果分析，驗(yàn)證了理論的可行性，并且產(chǎn)品作為輔助電源應(yīng)用于某項(xiàng)目中，取得了很好的效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 閆群民，馬永翔. 基于TOP225Y的雙輸出開關(guān)電源設(shè)計(jì)[J]. 電源技術(shù)應(yīng)用. 2008(07)

開關(guān)電源設(shè)計(jì)范文2

關(guān)鍵詞： 星載電源； 多路輸出開關(guān)電源； 小型化設(shè)計(jì)； 電路設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）20?0145?03

Design of satellite?borne multi?channel output DC/DC converter

ZHANG Qian， LIU Ke?cheng， WANG Wei?guo

（Lanzhou Institute of Physics， Lanzhou 730000， China）

Abstract： A satellite?borne multi?channel output DC/DC converter is introduced. The method of the power supply design can meet the needs of most of the satellite?borne multi?channel output DC/DC converters. The design characteristics of the power supply are particularly introduced. The operating principle is analyzed. The design formulas are also given. The miniaturization design of the satellite?borne DC/DC converter was optimized. It can be widely used in satellite?borne multi?channel output DC/DC converters.

Keywords： satellite?borne power supply； multi?channel output DC/DC converter； miniaturization design； circuit design

隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，衛(wèi)星有效載荷的數(shù)量和種類越來越多，勢(shì)必要求與之相配套的開關(guān)電源的體積和重量進(jìn)一步減小。因此，開關(guān)電源的小型化設(shè)計(jì)成為目前星載開關(guān)電源研究的一個(gè)熱門課題。眾所周知，開關(guān)電源的小型化可以從優(yōu)化電路設(shè)計(jì)和采用新工藝兩個(gè)方面入手，例如采用混合厚膜工藝可以大幅度地減小電源的體積和重量，但國產(chǎn)混合厚膜開關(guān)電源在航天領(lǐng)域目前還處在推廣中，主要是其抗輻照性能對(duì)于高軌長壽命衛(wèi)星來說存在著一定的局限性。因此，采用表貼工藝的開關(guān)電源在航天領(lǐng)域依然具備廣闊的市場(chǎng)。這就要求必須在電路設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化，以滿足星載開關(guān)電源小型化的要求。本文介紹一種多路輸出開關(guān)電源，它采用不同拓?fù)浣M合的方式，能夠滿足星上大部分中小功率設(shè)備的供電需求。

1 星載多路輸出開關(guān)電源的幾種設(shè)計(jì)方案

1.1 單端反激式多路輸出開關(guān)電源

圖1所示單端反激式多路輸出開關(guān)電源的設(shè)計(jì)思路是：考慮到星載開關(guān)電源的磁隔離要求，采取前級(jí)自持預(yù)穩(wěn)壓，后級(jí)各路輸出進(jìn)行二次穩(wěn)壓的方式。反激式拓?fù)涞奶攸c(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)多路輸出。如果不采用二次穩(wěn)壓，次級(jí)各路輸出的電壓和負(fù)載穩(wěn)定度不會(huì)優(yōu)于±3%，很難滿足星上大部分用電設(shè)備的需求，因此，常常會(huì)在輸出端進(jìn)行二次穩(wěn)壓。常用的方法是采用三端穩(wěn)壓器進(jìn)行二次穩(wěn)壓，這樣輸出各路電壓穩(wěn)定度優(yōu)于±1%，能夠滿足星上用電設(shè)備的需求，采用三端穩(wěn)壓器進(jìn)行二次穩(wěn)壓的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是如果用電設(shè)備對(duì)低頻干擾比較敏感，那么輸出后級(jí)采用三端穩(wěn)壓器進(jìn)行二次穩(wěn)壓還能有效隔離輸入端引入的低頻干擾，保證用電設(shè)備正常工作[1]。但是單端反激式多路輸出開關(guān)電源同樣有它的局限性，如果其中某一路輸出電流比較大，后級(jí)采用三端穩(wěn)壓器進(jìn)行二次穩(wěn)壓會(huì)造成很大的功耗，從而降低了電源的轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而影響了電源的工作壽命。

1.2 單端正激式多路輸出開關(guān)電源

圖2所示單端正激式多路輸出開關(guān)電源的設(shè)計(jì)思路是：主路輸出采用閉環(huán)直接反饋控制，輔輸出采用磁鏈耦合技術(shù)以改善輔路輸出的電壓和負(fù)載穩(wěn)定度。設(shè)計(jì)上一般主路輸出功率比較大，輔路輸出功率相對(duì)比較小，即便如此輔路輸出的電壓和負(fù)載穩(wěn)定度也不會(huì)優(yōu)于±5%，而且輔路輸出的功率越大，輔路輸出的穩(wěn)定度也越差。這種方案一般設(shè)計(jì)成3路電源，路數(shù)再多輔路輸出的穩(wěn)定度就無法接受了。總體上單端正激式多路輸出開關(guān)電源輔路輸出負(fù)載和電壓穩(wěn)定度要比單端反激式多路輸出開關(guān)電源各路輸出負(fù)載和電壓穩(wěn)定度差。

圖1 單端反激式多路輸出

圖2 單端正激式多路輸出開關(guān)電源

1.3 單端反激和單端正激相結(jié)合的多路輸出開關(guān)電源

從圖3可以看出電源由反激拓?fù)浜驼ね負(fù)浣M成，考慮到電源小型化的需求，電源共用一個(gè)消浪涌電路和輸入濾波電路。反激電路組成三路小電流輸出，后級(jí)各路輸出通過三端穩(wěn)壓器進(jìn)行進(jìn)一步穩(wěn)壓，反激主變壓器上繞制的兩個(gè)輔助繞組的輸出電壓給正激電路的PWM芯片供電，由于反激電路采取了前級(jí)預(yù)穩(wěn)壓，同時(shí)給PWM芯片供電的負(fù)載電流比較小（小于100 mA）。因此反激主變壓器上的兩個(gè)輔助繞組給PWM芯片的供電電壓非常穩(wěn)定，能夠滿足在不同條件下PWM芯片的供電要求。這種方案既滿足了星用開關(guān)電源的磁隔離要求，又避免了方案（1）中大負(fù)載電流下使用三端穩(wěn)壓器進(jìn)行二次穩(wěn)壓造成的功耗過大的問題，同時(shí)也解決了方案（2）中的輔路輸出穩(wěn)定度不高的問題。最大的優(yōu)點(diǎn)是這種方案不受路數(shù)上的限制，設(shè)計(jì)上可以把小電流各路全部在單端反激中輸出，大電流各路從單端正激中輸出。本文設(shè)計(jì)了一款五路輸出電源，其中18.5 V，±14.5 V負(fù)載電流小于1 A從三路反激電源中出；7.5 V，5.5 V負(fù)載電流比較大從正激電源中出，它們的PWM芯片供電電壓都是從三路反激電源的輔助繞組中輸出的。

