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開關電源原理及設計范文1
關鍵詞：氣隙；RCD；離線式；變換器；電磁輻射
中圖分類號：TP212文獻標識碼：Adoi: 10.3969/j.issn.1003-6970.2011.03.039
0引 言
以往對于小于10W以下的離線式直流電源來說，在效率要求不高的地方，一般認為采用工頻變壓器加整流電路及線性穩壓電路比較合理。因為那時10W以下的工頻變壓器成本相對于開關變換器來說并不高，而線性穩壓器的半導體器件比開關電源的環路控制成本要低，至于說工頻變壓器轉換效率低的問題那是用戶的事情，研發者并不關心。而如今提倡節能環保，電子設備高度集成化，體積做得越來越小。相同功率的工頻變壓器要比開關變換器的重量（體積）大幾倍，對于原材料、人工費不斷攀升的今天來說用離線式10W小功率開關電源取代線性電源是當勿之急。
110W開關電源的設計制作要點：
1.1頻率問題
選擇工作頻率高的芯片，可以使變換器的體積減小、容性器件的容量及體積減小，PCB尺寸將減小，制作的開關電源體積自然減小，但它所帶來的缺點是對變換器的磁芯要求提高，人工纏繞變換器的難度增加，高頻磁芯不但成本高而且在國內不易購買；而選擇工作頻率過低的芯片，所制作出的開關電源其效率降低、體積增大，這不是我們所追求的。
1.2器件是否容易購買
阻容器件在電子市場上容易購買，濾波電感可以自行繞制，磁芯、控制芯片的選取上是令人郁悶的事情。對于小批量生產，為了購買到器件不得不修改合理的設計初宗，但不管怎樣，制作出性能穩定的產品才是硬道理。
1.3成本
盡量選用國產器件，以便降低成本。
設計一個離線式10W開關電源并不是一件容易的事情，因為它涉及到許多電學、磁學、安全規范方面的知識，在器件的選定上要經過反復大量的計算，試驗才能最終敲定。如何利用先人的經驗撇開繁瑣的計算快速地設計出性能穩定的開關電源，我想這是每個電路設計者所期望的。在芯片高度集成的今天，開關電源的控制、驅動、振蕩、比較等電路都集成到一個芯片里，這為對開關電源的拆分設計提供了條件。在離線式10W開關電源應用領域，芯片制造商推出多種型號的開關電源控制芯片，這些芯片雖然型號不同但在性能和使用的方式上卻雷同。THX203H是南京通華芯微電子公司制造，它性能穩定、功能多、價格低，工作頻率在60KHz左右，易于買到與之相適應的磁芯，是一款比較實用的離線式10W開關電源控制芯片。
2離線式10W開關電源基本框架說明
圖1是基于THX203H的離線式10W開關電源的基本框架。
Fuse：選用1.5A保險絲。
Bridge：選用1N4007
Cin：在VAC 85～265V時，一般認為3uF/1W，10W應選30uF/400V的電容。
R1、R2、CT：是THX203H固定搭配電路，按要求設定即可。當然CT、R2盡量選用貼片件，以減少器件的分布電感，且在PCB布線時盡量靠近THX203H。
Clamp Zener、Blocking Diode ：兩個二極管組合成箝位電路用以消除THX203H內部功率管關斷時變換器漏感儲能所引起的尖峰，當然這個電路在小于10W功率輸出時完全可以用RCD電路替代。 RCD即電阻、電容、二極管。
Clamp Zener選用P6KE200，Blocking Diode選用BYV26C。
光藕、RB、RZ：完成對開關電源輸出端的取樣、反饋。DZ可選BZX79-B4V7，RB可選39Ω。一般認為選用這種反饋電路VOUT精度較低，約為±5%，利用TL431構成的反饋電路VOUT精度更高，約為±1%。
VDB：可選1N4148，Cb可選47uF/50V。
VD：整流管，可選肖特基1N5822。
Cm：VOUT輸出5-24V，1A時選330uF/35V。VOUT輸出5-24V，2A時選1000uF/35V。這種選擇是有條件的，要求電解的ESR（等效內阻）要低。我們在市場上購得的電解性能優劣不一，所以在選定電解容量時，要比上述容量大100-200uF 比較合理。