2 關(guān)鍵電路參數(shù)設(shè)計(jì)

技術(shù)指標(biāo)如下：輸入電壓為DC 25～33 V；開關(guān)頻率為200 kHz；最大占空比為0.5；輸出電壓/電流為18.5 V/0.33 A， +14.5 V/0.3 A，-14.5 V/0.11 A，7.5 V/2.9 A，5.5 V/5.8 A；轉(zhuǎn)換效率≥78%。

圖3 單端反激和正激相結(jié)合的多路輸出開關(guān)電源

2.1 變壓器的設(shè)計(jì)

電源涉及反激電路和正激電路變壓器的設(shè)計(jì)，反激變換器的特點(diǎn)是當(dāng)主功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)變壓器原邊電感存儲(chǔ)能量，負(fù)載的能量從輸出濾波電路的電容處得到；而當(dāng)關(guān)斷時(shí)，變壓器原邊電感的能量將會(huì)傳送到副邊負(fù)載和它的濾波電容處，以補(bǔ)償濾波電容在開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)下消耗的能量[6]。具體設(shè)計(jì)如下：由于鐵氧體材料有很好的儲(chǔ)能和抑制信號(hào)傳輸過程中的尖峰和振鈴作用，因此采用這種材料作為變壓器磁芯是最好的選擇之一。綜合考慮反激電源的額定功率，轉(zhuǎn)換效率以及磁芯的窗口利用率，選擇RM8作為反激電源變壓器的磁芯。初級(jí)線圈的峰值電流為：

[Ipmax=2TPoTonmaxUiminη] （1）

式中：[Uimin]為變壓器初級(jí)輸入的最小直流電壓；T為開關(guān)電源周期；[Tonmax]為開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間；[Po]為輸出功率；η為變換效率。

初級(jí)線圈的電感為：

[Lp=UiminTonmax0Ipmax] （2）

初級(jí)繞組的匝數(shù)為：

[Np=UiminTonmaxScΔB×104] （3）

式中：[Sc]為磁芯有效截面積；[ΔB]為磁芯工作磁感應(yīng)強(qiáng)度。

初次級(jí)繞組匝數(shù)比為：

[L0≥（Uin-U0）U0TUinI0] （4）

式中：[UD]為輸出整流二極管，[Us]為次級(jí)輸出電壓。

次級(jí)繞組匝數(shù)為：

[n12=NpNs] （5）

變壓器氣隙為：

[Ig=μrN2pScLp] （6）

式中：[Ig]的單位為mm；[μr]=4π，[Sc]的單位為mm2；[Lp]的單位為mH。按照式（1）～式（6）計(jì)算得：[Ipmax]=3 A， [Lp]=16.7 μH， [Np]=7匝；18.5 V的匝數(shù)為9匝；±14.5 V時(shí)匝數(shù)為7匝。給PWM芯片供電的兩個(gè)輔助繞組的匝數(shù)為6匝，變壓器氣隙為0.24 mm。

正激電路變壓器的設(shè)計(jì)同樣需要綜合考慮電源的額定功率，轉(zhuǎn)換效率、磁芯的窗口利用率以及磁芯的最佳磁密度。7.5 V選擇RM6作為變壓器磁芯，5.5 V選擇RM8作為變壓器磁芯。初級(jí)繞組匝數(shù)為：

[Np=UiminTonmaxScΔB×104] （7）

式中：[Tonmax]的單位為s，[ΔB]的單位為T，[Sc]的單位為cm2。

次級(jí)繞組匝數(shù)為：

[Ns≥Np（Us+UD）DmaxUimin] （8）

式中[Dmax]為最大占空比。

按照式（7）～（8）計(jì)算得：7.5 V輸出[Np]為13匝，[Ns]為10匝；5.5 V輸出[Np]為8匝，[Ns]為5匝。變壓器導(dǎo)線電流密度取7～8 A/mm2。

2.2 輸出濾波電路的設(shè)計(jì)

反激變換器由于其主變壓器初級(jí)充當(dāng)了儲(chǔ)能電感的作用，因此其輸出各路可以不要差模電感，考慮到EMC的需要，可在輸出各路增加一個(gè)共模電感，反激變換器的輸出電容可由式（9）算出。

[C≥5TsU08UoppR] （9）

式中：[Ts]為電源周期；[U0]為電源各路額定電壓；[Uopp]為輸出紋波電壓，[R]為負(fù)載電阻，工程實(shí)際中還需要考慮電源的ESR值。

按照式（9）計(jì)算得：18.5 V輸出[C≥]21 μF，14.5 V輸出[C≥]19 μF，-14.5 V輸出[C≥]7 μF。正激變換器輸出差模電感工作在連續(xù)狀態(tài)其輸出紋波電壓小，工作在非連續(xù)狀態(tài)其輸出紋波電壓大。設(shè)計(jì)上一般將額定輸出電流的設(shè)定為電感連續(xù)和非連續(xù)工作狀態(tài)的臨界點(diǎn)，得到輸出差模電感的計(jì)算公式為：

[L0≥（Uin-U0）U0TUinI0] （10）

按照式（10）計(jì)算得：7.5 V輸出[L0]=57 μH，5.5 V輸出[L0]=20 μH。按照式（9）計(jì)算得各路輸出濾波電容：7.5 V輸出[C≥]169 μF，5.5 V輸出[C≥]365 μF。

2.3 關(guān)鍵點(diǎn)波形和數(shù)據(jù)

表1列出了反激電路兩個(gè)輔助繞組給正激電路PWM芯片供電的電壓在不同輸入電壓負(fù)載一定下的電壓值，表2列出了輸入電壓一定負(fù)載變化下的電壓值。

表1 不同輸入電壓負(fù)載一定下的電壓值 V

表2 輸入電壓一定負(fù)載變化下的電壓值 V

圖4 額定輸入下反激電路主開關(guān)管漏源波形

圖5 額定輸入下7.5 V正激電路主開關(guān)管漏源波形

3 結(jié) 論

本文介紹了一種新型的星用多路輸出開關(guān)電源，不僅有效地解決了傳統(tǒng)星用開關(guān)電源的一些弊病，同時(shí)在電源的小型化設(shè)計(jì)上具備一定的優(yōu)勢(shì)，在星用開關(guān)電源的應(yīng)用上具備廣闊的前景。

圖6 額定輸入下5.5 V正激電路主開關(guān)管漏源波形

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開關(guān)電源設(shè)計(jì)范文3

關(guān)鍵詞： 準(zhǔn)諧振； 反激； CRM； DCM； FFM； UCC28600

中圖分類號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）21?0148?04

準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換是十分成熟的技術(shù)，廣泛用于消費(fèi)產(chǎn)品的電源設(shè)計(jì)中。新型的綠色電源系列控制器實(shí)現(xiàn)低至150 mW的典型超低待機(jī)功耗。本文將闡述準(zhǔn)諧振反激式轉(zhuǎn)換器是如何提高電源效率以及如何用UCC28600設(shè)計(jì)準(zhǔn)諧振電源。