Lf、Cf：起消除紋波作用。Lf選8-12uH，Cf選470uF/35V。
磁芯的選定[1]：有一個非常簡單的預測典型鐵氧體反激變器的能量轉換關系式，PO≈100×f×Ve(W)。這里f為工作頻率，單位為HZ，Ve鐵氧體體積單位為m3，EE25磁芯
Ve=1890×10-9m3。設f=60kHZ，則磁芯轉換出的功率PO≈11.34W。滿足10W要求。
初級線圈匝數的確定[2] ：首先確定初級線圈的電感量，10W離線式開關電源工作頻率在100KHz時，初級線圈電感量一般在1～2mH之間，我們所設計的開關電源工作頻率為60kHz，所以首先設定初級線圈電感量為2mH。氣隙的設定，氣隙就是在組裝變換器時在變換器的兩個E型磁芯之間保留一段距離，大批量生產通過研磨E型磁芯中間柱實現，小批量生產通過在E型磁芯的兩邊柱中間加墊絕緣層來實現。為了便于加工，氣隙要大于0.051mm。氣隙即不能太小也不能太大，太大會大大降低磁導率。在磁芯中加上氣隙是為了防止磁飽和。 青稞紙，防靜電、絕緣性好、耐壓性強。用0.12mm厚度的青稞紙作為氣隙絕緣層。磁芯、初級電感量、氣隙確定之后初級線圈匝數基本確定。
初級線圈要排繞、密繞、布滿整個骨架的繞線窗，留夠爬線距離。直徑0.21mm漆包線繞3層，每層40圈，實測變換器初級繞組電感量為1.9mH±0.1mH。
次級線圈、偏置繞組線圈匝數的確定：對于VOUT=5V這類開關電源匝比多設在14：1左右。現在按照14：1匝比進行設置，次級線圈的匝數為8圈。那么，次級每圈對應0.625V。偏置繞組設為9圈，則偏執繞組產生的電壓約為5.6V接近THX203H的典型供電值。如果次級還有其它繞組，只需按照 0.625V/1圈 進行推算即可。
3一款完整離線式10W開關電源電路的推薦
下面介紹一個成型電路，AC輸入電壓范圍：130V―250V；DC輸出：5V、5V、15V；第二繞組輸出電流可達1A，精度±0.2V，紋波小于30mV。第四繞組輸出電流可達200mA，電壓精度在10%以內，紋波小于30mV。
原理圖如圖2所示：
4變換器的繞制
磁芯參數：EE25，TDK PC40，骨架：10腳，立式。
4.1變換器的繞制方法
4.2變換器繞制要點
1.變換器1、2腳爬線距離大于6mm，不同繞組之間的爬線距離大于3mm，每層排繞。
2.第一繞組的電感量=19mH±0.1mH，通過調整磁芯的氣隙實現。氣隙的實現：在E型磁芯的兩端的柱上，分別加上約0.12mm厚的青稞紙。
3.PCB布線問題，器件盡量緊湊，以減少分布電容、分布電感、電磁輻射。
4.THX203H的散熱問題[3]，在THX203H的7、8腳上鋪設200mm 以上的銅箔，最好將鋪設的銅箔定義成焊盤，在焊盤上加焊錫以提高其散熱能力。
5.漆包線繞的一定要緊。如果制作的開關電源用于商品出售，變換器要浸漆，要是自用可不必浸漆。
5結論
本文介紹了離線式10W開關電源的設計制作方法，提供了一些經驗數據及相關公式，對離線式10W開關電源的設計制作要點進行了闡述。文中所用電路是經過實踐檢驗的，所選磁芯、芯片只要上網查找均可輕松查到，文中公式、數據多數是筆者查閱相關資料獲得，也有些是筆者長期工作經驗的總結。希望對此方面感興趣的朋友閱讀此文時，剔除糟粕汲取精華。
參考文獻
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開關電源原理及設計范文2
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開關電源原理及設計范文3
關鍵詞aber;反激式開關電源;仿真
中圖分類號TM359.4 文獻標識碼A文章編號1673-9671-(2010)042-0020-01
開關電源被譽為高效節能電源,它代表著穩壓電源的發展方向。目前,隨著各種新科技不斷涌現,新工藝被普遍采用,新產品層出不窮,開關電源正向小體積、高功率密度、高效率的方向發展,開關電源的保護電路日趨完善,開關電源的電磁兼容性設計及取得突破性進展,專用計算機軟件的問世為開關電源的優化設計提供了便利條件。