1 常規(guī)的硬開關(guān)反激電路

圖1所示為常規(guī)的硬開關(guān)反激式轉(zhuǎn)換器電路。這種不連續(xù)模式反激式轉(zhuǎn)換器 （DCM）一個(gè)工作周期分為三個(gè)工作區(qū)間：（[t0～][t1]）為變壓器向負(fù)載提供能量階段，此時(shí)輸出二極管導(dǎo)通，變壓器初級(jí)的電流通過Np：Ns的耦合流向輸出負(fù)載，逐漸減小；MOSFET電壓由三部分疊加而成：輸入直流電壓[VDC、]輸出反射電壓[VFB、]漏感電壓[VLK。]到[t1]時(shí)刻，輸出二極管電流減小到0，此時(shí)變壓器的初級(jí)電感和和寄生電容構(gòu)成一個(gè)弱阻尼的諧振電路，周期為2π[LC]。在停滯區(qū)間（[t1～][t2]），寄生電容上的電壓會(huì)隨振蕩而變化，但始終具有相當(dāng)大的數(shù)值。當(dāng)下一個(gè)周期[t2]節(jié)點(diǎn)，MOSFET 導(dǎo)通時(shí)間開始時(shí)，寄生電容 （[COSS]和[CW]）上電荷會(huì)通過MOSFET放電，產(chǎn)生很大的電流尖峰。由于這個(gè)電流出現(xiàn)時(shí)MOSFET存在一個(gè)很大的電壓，該電流尖峰因此會(huì)做成開關(guān)損耗。此外，電流尖峰含有大量的諧波含量，從而產(chǎn)生EMI。

2 準(zhǔn)諧振反激式設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

利用檢測(cè)電路來有效地“感測(cè)”MOSFET漏源電壓（[VDS]）的第一個(gè)最小值或谷值，并僅在這時(shí)啟動(dòng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)間，由于寄生電容被充電到最低電壓，導(dǎo)通的電流尖峰將會(huì)最小化。這情況常被稱為谷值開關(guān) （Valley Switching） 或準(zhǔn)諧振開關(guān)。這種電源是由輸入電壓/負(fù)載條件決定的可變頻率系統(tǒng)。換言之，調(diào)節(jié)是通過改變電源的工作頻率來進(jìn)行，不管當(dāng)時(shí)負(fù)載或輸入電壓是多少，MOSFET始終保持在谷底的時(shí)候?qū)ā＿@類型的工作介于連續(xù) （CCM） 和不連續(xù)條件模式 （DCM） 之間。因此，以這種模式工作的轉(zhuǎn)換器被稱作在臨界電流模式 （CRM） 下工作。臨界模式下MOSFET漏源電壓如圖2所示。

在反激式電源設(shè)計(jì)中采用準(zhǔn)諧振開關(guān)方案有著許多優(yōu)點(diǎn)：

（1）降低導(dǎo)通損耗

由于MOSFET導(dǎo)通具有最小的漏源電壓，故可以減小導(dǎo)通電流尖峰。減輕了MOSFET的壓力，降低器件的溫度。

（2）降低輸出二極管反向恢復(fù)損耗

由于二次側(cè)的整流管零電流關(guān)斷，反向恢復(fù)損耗降低，從而提高電源整體效率。

（3）減少EMI

導(dǎo)通電流尖峰的減小以及在準(zhǔn)諧振過程中存在頻率抖動(dòng)， 將會(huì)減小EMI 噪聲，這就減少EMI濾波器的使用數(shù)量，從而降低電源成本。

3 基于UCC28600控制器的鎢燈電源的設(shè)計(jì)

3.1 UCC28600控制器的主要特性

UCC28600控制器的主要特性有先進(jìn)的綠色模式控制方式；低EMI及低損耗（谷底開關(guān)）的準(zhǔn)諧振控制方式；空載損耗小于150 mW（低待機(jī)電流）；低啟動(dòng)電流（最大 25 μA）；可編程過壓保護(hù)（輸入電壓和輸出電壓）；內(nèi)置過溫保護(hù)，溫度回復(fù)后可自動(dòng)重啟；限流保護(hù)：逐周期限功率，過電流打嗝式重啟；可編程軟啟動(dòng)；集成綠色狀態(tài)腳（PFC使能端）。

3.2 UCC28600工作原理

UCC28600內(nèi)部集成了UVLO比較器，高頻振蕩器，準(zhǔn)諧振控制器和軟起動(dòng)控制器，待機(jī)模式跳脈沖比較器，輸入和輸出過電壓保護(hù)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

（1）UVLO比較器

UCC28600的[VDD]電壓在13 V起動(dòng)，在低于8 V時(shí)關(guān)閉， 有5 V的滯差電壓， 可以提高UCC28600工作的穩(wěn)定性。

（2）內(nèi)部振蕩器

UCC28600內(nèi)部集成了一個(gè)40～130 kHz的振蕩器。

（3）準(zhǔn)諧振控制器和軟起動(dòng)控制器

UCC28600采用準(zhǔn)諧振的開關(guān)變換器以提高轉(zhuǎn)換效率，利用變壓器的勵(lì)磁磁通，在開關(guān)關(guān)斷期間，檢測(cè)變壓器繞組的輸出電壓，如果電壓偏低及處于振蕩的波谷時(shí)，可以確認(rèn)該時(shí)刻變壓器勵(lì)磁磁通耗盡，可以開啟下一周期。該準(zhǔn)諧振模式可分為臨界導(dǎo)通模式（CRM）和不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）以及頻率調(diào)制模式（FFM）。

（4）待機(jī)模式和跳脈沖比較器

當(dāng)功率繼續(xù)減小，UCC28600進(jìn)入待機(jī)模式；頻率調(diào)制模式（FFM）頻率下降到40 kHz，不再減小；當(dāng)FB小于0.6 V時(shí)，開關(guān)脈沖輸出關(guān)斷，當(dāng)FB大于0.7 V時(shí)，開關(guān)脈沖正常輸出，從而得到跳脈沖模式的待機(jī)工作狀態(tài)。

（5）輸入和輸出過電壓保護(hù)

OVP引腳為過電壓（線電壓和負(fù)載電壓）輸入腳以及諧振開通的響應(yīng)腳，此腳通過變壓器初級(jí)偏置線圈來偵測(cè)輸入過壓，負(fù)載過壓及諧振條件，其過壓點(diǎn)可通過與此腳相連的電阻來靈活調(diào)節(jié)。

3.3 鎢燈電源的技術(shù)指標(biāo)

輸入電壓：95～260 V AC 50/60 Hz；輸出電壓：5 V；輸出電流：4.3 A；可遙控關(guān)閉電源輸出。

3.4 電源設(shè)計(jì)過程

鎢燈電源電路圖如圖4所示，交流電源從左上角輸入，經(jīng)輸入電源濾波器、整流橋、高壓電容，轉(zhuǎn)為約130～360 V的直流高壓。[N14、][V30]組成高壓側(cè)主電路，將直流高壓斬波為脈沖電壓，通過變壓器耦合，經(jīng)[V12]整流輸出，輸出電容濾波為直流電壓。

3.4.1 啟動(dòng)電路

由于UCC28600的啟動(dòng)電流非常小，典型值為12 μA，可以大大降低啟動(dòng)電阻的功耗，因而啟動(dòng)電阻由三個(gè)300 kΩ的貼片電阻串聯(lián)而成。但由于[VDD]引腳需要一個(gè)足夠的儲(chǔ)能電容防止在工作時(shí)出現(xiàn)打嗝現(xiàn)象，帶來的一個(gè)問題是[VDD]啟動(dòng)時(shí)電壓上升過慢，電源啟動(dòng)時(shí)間過長。解決方法是[VDD]引腳采用小電容，反供繞組采用大電容，兩者之間用[V34]（1N4148）隔離。

3.4.2 遙控電路

遙控電路用光耦TLP181安全隔離，當(dāng)遙控信號(hào)輸入CTL端加電流信號(hào)時(shí)，光耦輸出端導(dǎo)通，通過[V33]將UCC28600的SS引腳拉低，關(guān)閉MOSFET的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；通過[R32]將[VDD]電壓拉低，低于UCC28600的啟動(dòng)電壓，避免芯片一直處于重啟過程。

3.4.3 反饋電路

采用TL431采樣輸出端電壓，通過光耦TLP181隔離后反饋到芯片的輸入端。TL431的基準(zhǔn)電壓為2.495 V，通過[R84、][R85]的分壓，將輸出電壓設(shè)定在11.5 V。由于負(fù)載為固定鎢燈電源，所以不用考慮電源的瞬態(tài)相應(yīng)，故TL431的補(bǔ)償電容采用簡單的Ⅰ類補(bǔ)償，電路簡單，穩(wěn)定可靠。

3.4.4 變壓器設(shè)計(jì)

設(shè)在最大負(fù)載時(shí)，UCC28600工作在準(zhǔn)諧振模式，其最大占空比發(fā)生在最低輸入電壓時(shí)，在固定輸入電壓和輸入功率的情況下：

初級(jí)繞組采用2×0.35漆包線，次級(jí)采用125 μm銅箔，采用三明治繞法，磁芯中心柱開氣隙，使ALG為275 nH/T2。

3.5 測(cè)試數(shù)據(jù)

3.5.1 電源轉(zhuǎn)換效率

電源在不同輸入輸出條件下效率如圖5所示。

3.5.2 不同狀態(tài)下的開關(guān)管波形

電源在不同狀態(tài)下的開關(guān)管波形如圖6所示。

由圖6可以看出，當(dāng)輸出負(fù)載很小時(shí)，電源是工作于跳脈沖模式，這樣可以降低開關(guān)損耗，提高輕載電源效率；隨著負(fù)載加大，電源開始進(jìn)入頻率調(diào)制工作模式。在滿載且輸入電壓較高時(shí)，電源工作于頻率較高的準(zhǔn)諧振模式；如果輸入電壓較低時(shí)，工作模式不變，但開關(guān)頻率降低，維持開關(guān)管在波形谷底導(dǎo)通。

4 結(jié) 語

實(shí)踐證明，基于UCC28600的準(zhǔn)諧振反激式開關(guān)電源具有輸入電壓范圍寬、輸出電壓精度高、高轉(zhuǎn)換效率、低待機(jī)功耗等特點(diǎn)。本電源應(yīng)用于鎢燈電源中，最高效率達(dá)到86%，收到了良好效果。

參考文獻(xiàn)

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開關(guān)電源設(shè)計(jì)范文4

【關(guān)鍵詞】開關(guān)電源；無源功率；因數(shù)校正；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：S611文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

1.前言

我國早在2002年就開始在全國范圍內(nèi)實(shí)行中國強(qiáng)制認(rèn)證要求，即所謂的3C認(rèn)證，3C認(rèn)證有如下的要求：第一，要采用更加嚴(yán)格的電磁兼容（EMC）的要求標(biāo)準(zhǔn)，并型號(hào)提供電磁兼容性能簡要報(bào)告以及相關(guān)的文件；第二，對(duì)諧波電流的限定和控制的強(qiáng)度需要加強(qiáng)，其實(shí)際過程中是添加了PFC（功率因數(shù)校正）電路。采取二極管整流、電容濾波的非線性是電路計(jì)算機(jī)開關(guān)電源的原理，它具有輸入功率比較低，很強(qiáng)的諧波電流的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，從而可以用PFC電路來提高功率的因數(shù)，對(duì)諧波起到一定阻礙效果。這也就意味著功率因數(shù)的高低及其諧波電流失真狀況是影響計(jì)算機(jī)電源的一個(gè)非常重要的因素。

2.功率因數(shù)的校正

根據(jù)我們所能掌握的情況來說，PFC（功率因數(shù)校正）分為無源PFC和有源PFC兩種模式。

如圖1所示，便是無源PFC電路的典型代表。

圖1 無源PFC電路的運(yùn)用代表圖

事實(shí)上，為了防止開關(guān)電源的電磁干擾通過進(jìn)線干擾開關(guān)電源外的其它電路或設(shè)備，通常會(huì)將電感接在整流器的前面，正如下圖2所示，這樣的改進(jìn)消除了無源PFC電路中的電感的直流分量，可以防止電感鐵芯飽和的情況發(fā)生。

應(yīng)用無源PFC的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在很多方面：方法簡略、靠得住，不用進(jìn)行控制，而且還能夠使得輸入的電流的總諧波含量和基波比下降到30%以內(nèi)，輸入電流的總諧波的含量及其3、5、7等奇次諧波可以獲得很好的改善，功率因數(shù)也可以獲得很好的提升。由于在電路中應(yīng)用了串聯(lián)電感補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ@樣就會(huì)在必然程度上降低了成本。

圖2 改進(jìn)型的無源PFC電路

當(dāng)然，從辨證的角度出發(fā)客觀的研究無源PFC電路，也不難發(fā)現(xiàn)它也具有一些缺點(diǎn)，由于它增加了無源的元件，所以體積就會(huì)變得很大而且也會(huì)比較的笨重，導(dǎo)致校正之后的功率因數(shù)也不是非常的高，一般為0.8左右，并且還會(huì)釋放大量的熱，也有可能引發(fā)工頻共振和噪聲。

有源PFC和無源PFC相比，有源的PFC主要是使用了全控開關(guān)器件構(gòu)成的開關(guān)電路，這樣來使輸入電流的波形跟隨電壓波形變化，從而能使電流和電壓達(dá)到同相的目標(biāo)。