Saber是美國Analogy公司開發,現由Synopsys公司經營的系統仿真軟件,被譽為全球最先進的系統仿真軟件,也是唯一的多技術,多領域的系統仿真產品,現已成為混合信號、混合設計技術和驗證工具的業界標準,可用于電子、機電一體化、機械、光電、光學、控制等不同類型系統構成的混合系統仿真,與其他由電路仿真軟件相比,其具有更豐富的元件庫和更精致的仿真描述能力,仿真真實性更好。
1反激式開關電源基本原理
反激式開關電源其拓撲結構如圖1。
其電磁能量儲存與轉換關系如下
如圖2(a)當開關管導通,原邊繞組的電流Ip將線形增加,磁芯內的磁感應強度將增大到工作峰值,這時可以把變壓器看成一個電感,逐步儲能的過程。
如圖2(b)當開關管關斷,初級電流降到零。副邊整流二極管導通,感生電流將出現在復邊。從而完成能量的傳遞。按功率恒定原則,副邊繞組安匝值與原邊安匝值相等。
2基于UC3842的反激式開關電源電路設計
由Buck-Boost推演并加隔離變壓器后而得反激變換器原理線路。多數設計中采用了穩定性很好的雙環路反饋(輸出直流電壓隔離取樣反饋外回路和初級線圈充磁峰值電流取樣反饋內回路)控制系統,就可以通過開關電源的PWM(脈沖寬度調制器)迅速調整脈沖占空比,從而在每一個周期內對前一個周期的輸出電壓和初級線圈充磁峰值電流進行有效調節,達到穩定輸出電壓的目的。這種反饋控制電路的最大特點是:在輸入電壓和負載電流變化較大時,具有更快的動態響應速度,自動限制負載電流,補償電路簡單。以UC3842為控制芯片設計一款50W反激式開關電源,其原理圖如圖3所示。
2.1高頻變壓器設計
1)原邊匝數
因為作用電壓是一個方波,一個導通周期的伏秒值與原邊匝數關系如式(1)
Np=(1)
式中 Np――原邊匝數;
Vp――原邊所加直流電壓(V);
ton ――導通時間(us);
Bac――交變工作磁密(mT);
Ae――磁心有效面積(mm2)。
2)副邊繞組
由原邊繞組每匝伏數=母線電壓/原邊匝數可得
副邊繞組匝數=(輸出電壓+整流二極管壓降+繞組壓降)/原邊繞組每匝伏數
3)氣隙
實用方法:插入一個常用氣隙,例如0.5mm,使電源工作起來在原邊串入電流探頭。注意電流波形的斜率,并調整氣隙達到所要求的斜率。
也可用式(2)計算氣隙。
lg=(2)
式中lg ――氣隙長度(mm);
u0 ――4n×107;
Np――原邊匝數;
Lp――原邊電感;
Ae ――磁心面積(mm2)。
2.2反饋環節
圖3中反饋環節由光耦PC817和TL431組成,適用于電流控制模式。輸出電壓精度1%。電壓反饋信號經分壓網絡引入TL431的Ref段,裝換為電流反饋信號,經過光耦隔離后輸入UC3842的控制段。
TL431是由美國德州儀器生產的2.5V-36V可調式精密并聯穩壓器。內有參考電壓2.5V,它與參考端一起控制內部的比較放大器。在輸出陰極和參考端可加反饋網絡,影響整個開關電源的動態品質特性。
2.3控制芯片電路
UC3842由4腳外接RC生成穩定的振蕩波形,振蕩頻率=1.8/R12×C15。6腳輸出驅動脈沖,驅動MOSFET在導通和截至之間工作。8腳提供一個穩定的5V基準源。
3Saber電路仿真
利用 Saber 軟件進行仿真分析主要有兩種途徑,一種是基于原理圖進行仿真分析,另一種是基于網表進行仿真分析。基于原理圖進行仿真分析的基本過程如下:
1)在Saber Sketch中完成原理圖錄入工作;
2)然后使用net list命令為原理圖產生相應的網表;
3)在使用simulate命令將原理圖所對應的網表文件加載到仿真器中,同時在Sketch中啟動Saber Guide界面;
4)在Saber Guide界面下設置所需要的仿真分析環境,并啟動仿真;
5)仿真結束以后利用Cosmos Scope工具對仿真結果進行分析處理。
在這種方法中,需要使用Saber Sketch和Cosmos Scope兩個工具,但從原理圖開始,比較直觀。所以,多數Saber的使用者都采用這種方法進行仿真分析。但它有一個不好的地方就是仿真分析設置和結果觀察在兩個工具中進行,在需要反復修改測試的情況下,需要在兩個窗口間來回切換,比較麻煩。