使用有源PFC電路的開關(guān)電源的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，其一，能夠使得總諧波的含量下降到5%以內(nèi)，而功率因數(shù)則會(huì)跨越0.99，而且還能把開關(guān)電源輸入電壓的區(qū)域擴(kuò)大為全域電壓。其二，它還具有穩(wěn)定性好、振動(dòng)和噪聲比較小的好處。

有源PFC技術(shù)的采用是可以很好的降低諧波的含量、增大功率的因數(shù)的，如此就滿足了諧波含量的要求。但是，由于電路和控制都是比較復(fù)雜的，因而會(huì)產(chǎn)生較高的成本費(fèi)用，并且開關(guān)器件的高速開關(guān)會(huì)導(dǎo)致電路開關(guān)的耗損增大，這樣效率就會(huì)比無源PFC電路的效率低一些。

3.無源的PFC的工作原理

假設(shè)電源電壓是正弦波，它的表達(dá)式可以表示為es=Essint；假設(shè)非線性負(fù)載從交流電源汲取的電路是周期性非正弦波形，可用以下式子進(jìn)行表示：

Il=Insin(nt+n)

=I1cos1sint+I1sin1cost+I0+Insin(nt+n)

在上式中，等號(hào)右邊的第1項(xiàng)是基波有功電流的分量，被記為ip；其次是基波無功電流的分量ir；第3項(xiàng)是直流分量；第4項(xiàng)是負(fù)載電流iL的高次諧波分量之和，被記為ih。

先計(jì)算出在一個(gè)周期內(nèi)的平均功率，從而求得有功功率

P=iLdt=[ip+ii+I0+ih]dt

由此式積分以后演變可得

P=EsI1cos1

視在功率為

S=EsIL

則功率因數(shù)為

=P/S=I1/ILcos1=PF

4.無源PFC電路的仿真

在無源PFC的基礎(chǔ)原理上，使用了下圖3所示的電路進(jìn)行仿真。

圖3 無源PFC仿真的電路圖

單相PFC電路的輸入電路的電壓和電流都是屬于正弦波的模式的，輸入的電壓E=220V，C=300μF。

在PFC的電路中，選取合適大小的電感值L，這一點(diǎn)對(duì)于功率因數(shù)的校正是十分重要的。本文應(yīng)用的就是MUTISIM仿真，在負(fù)載功率不同的情況下，經(jīng)過對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的電感的參數(shù)大小的改變來觀察系統(tǒng)的輸出電流的波形，以及各個(gè)諧波的比例。

在負(fù)載不變的條件下，無源PFC電路的電感L取值不一樣會(huì)對(duì)電路的功率因數(shù)有較大的差異，并且會(huì)呈一定的提高趨勢(shì)，電感L值越大，高次諧波的分量就會(huì)越小，這時(shí)的電流波形類似于正弦波，相對(duì)應(yīng)的電壓相位的差值會(huì)越大。表1就為電感及其負(fù)載不同的時(shí)候的仿真的結(jié)果。

表1 電感L及不同負(fù)載情況下的功率因數(shù)

負(fù)載電阻

電感(mH) 100Ω 200Ω 300Ω 400Ω 500Ω 600Ω 700Ω 800Ω 900Ω

5 0.713 0.696 0.678 0.665 0.638 0.624 0.621 0.615 0.610

10 0.749 0.731 0.725 0.697 0.674 0.661 0.658 0.650 0.643

20 0.712 0.705 0.698 0.699 0.637 0.612 0.633 0.637 0.632

30 0.695 0.688 0.679 0.673 0.512 0.611 0.632 0.615 0.613

40 0.745 0.733 0.731 0.728 0.715 0.724 0.725 0.721 0.720

50 0.643 0.667 0.695 0.682 0.685 0.667 0.643 0.631 0.620

60 0.737 0.723 0.731 0.736 0.741 0.721 0.715 0.707 0.702

70 0.688 0.733 0.718 0.722 0.737 0.729 0.724 0.714 0.716

80 0.698 0.718 0.719 0.743 0.753 0.755 0.757 0.746 0.752

90 0.674 0.688 0.716 0.723 0.715 0.721 0.718 0.721 0.726

100 0.669 0.701 0.728 0.711 0.724 0.716 0.723 0.734 0.738

200 0.482 0.625 0.681 0.699 0.720 0.725 0.734 0.735 0.733

250 0.712 0.582 0.628 0.639 0.671 0.689 0.711 0.715 0.716

300 0.494 0.599 0.602 0.598 0.603 0.614 0.625 0.634 0.642

從表1我們就能夠看出，當(dāng)負(fù)載一定的時(shí)候，電感L的取值不同會(huì)造成校正后的功率因數(shù)有所變化。電流和電壓的相位差與電感L的取值呈同向發(fā)展的態(tài)勢(shì)，也就是說電感L的取值越大，電流和電壓的相位差就越大，由此導(dǎo)致功率因數(shù)下降。當(dāng)電感L的取值越小時(shí)，奇次諧波就會(huì)越大，如此也會(huì)降低功率因數(shù)；當(dāng)電感L取定值時(shí)，跟著負(fù)載的增大，功率因數(shù)就會(huì)下降，而且負(fù)載變大，輸入的電流就會(huì)越大，就會(huì)更容易使得電感鐵芯趨于飽和，與此同時(shí)也會(huì)使得電源的輸入功率降低。所以只有電感L取得合適值的時(shí)候，校正的效果才能達(dá)到最佳的狀態(tài)。

依據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，我們可以做出不同負(fù)載下功率因數(shù)與電感L之間的曲線關(guān)系圖（如圖4所示）

圖4 功率因數(shù)與電感L的關(guān)系曲線圖

從上附表和圖中，我們可以看出，PFC技術(shù)運(yùn)用在小功率的開關(guān)電源電路的時(shí)候，校正的效果是比較好的。然而，在許多的實(shí)際應(yīng)用的案例中，很多的電源工作是都是達(dá)不到額定功率的，而且多數(shù)情況下都是處在輕載的狀態(tài)的。無源PFC電路當(dāng)處于輕載和滿載的時(shí)候，校正的效果也是有所不同的。據(jù)我們所知，輕載時(shí)校正的功率因數(shù)是比滿載的時(shí)候略微低點(diǎn)，這是在當(dāng)無源PFC電路在處于輕載的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)的狀況。

按照表1 的數(shù)據(jù)、功率因數(shù)和電感L之間的曲線關(guān)系及其輸入電壓和電流相位的關(guān)系可以推斷找到適合的電感值，而且是能夠滿足高次諧波的水平的。

一般情況下，在做PFC的分析時(shí)，大部分應(yīng)用的是如圖1所示的典型的無源PFC電路，它的電感是接在整流器的后面的，但是實(shí)際應(yīng)用中常常使用如圖2所示的經(jīng)過改進(jìn)的PFC電路，它的電感是接在整流橋的前面的，這種接法對(duì)于去除直流分量是很有效果的。如圖5和圖6所示，當(dāng)L=0.06H，RL=300Ω的時(shí)候，分別使用圖1 和圖2的兩種電路結(jié)構(gòu)仿真得到的輸入電流的頻譜圖。