4系統仿真及實測
在Saber Sketch中完成原理圖。并進行DC/AC分析。
如圖4(a)為開關電源在220V交流輸入時的MOSFET驅動電壓波形仿真結果(b)為實測樣機MOSFET驅動電壓波形。作為專業級開關電源仿真軟件,Saber在控制環路設計上,能夠真實且直觀的檢驗設計的穩定性。
如圖5(a)為開關電源電流采樣電阻上的電壓波形的仿真結果(b)為實測波形。涉及開關電源部分器件選型的重要參數也同樣可以通過仿真波形得到,例如開關器件MOSFET額定工作時通態最大電流等參數,同樣可以從仿真波形中得出。
5結束語
在電路設計初期,借用Saber的電路級仿真可以很直觀的對開關電源電路設計進行的評估,并在控制環路的設計上會有很大的幫助。在完成樣機的初步測試后,同樣可以借助仿真對電路功能進行校驗。該電路廣泛應用于小功率場合,具有體積小,成本低,結構簡單等優點。
(a)仿真(b)實測
圖4MOSFET驅動電壓波形
(a)仿真 (b)實測
圖5電流采樣電阻電壓波形
測試結果(圖5b)為220V,50Hz交流輸入時,實驗樣機測試波形。
參考文獻
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開關電源原理及設計范文4
【關鍵詞】DX系列中波發射機；開關電源；+24V非穩壓電源組件
1.引言
電源是各種電子設備必不可少的重要組成部分，其性能優劣直接關系到整個系統的安全性和可靠性指標。而開關電源是目前應用最為廣泛地一種電源裝置，開關電源以其損耗低、效率高、電路簡潔顯著優點而受到人們的青睞，并廣泛地應用于計算機、電子設備、儀器儀表、通信設備和家用電器中。
輸出穩定性決定電源成敗。電源除了我們最關心的額定功率，以及可直接感觸到的靜音、散熱等外部特征因素外，轉換效率也越來越備受重視，但是，電壓穩定性和輸出紋波更能反應一個電源的品質。
2.開關電源基本原理
2.1 開關電源的工作原理
開關電源的工作原理可以簡單的用圖1進行說明。圖1中輸入的直流不穩定電壓經開關S加至輸出端，S為受控開關，是一個受開關脈沖控制的開關調整管，若使開關S按要求改變導通或者斷開時間，就能把輸入的直流電壓變成矩形脈沖電壓。這個脈沖電壓經濾波電路進行平滑濾波后就可得到穩定的直流輸出電壓。
為了便于分析，定義脈沖占空比如下：
式中，T表示開關S的開關重復周期；表示開關S在一個開關周期中的導通時間。開關電源直流輸出電壓與輸入電壓之間有如下關系式：
由上面兩個關系式可以看出，若開關周期T一定，改變開關S的導通時間，即可改變脈沖占空比D，從而達到調節輸出電壓的目的。T不變，只改變來實現占空比調節的穩壓方式叫做脈沖寬度調制（PWM）。由于PWM式的開關頻率固定，輸出濾波電路比較容易設計，易實現最優化，因此PWM式開關電源用的較多，本文中所提到的開關電源就屬于PWM式開關電源。
2.2 開關電源的組成
開關電源的組成圖2所示。其中DC/DC變換器用以進行功率變換，它是開關電源的核心部分；驅動器是開關信號的放大部分，對來自信號源的開關信號進行放大和整形，以適應開關管的驅動要求；信號源產生控制信號，該信號由它激或者自激電路產生，可以使PWM信號、PFM信號或者其它信號；比較放大器對給定信號和輸出反饋信號進行比較運算，控制開關信號的幅值、頻率、波形等，通過驅動器控制開關器件的占空比，已達到穩定輸出電壓的目的。除此之外，開關電源還有輔助電路，包括啟動、過流過壓保護、輸入濾波、輸出采樣、功能指示等電路。
3.分立的+24V非穩壓電源組件
電源性能的優劣直接關系到電子設備的技術指標及能否安全可靠地工作，傳統的電源主要以線性電源為主，其工作過程為：將工頻電網電壓經過線性變壓器降壓以后，再經過整流、濾波和線性穩壓，最后輸出一組紋波電壓和穩定度均符合要求的直流電壓。這種電源的優點是：⑴電源穩定度和負載穩定度較高；⑵輸出紋波電壓較小；⑶瞬態響應速度快；⑷線路結構簡單。這種電源的缺點是：⑴功耗非常大、效率比較低，效率一般只有45%左右；⑵重量非常重、體積龐大；⑶必須使用較大容量的濾波電容；⑷輸入電壓動態范圍小；⑸輸出電壓調整麻煩，并且通過改變線性變壓器初級線圈匝數，僅能步進調整輸出電壓。