圖5無源PFC仿真的輸入電流頻譜圖

圖6 改進(jìn)型的無源PFC仿真的輸入電流頻譜圖

從圖5所反映的結(jié)果來看，較大的直流分量很明顯是運(yùn)用了無源PFC電路結(jié)構(gòu)的，同時(shí)我們也能看出電源功率的下降也是很明顯的，諧波主要是來自偶次諧波，這樣也會(huì)導(dǎo)致較大的無功分量的。所以說，現(xiàn)實(shí)中的電路中的電感L通常都是接在整流橋的前面的。

5.結(jié)束語

通過對(duì)分析仿真的無源PFC電路，可以得到下列的幾個(gè)結(jié)論：

（1）輸入電流諧波成分會(huì)因?yàn)镻FC技術(shù)的應(yīng)用而得到比較好的作用，同時(shí)，正確、合適地使用PFC技術(shù)能夠適當(dāng)減小輸入的電流和電壓的相位的差值。因此，校正功率因數(shù)的技術(shù)是提高整個(gè)電路功率因數(shù)質(zhì)量的一個(gè)好的方法。當(dāng)然，作為輸入輸出能量傳遞關(guān)鍵的電感元件，它的作用也是不可小覷。此外，對(duì)PFC的結(jié)果有作用的因素還包括電感的取值。

（2）無源PFC電路的優(yōu)勢(shì)在于：成本較低、較為簡單、可以消除可能會(huì)產(chǎn)生的各種干擾噪聲或信號(hào)，同時(shí)可以通過控制浪涌的電流來獲得較為滿意的有功分量。因此，無源PFC技術(shù)可以在小功率的場(chǎng)合推薦使用。

【參考文獻(xiàn)】

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開關(guān)電源設(shè)計(jì)范文5

【關(guān)鍵詞】變壓器；電抗器；磁芯

1.概述

在電力系統(tǒng)中的直流系統(tǒng)，由于普遍采用高頻模塊，而對(duì)于高頻模塊的設(shè)計(jì)也是功率越來越大，而體積卻是越來越小，這就對(duì)其設(shè)計(jì)提出了一個(gè)關(guān)鍵的問題，那就是如何解決磁性元件的損耗及發(fā)熱問題。

高頻開關(guān)電源中大量使用各種各樣的磁性元件，如輸入/輸出共模電感，功率變壓器，飽和電感以及各種差模電感。各種磁性元器件對(duì)磁性材料的要求各不相同，如差模電感希望μ值適中，但線性度好，不易飽和；共模電感則希望μ值要高，頻帶寬，功率變壓器則希望μ值要適中，溫度穩(wěn)定好，剩磁小，損耗低等。在非晶材料出現(xiàn)以前，共模電感主要采用高μ值（6K～10K）Mn-Zn合金，差模電感多采用鐵粉芯或開氣隙鐵氧體材料，變壓器則采用鐵氧體材料等。

這些材料應(yīng)用技術(shù)成熟，種類也很豐富，并有各種各樣的產(chǎn)品形狀供選擇。隨著非晶材料的出現(xiàn)和技術(shù)不斷成熟，在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，非晶材料表現(xiàn)出許多其它材料無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。幾種常用磁性材料基本性能比較如表1。

2.主變壓器的設(shè)計(jì)

對(duì)于高頻開關(guān)電源的主要發(fā)熱元件，主變壓器的設(shè)計(jì)尤其重要，其尺寸的大小和材料的選擇更是重要。

2.1 主變壓器的磁芯必須具備的幾個(gè)特點(diǎn)

①低損耗

②高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度且溫度系數(shù)小

③寬工作溫度范圍

④μ值隨B值變化小

⑤與所選用功率器件開關(guān)速度相應(yīng)的頻響

早前高頻變壓器一般選用鐵氧體磁芯，下面對(duì)VITROPERM500F鐵基超微晶磁芯與德國西門子公司生產(chǎn)的N67系列鐵氧體磁芯的性能進(jìn)行較：

從以上圖表可以看出兩者有以下區(qū)別：

（1）相同工作頻率（200KHZ以下），非晶材料損耗明顯低于鐵氧體，工作頻率越低，工作B值越高，非晶材料優(yōu)勢(shì)越明顯。但在250kHZ以上頻段，鐵氧體損耗要明顯低于非晶材料。

（2）非晶材料損耗隨溫度變化量大大低于鐵氧體，降低了變壓器熱設(shè)計(jì)的難度。

（3）非晶材料導(dǎo)磁率隨溫度變化量大大低于鐵氧體，降低了變壓器設(shè)計(jì)的難度，提高了電源運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

（4）非晶材料Bs*μ值是鐵氧體的10- 15倍，意味著變壓器體積重量可以大幅減小。

變壓器設(shè)計(jì)過程中，最困難的是熱設(shè)計(jì)，變壓器的產(chǎn)熱與多方面的因素有關(guān)，如磁芯損耗，銅損等。開關(guān)頻率增加，變壓器的發(fā)熱呈指數(shù)增加。若采用鐵氧體磁芯，由于鐵氧體的居里點(diǎn)較低，需對(duì)變壓器磁芯作散熱處理，工藝制作比較復(fù)雜。若散熱處理不當(dāng)，鐵氧體磁材高溫下易失磁，導(dǎo)致電路工作異常。若采用非晶做變壓器，將工作B由4000高斯提高到10000高斯，開關(guān)器件的工作頻率則可以降到100KHz以下。非晶材料在16KHZ-100KHZ頻率范圍內(nèi)，損耗/Bs值最低，相應(yīng)的變壓器匝數(shù)及體積最小，發(fā)熱量也較小，對(duì)提高整機(jī)效率，減小模塊電源的體積有巨大幫助。在采用軟開關(guān)控制技術(shù)的前提下，可以充分發(fā)揮IGBT的低導(dǎo)通壓降，大電流，高耐壓的優(yōu)點(diǎn)，大幅度地提高電源的可靠性。由于鐵氧體的居里點(diǎn)較低，需對(duì)變壓器磁芯作散熱處理，變壓器工藝制作較復(fù)雜。若散熱處理不當(dāng)，鐵氧體磁材高溫下易失磁，導(dǎo)致電路工作異常。

2.2 磁芯的選擇

5.結(jié)束語

通過對(duì)高頻電源模塊的主要磁性元件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并應(yīng)用在高頻電源的生產(chǎn)中，很好的解決了磁性元件的損耗和發(fā)熱的問題，對(duì)高頻電源的穩(wěn)定性有了進(jìn)一步的提高。

參考文獻(xiàn)

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開關(guān)電源設(shè)計(jì)范文6

關(guān)鍵詞：煤礦；安全開關(guān)；電源；設(shè)計(jì)

煤炭在我國的能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位，我國的煤炭產(chǎn)量占世界煤炭總產(chǎn)量的35%以上。但是，在煤炭的生產(chǎn)過程中，由于各種因素的影響，礦井下會(huì)產(chǎn)生大量的易燃易爆氣體以及粉塵等，極易引發(fā)爆炸以及火災(zāi)等事故，對(duì)煤礦生產(chǎn)以及工人的生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重影響。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，很多檢測(cè)儀器、通訊設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)以及報(bào)警裝置等被廣泛運(yùn)用到煤礦井下生產(chǎn)過程中。這些用電設(shè)備在煤礦生產(chǎn)中，由于各種因素的影響，可能會(huì)產(chǎn)生短路、漏電以及電火花等事故，煤炭井下用電安全問題已經(jīng)引起社會(huì)的高度關(guān)注。

1 煤礦井下安全開關(guān)電源電路放電特性分析

在當(dāng)前我國的能源結(jié)構(gòu)中，煤礦仍然是支撐我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要組成部分。在煤礦井下生產(chǎn)過程中，由于各種因素的影響，難免會(huì)發(fā)生爆炸等危險(xiǎn)，造成嚴(yán)重的人員傷亡以及財(cái)產(chǎn)損失等。因此，在煤礦井下生產(chǎn)中，應(yīng)當(dāng)高度重視安全開關(guān)電源設(shè)計(jì)。根據(jù)煤礦井下安全開關(guān)電源的要求，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制電路的火花放電能量，包括電路放電的電流、電壓以及放電時(shí)間等。同時(shí)，煤礦井下安全開關(guān)電源還應(yīng)當(dāng)具有穩(wěn)壓、限流等功能，并且能夠在特殊情況下采取快速切斷保護(hù)措施，確保滿足煤礦安全生產(chǎn)的相關(guān)要求。而由于煤礦井下安全開關(guān)電源電路中含有很多電容、電感等儲(chǔ)能元器件，這些元器件會(huì)對(duì)電源電流的輸出產(chǎn)生直接影響。因此，在對(duì)煤礦井下安全開關(guān)電源進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，首先應(yīng)當(dāng)熟悉電容、電感放電等過程，掌握其放電的基本原理，在此基礎(chǔ)上，才能設(shè)計(jì)出符合安全要求的煤礦井下安全開關(guān)電源。

1.1 煤礦井下電路產(chǎn)生電火花的規(guī)律

在易燃、易爆的環(huán)境下，電氣設(shè)備在運(yùn)行過程中產(chǎn)生出大量的電火花，在達(dá)到爆炸性氣體臨界值的狀態(tài)下，會(huì)引燃周圍爆炸性物質(zhì)，造成嚴(yán)重的后果。因此，必須要重視研究煤礦井下電路電火花的規(guī)律，努力從源頭消除其危害。大量研究表明，煤礦井下電路放電主要包括三種類型：電弧放電、輝光放電以及火花放電，或者這三種類型同時(shí)出現(xiàn)。一般來說，電弧放電是在電壓以及電流都不高的情況下出現(xiàn)的，由于某種不穩(wěn)定的放電經(jīng)過轉(zhuǎn)化產(chǎn)生。在電流很小而且處于低電壓的狀態(tài)下，因?yàn)殚_關(guān)器件所具有的特殊性質(zhì)，電路發(fā)生切換時(shí)會(huì)產(chǎn)生電弧放電現(xiàn)象。而輝光放電則是在高電壓、小電流的情況下產(chǎn)生的。由于這種情況很特殊，在實(shí)際的煤礦井下電路運(yùn)行中非常少見。由于煤礦井下電源電路在一般情況下帶有電容和電感的，電路在導(dǎo)通以及斷開的過程中，由于擊穿了放電間隙，會(huì)發(fā)生電火花放電現(xiàn)象，這就是火花放電產(chǎn)生的主要原因。

1.2 電容性電路放電特性

煤礦井下安全開關(guān)電源應(yīng)當(dāng)充分滿足電氣設(shè)備性能指標(biāo)的要求，確保電氣設(shè)備的安全運(yùn)行。其中，電容、電感的影響較大。如果取值太大，那么相應(yīng)的輸出短路釋放出的能量就會(huì)顯著增加，而如果取值太小，就會(huì)增加開關(guān)管中的電流應(yīng)力，導(dǎo)致輸出紋波電壓變大，嚴(yán)重影響到輸出電壓的穩(wěn)定性。所以，在取值過程中，應(yīng)當(dāng)充分考慮到電氣設(shè)備性能指標(biāo)的要求，合理的取值是影響煤礦井下安全開關(guān)電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性因素。在一般情況下，煤礦井下安全開關(guān)電源的輸出端，會(huì)存在較大的輸出電容，當(dāng)出現(xiàn)輸出短路等問題時(shí)，就會(huì)對(duì)電源安全性能產(chǎn)生較大危害。一般來說，要想在電容性電路放電過程中點(diǎn)燃?xì)怏w混合物，就必須要同時(shí)滿足能量、功率等要求，如果僅僅滿足單個(gè)條件，即使放電時(shí)間很長，也無法點(diǎn)燃?xì)怏w混合物。在很多時(shí)候，人們把電容性電路放電過程分為火花放電、放電維持以及極間放電結(jié)束等階段。大量研究成果表明，在電容性電路整個(gè)放電過程中，第一階段的能量變化最大，因而也是最有威脅性的。隨著放電間隙的擊穿，放電電流以及瞬時(shí)功率幾乎在同一時(shí)達(dá)到最大值。可見，由于電容性電路的放電具有電壓變化快、電流變化顯著以及放電能量集中等特征，因此，放電引爆混合性氣體的破壞后果非常嚴(yán)重。

1.3 電感在電容火花放電中的影響

由于煤礦井下安全電源線路回路中同時(shí)存在電容、電感這兩種儲(chǔ)能元器件，而電感的存在會(huì)對(duì)煤礦井下安全開關(guān)電源的設(shè)計(jì)產(chǎn)生出一定的影響。因此，要高度重視電感及其在電容火花放電中的影響進(jìn)行研究。研究表明，煤礦井下安全電源電路中的初始電壓以及所選取的電感數(shù)值的不同，都會(huì)對(duì)電容火花放電過程中電流的變動(dòng)情況產(chǎn)生出明顯的影響。而由于電阻的存在，會(huì)對(duì)電容火花放電造成一定的能量損耗，因此，通過串聯(lián)電感能夠在一定程度上減緩電容火花放電的電流增長速率，使其延遲達(dá)到電流峰值的時(shí)間，從而避免煤礦井下危險(xiǎn)環(huán)境中可燃?xì)怏w的爆炸。