DX系列中波發射機中使用了一種分立的+24V非穩壓電源組件，它僅由一個美國Acme電氣公司線性變壓器（500B24HA）、一個橋式整流器（GBPC5002）及一只濾波電解電容器（33000μF/50VDC）組成。該電源組件的輸入端為工頻電網220V電壓，輸出端為標稱的+24V非穩壓電源，通過改變輸入端的連接抽頭，可以適當改變輸出端的非穩壓電壓范圍。在DX系列發射機單個功放單元（簡稱PB）中，這種+24V非穩壓電源組件的輸出送至低壓電源板，經低壓電源板穩壓后提供給發射機可編程邏輯控制器（簡稱為PLC）、緩沖放大器、大部分板卡+18V/-18V/+8V的工作電源；在DX系列發射機并機網絡中，這種+24V非穩壓電源組件的輸出分別送至低壓電源板，經低壓電源板穩壓后提供給發射機合成器單元觸摸屏（簡稱為MMI）、PLC、所有模式/輔助接觸器、大部分板卡的工作電源。其供電情況圖如圖3所示。
在實際應用中，除了線性電源固有的缺點外，美國哈里斯公司設計人員未認真考慮每一部分所需要電源的實際額定功率情況，而是統一采用這種+24V非穩壓電源組件；并且對于一些關鍵部位仍然采用+24V非穩壓供電，不利于其穩定可靠運行；這種分立元件組成的非穩壓電源，由于元器件老化或變質，極易出現噪聲大、輸出直流電壓不穩定等毛病。鑒于以上不足，筆者提出利用目前市場上廣泛使用的開關電源代替傳統的線性非穩壓電源的技改方案。
4.技改及應用情況
開關電源是近代普遍推廣的穩壓電源，其主要特點有：⑴內部功率損耗小，轉換效率高，一般可達90%以上；⑵體積小，重量輕；⑶穩壓范圍寬，輸出電壓在一定范圍連續可調；⑷濾波效率大為提高；⑸安全可靠，內部具有各種形式的保護電路，當電源負載出現故障時，能自動切斷電源，保障其功能可靠。
4.1 開關電源的選型
首先，確定選擇專業電源供應商的臺灣明緯公司的開關電源。其次，根據電壓和電流范圍，進一步確定所需開關電源的額定功率。下面以DX系列中波發射機并機合成器控制單元和發射機控制單元的開關電源選型為例進行說明。根據實際電路，通過測試，得到各自+24V非穩壓電源組件輸出的總功率如表1所示。由表1可以看出，發射機并機發射機控制單元最大總輸出功率為69.96W，發射機并機合成器控制單元最大總輸出功率為42.408W，因為開關電源的功率比較足，但是為了延長開關電源的使用壽命，一般要選擇多30%以上輸出功率的開關電源。查詢臺灣明緯公司的開關電源產品，根據實際冗余量的需要，最終選擇SDR-120-24開關電源代替發射機并機合成器控制單元中+24V非穩壓電源組件，選擇SDR-240-24開關電源代替發射機并機發射機控制單元中+24V非穩壓電源組件。
這兩款開關電源均是單組輸出導軌型具功率因素校正（簡稱為PFC）功能的開關電源，它們內部原理方框圖如圖4所示。該系列開關電源峰值功率可達150%額定輸出功率，輸出電壓連續可調且調整范圍寬，同時內部含低壓保護、過載保護、過壓保護、過流保護等多種保護電路。
4.2 開關電源的安裝
由于相比+24V非穩壓電源組件而言，開關電源的體積大大減小、重量大大減輕，所以在拆除+24V非穩壓電源組件之后，再安裝開關電源及其簡便。安裝時，事先將標準的35mm鋁合金外卡導軌固定在機箱殼體上，然后將這種導軌型開關電源安裝在導軌上即可。這種導軌型開關電源與普通的開關電源相比，除了安裝方式不同之外，沒有任何區別。
為了達到充分散熱的目的，一般開關電源宜安裝在空氣對流條件較好的位置或者安裝在機箱殼體上，通過機箱殼體將熱傳達出去。由于設計中僅通過自然風冷卻，為了進一步提高冷卻效果，筆者還自行加裝了一個40W的排風扇，以利開關電源散熱，延長其使用壽命。改造前后的安裝效果圖如圖5所示。
4.3 開關電源的應用效果