2 煤礦井下安全開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

由于在煤礦井下的易燃易爆的危險(xiǎn)環(huán)境下工作，因此，與一般的開關(guān)電源相比，安全開關(guān)電源具有特殊要求。首先，必須有安全保護(hù)電路限制能量。依靠安全保護(hù)電路，煤礦井下安全開關(guān)電源可以有效限制故障狀態(tài)下火花放電能量，包括限制放電電壓、電流以及放電時(shí)間等。在安全開關(guān)電源的輸出功率小，對(duì)電壓的穩(wěn)定性要求不高的時(shí)候，可以通過在電源輸出端進(jìn)行串聯(lián)限流電阻的方式降低放電能量。如果安全開關(guān)電源的輸出功率較大，就應(yīng)當(dāng)加入過流、過壓多重保護(hù)電路，確保安全開關(guān)電源的安全輸出。其次，重視電氣隔離。電氣隔離指的是安全開關(guān)電源的輸出端與輸入端要有電氣隔離，防止能量由非本安的輸入端傳遞至輸出端，對(duì)輸出端的安全性能產(chǎn)生不利影響。在多路輸出時(shí)，一定要進(jìn)行隔離處理，以限制火花放電的能量，充分滿足電源線路的安全運(yùn)行要求。再次，確保不間斷供電。在煤礦井下承擔(dān)著檢測(cè)、監(jiān)控以及報(bào)警等職能的電器設(shè)備必須能夠在電網(wǎng)斷電之后可以繼續(xù)工作。然而，煤礦井下的供電質(zhì)量比較差，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)電網(wǎng)斷電的情況，這就要求安全開關(guān)電源能夠不間斷供電，以確保礦井下電氣設(shè)備的正常工作與運(yùn)行，提高煤礦生產(chǎn)安全性能。最后，煤礦井下電源電路能夠提供多重化保護(hù)。電源的隔離、保護(hù)以及可靠性組件的設(shè)計(jì)要確保安全等級(jí)的雙重化或多重化，根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，煤礦井下電氣設(shè)備必須滿足ib等級(jí)要求，保護(hù)電路要進(jìn)行多重化設(shè)計(jì)。

2.1 煤礦井下安全開關(guān)電源技術(shù)指標(biāo)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)煤礦井下安全開關(guān)電源的工作需要，其設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)主要包括：額定輸入電壓127VAC，頻率50HZ；額定輸出電壓12V；紋波電壓小于2%Vo；開關(guān)頻率200kHZ。煤礦井下安全開關(guān)電源將交流電127V轉(zhuǎn)變成直流電12V。電源結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。交流電經(jīng)過整流、濾波等環(huán)節(jié)，成為紋波較大的直流電。在Buck-Boost變換器的作用下，經(jīng)雙重過壓、過流保護(hù)電路之后，輸出12V直流電。由于安全開關(guān)電源主要是在煤礦井下這種危險(xiǎn)性的條件下使用，因此，為了安全的需要，必須要有雙重過壓、過流保護(hù)電路。煤礦井下安全開關(guān)電源結(jié)構(gòu)主要包括輸入濾波電路、整流濾波電路、備用電源、Buck-Boost變換器、多重過壓、過流保護(hù)電路等，最終實(shí)現(xiàn)安全輸出。其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 電源總體結(jié)構(gòu)框架圖

2.2 電路參數(shù)設(shè)計(jì)及選型分析

電路參數(shù)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括功率器件的選型、備用電源以及控制芯片的選取等

首先，功率器件的選型包括開關(guān)管和二極管的選型。開關(guān)管在進(jìn)行選型時(shí)，Buck-Boost變換器的開關(guān)管S選型必須符合下列要求：首先，開關(guān)管輸出電流的額定值Ivt>ILp=1.1A；其次，開關(guān)管漏極與源極之間所承受的最大電壓UDS，max>1.5（Vi，max+Vo）。而Buck-Boost變換器中二極管的選型應(yīng)當(dāng)滿足下列條件：峰值電流必須大于變換器的輸出電流（1A）；反向最大耐壓值應(yīng)大于輸出電壓的最大值1.5 （Vimax+Vo）≈50V。

其次，關(guān)于備用電源的選取。對(duì)于煤礦井下安全防爆電源來說，備用電源與主電路之間有很多不同的接線方法，備用電源的種類也非常多，比較常見的是鋰電池和鉛蓄電池。在很多煤礦井下安全開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，電路選用的是額定電壓為24V，容量2Ah的蓄電池，這種蓄電池在充電完成之后，可達(dá)到2小時(shí)的工作時(shí)長。

最后，在選取控制芯片過程中，通過電壓控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)PWM，這只是通過輸出電壓進(jìn)行信號(hào)反饋，是一個(gè)單環(huán)控制。在此基礎(chǔ)上，通過電流控制型PWM，采用電流控制技術(shù)來調(diào)節(jié)脈寬，在電路結(jié)構(gòu)上增加了電流反饋環(huán)，達(dá)到控制開關(guān)管峰值電流的目的。如果在運(yùn)行中出現(xiàn)故障，可以限制瞬時(shí)峰值電流。由于采用電壓和電流兩種控制手段，所以，對(duì)于電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率以及瞬態(tài)響應(yīng)等進(jìn)行了改善與處理，這是一種比較有效的控制器件。

2.3 電容、電感的選取

在煤礦井下安全開關(guān)電源的設(shè)計(jì)過程中，使用到了很多電容和電感，這些電容電感會(huì)對(duì)電源的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到極為重要的作用。因此，要高度重視電容、電感的選取。電容有很多類型，包括安規(guī)電容、滌綸電容、云母電容以及電解電容等。不同類型的電容會(huì)對(duì)煤礦井下安全開關(guān)電源的性能產(chǎn)生直接影響。例如，使用濾波電容，將會(huì)影響到安全開關(guān)電源輸出電壓的穩(wěn)定性以及抗干擾能力。因此，應(yīng)該根據(jù)容量、特點(diǎn)以及應(yīng)用場(chǎng)合等的需要選擇不同的電容。在電感的設(shè)計(jì)中，由于電感是煤礦井下安全開關(guān)電源常用的元件，一般用作蓄能元件，或者與電容一起用在濾波電路中。煤礦井下安全開關(guān)電源設(shè)計(jì)，在輸入整流濾波電路和輸出整流電路中，都會(huì)使用到電感元件，主要用于平滑電流，避免產(chǎn)生較大電壓。

3 結(jié)束語

安全開關(guān)電源是煤礦井下生產(chǎn)的關(guān)鍵性設(shè)備，其安全、高效以及穩(wěn)定等特點(diǎn)，成為煤礦井下供電的重要供電電源。因此，在設(shè)計(jì)煤礦井下安全開關(guān)電源時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮到電路放電特性，研究安全開關(guān)電源技術(shù)指標(biāo)，分析電路參數(shù)，合理選擇電容和電感，確保電路安全運(yùn)行和煤礦的安全生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

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