在DX系列中波發射機中，+24V非穩壓電源組件的地位非常重要，它幾乎提供了所有板卡的工作電源，以及PLC工作電源、觸摸屏工作電源、模式/輔助接觸器直流馬達工作電源等等。這個+24V電源輸出電壓的不穩定，必將造成對發射機設備或者器件或大或小的影響。比如，對于直流+24V供電的PLC而言，原則上應采用直流穩壓電源供電。因為普通的整流濾波電源，由于紋波的影響，容易使PLC接收到錯誤信息。一般不能使用僅通過單相式橋式整流的直流電源直接對PLC進行供電。在系統組成較復雜時，應使用獨立的穩壓電源單獨對PLC供電。然后，DX系列中波發射機原設計直流+24V供電的PLC電源卻為單相式橋式整流的非穩壓電源，設計中存在明顯缺陷。經過技術改造之后，電源系統的質量得以明顯改善，可以從以下兩個方面進行說明：
⑴輸出紋波。電源輸出的直流電壓是通過將交流電壓整流濾波轉換而來，那么在直流輸出中就不可避免地含有交流成分或者周期性的雜波信號，這就是我們所說的輸出紋波，紋波越小，電源品質越優秀。紋波是非常難以遏制的，電流越大，產生的紋波越大。紋波會帶來的危害有：降低轉換效率；形成浪涌；帶來紋波噪音。而采用含功率因素校正功能的開關電源，紋波極小，明顯好于普通電源。圖6所示為+24V非穩壓電源組件和開關電源空載時輸出電壓波形，從圖6中明顯看出開關電源產生的紋波遠遠好于+24V非穩壓電源組件。
⑵電壓穩定性。電壓穩定性是電源最重要的品質之一，很多燒毀硬件的事故都是由于電壓穩定性差（電壓偏移幅度過大）造成的。實際電壓與標準電壓的偏移值越小，表示電壓穩定性越好。電壓穩定性的問題其實就是交叉負載能力，交叉負載表征的是電源在各種負載配比下各路電壓能否保持穩定的能力。經出廠測試，+24V非穩壓電源組件空載輸出電壓為31.0V，半載輸出電壓為28.4V，滿載輸出電壓為26.7V，可知其電壓穩定性較差。表2所示為+24V非穩壓電源組件和開關電源分別在兩種不同狀態時電壓偏移情況，從表中明顯看出開關電源的電壓穩定性遠遠好于+24V非穩壓電源組件。
5.結束語
開關電源具有高效、穩定、可靠的特點，并且屬于免維護器件，在實際應用中，取得了良好的效果。經過改造后，也節省了安裝空間，根據需要還可以設計備份冗余+24V開關電源，實現雙電源并聯供電，提高發射機供電的可靠性。
參考文獻
開關電源原理及設計范文5
1 引言
隨著PWM技術的不斷發展和完善，開關電源得到了廣泛的應用，以往開關電源的設計通常采用控制電路與功率管相分離的拓撲結構，但這種方案存在成本高、系統可靠性低等問題。美國功率集成公司?POWER Integration Inc?開發的TOP Switch系列新型智能高頻開關電源集成芯片解決了這些問題，該系列芯片將自啟動電路、功率開關管、PWM控制電路及保護電路等集成在一起，從而提高了電源的效率，簡化了開關電源的設計和新產品的開發，使開關電源發展到一個新的時代。文中介紹了一種用TOP Switch的第三代產品TOP249Y開發變頻器用多路輸出開關電源的設計方法。
2 TOP249Y引腳功能和內部結構
2．1 TOP249Y的管腳功能
TOP249Y采用TO－220－7C封裝形式，其外形如圖1所示。它有六個管腳，依次為控制端C、線路檢測端L、極限電源設定端X、源極S、開關頻率選擇端F和漏極D。各管腳的具體功能如下：
控制端C：誤差放大電路和反饋電流的輸入端。在正常工作時，利用控制電流IC的大小可調節占空比，并可由內部并聯調整器提供內部偏流。系統關閉時，利用該端可激發輸入電流，同時該端也是旁路、自動重啟和補償電容的連接點。
線路檢測端L：輸入電壓的欠壓與過壓檢測端，同時具有遠程遙控功能。TOP249Y的欠壓電流IUV為50μA，過壓電流Iav為225μA。若L端與輸入端接入的電阻R1為1MΩ，則欠壓保護值為50VDC，過壓保護值為225VDC。
極限電流設定端X：外部電流設定調整端。若在X端與源極之間接入不同的電阻，則開關電流可限定在不同的數值，隨著接入電阻阻值的增大，開關允許流過的電流將變小。
源極S：連接內部MOSFET的源極，是初級電路的公共點和電源回流基準點。
開關頻率選擇端F：當F端接到源極時，其開關頻率為132kHz，而當F端接到控制端時，其開關頻率變為原頻率的一半，即66kHz。
漏極D：連接內部MOSFET的漏極，在啟動時可通過內部高壓開關電流提供內部偏置電流。
2．2 TOP249Y的內部結構
TOP249Y的內部工作原理框圖如圖2所示，該電路主要由控制電壓源、帶隙基準電壓源、振蕩器、并聯調整器／誤差放大器、脈寬調制器（PWM）、門驅動級和輸出級、過流保護電路、過熱保護電路、關斷／自動重起動電路及高壓電流源等部分組成。
3 基于TOP249Y的開關電源設計
筆者利用TOP249Y設計了一種新型多路輸出開關電源，其三路輸出分別為5V／10A、12．5V／4A、7V／10A，電路原理如圖3所示。該電源設計的要求為：輸入電壓范圍為交流110V～240V，輸出總功率為180W。由此可見，選擇TOP249Y能夠滿足要求。
3．1 外圍控制電路設計
該電路將X與S端短接可將TOP249Y的極限電流設置為內部最大值；而將F端與S端短接可將TOP249Y設為全頻工作方式，開關頻率為132kHz。
圖2
在線路檢測端L與直流輸入Ui端連接一2MΩ的電阻R1可進行線路檢測，由于TOP249Y的欠壓電流IUV為50μA，過壓電流Iav為225μA，因此其欠壓保護工作電壓為100V，過壓保護工作電壓為450V，即TOP249Y在本電路中的直流電壓范圍為100～450V，一旦超出了該電壓范圍，TOP249Y將自動關閉。
3．2 穩壓反饋電路設計
反饋回路的形式由輸出電壓的精度決定，本電源采用“光耦＋TL431”，它可以將輸出電壓變化控制在±1％以內，反饋電壓由5V／12A輸出端取樣。電壓反饋信號U0通過電阻分壓器R9、R11獲得取樣電壓后，將與TL431中的2．5V基準電壓進行比較并輸出誤差電壓，然后通過光耦改變TOP249Y的控制端電流IC，再通過改變占空比來調節輸出電壓U0使其保持不變。光耦的另一作用是對冷地和熱地進行隔離。反饋繞組的輸出電壓經D2、C2整流濾波后，可給光耦中的接收管提供電壓。R4、C4構成的尖峰電壓經濾波后可使偏置電壓即使在負載較重時，也能保持穩定，調節電阻R6可改變輸出電壓的大小。
3．3 高頻變壓器設計
由于該電源的輸出功率較大，因此高頻變壓器的漏感應盡量小，一般應選用能夠滿足132kHz開關頻率的錳鋅鐵氧體，為便于繞制，磁芯形狀可選用EI或EE型，變壓器的初、次級繞組應相間繞制。
高頻變壓器的設計由于要考慮大量的相互關聯變量，因此計算較為復雜，為減輕設計者的工作量，美國功率公司為TOP Switch開關電源的高頻變壓器設計制作了一套EXCEL電子表格，設計者可以方便地應用電子表格設計高頻變壓器。
3．4 次級輸出電路設計
輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構成。整流二極管選用肖特基二極管可降低損耗并消除輸出電壓的紋波，但肖特基二極管應加上功率較大的散熱器；電容器一般應選擇低ESR?等效串聯阻抗?的電容。為提高輸出電壓的濾波效果，濾除開關所產生的噪聲，在整流濾波環節的后面通常應再加一級LCC濾波環節。
3．5 保護電路設計
本電源除了電源控制電路TOP249Y本身所具備的欠壓、過壓、過熱、過流等保護措施外，其外圍控制電路也應有一定的保護措施。用D3、R12、Q1可構成一個5．5V的過壓檢測保護電路。這樣，當5V輸出電壓超過5．5V時，D3擊穿使Q1導通，從而使光耦電流增大，進而增大了控制電路TOP249Y的控制端電流IC，最后通過內部調節即可使輸出電壓下降到安全值。
圖3
為防止在開關周期內，TOP249Y關斷時漏感產生的尖峰電壓使TOP249Y損壞，電路中設計了由箝壓齊納管VR1、阻斷二極管D1、電容C5、電阻R2、R3組成的緩沖保護網絡。該網絡在正常工作時，VR1上的損耗很小，漏磁能量主要由R2和R3承擔；而在啟動或過載時，VR1即會限制內部MOSFET的漏極電壓，以使其總是處于700V以下。
4 電源性能測試及結果分析
根據以上設計方法，筆者對采用TOP249Y設計的多路輸出開關電源的性能進行了測試。實測結果表明，該電源工作在滿載狀態時，電源工作的最大占空比約為0．4，電源的效率約為90％，紋波電壓控制、電壓調節精度及電源工作效率都超過了以往采用控制電路與功率開關管相分立的拓撲結構形式的開關電源。
開關電源原理及設計范文6
[關鍵詞]開關電源 電磁干擾 抑制措施 改進措施
開關電源EMI（Electro magnetic Interference），就是通過用電子線路組成開關式（方波）震蕩電路來達到對電能的轉換。這種方式有好多優點，一是穩壓范圍寬，在一定范圍內輸出電壓與輸入電壓變化無關，電腦電源可以在80V～240V都可以正常工作，是其它方式電源無法比擬的。二是效率高，由于采用開關震蕩工作方式，熱損耗特別少，發熱低。三是結構簡單，相對于其它相同功率的電源，開關電源的體積與重量要少得多。因此，在眾多的電子設備中，開關式電源已經是相當普遍。隨著開關電源應用領域的不斷擴大，其電磁干擾已成為一個很嚴重的問題，開關電源的功率管工作在非線性條件下，采用脈寬調制（PWM）開關控制方式，加之開關頻率的不斷提高，使得電磁干擾越來越突出，對電網造成污染。因干擾的存在，輸入電源的電網受到了干擾，影響到其它設備，使其不能正常的工作，也影響到電網的供電質量。所以，尋找干擾抑制的方法是很必要的。這里分析與比較了幾種有效的方案，并為開關電源EMI的抑制措施提出新的參考建議。
一、開關電源電磁干擾的產生機理
開關電源首先將工頻交流電整流為直流電，然后經過開關管的控制變為高頻，最后經過整流濾波電路輸出，得到穩定的直流電壓。因此，自身含有大量的諧波干擾。同時，由于變壓器的漏感和輸出二極管的反向恢復電流造成的尖峰，都會產生不同程度的電磁干擾。開關電源中的干擾主要集中在電壓、電流變化大（即dv/dt或di/dt很大）的元器件上，尤其是開關管、輸出二極管和高頻變壓器等。同時，雜散電容會將電網的噪聲傳導到電子系統的電源而對電子線路的工作產生干擾。開關電源產生的干擾,按噪聲干擾源種類來分,可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種;若按耦合通路來分,可分為傳導干擾和輻射干擾兩種。現在按噪聲干擾源來分別說明:
1.二極管的反向恢復時間引起的干擾;
2.開關管工作時產生的諧波干擾;
3.交流輸入回路產生的干擾;
4.其他原因。
元器件的寄生參數，開關電源的原理圖設計不夠完美，印刷線路板（PCB）走線通常采用手工布置，具有很大的隨意性，PCB的近場干擾大，并且印刷板上器件的安裝、放置，以及方位的不合理都會造成EMI干擾。
二、開關電源EMI的特點
作為工作于開關狀態的能量轉換裝置，開關電源的電壓、電流變化率很高，產生的干擾強度較大；干擾源主要集中在功率開關期間以及與之相連的散熱器和高平變壓器，相對于數字電路干擾源的位置較為清楚；開關頻率不高（從幾十千赫和數兆赫茲），主要的干擾形式是傳導干擾和近場干擾;而印刷線路板(PCB)走線通常采用手工布線，具有更大的隨意性,這增加了PCB分布參數的提取和近場干擾估計的難度。
三、目前抑制干擾的幾種措施
形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設備。因此，抑制電磁干擾也應該從這三方面著手。首先應該抑制干擾源，直接消除干擾原因;其次是消除干擾源和受擾設備之間的耦合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑;第三是提高受擾設備的抗擾能力,減低其對噪聲的敏感度。目前抑制干擾的幾種措施基本上都是用切斷電磁干擾源和受擾設備之間的耦合通道，它們的確是行之有效的辦法。常用的方法是屏蔽、接地和濾波。
1.采用屏蔽技術可以有效地抑制開關電源的電磁輻射干擾。系統中的安全保護地線、屏蔽接地線和公共參考地線各自形成接地母線后,最終都與大地相連。
在電路系統設計中應遵循“一點接地”的原則。如果形成多點接地，會出現閉合的接地環路，當磁力線穿過該回路時將產生磁感應噪聲，實際上很難實現“一點接地”。因此，為降低接地阻抗，消除分布電容的影響而采取平面式或多點接地，利用一個導電平面(底板或多層印制板電路的導電平面層等)作為參考地，需要接地的各部分就近接到該參考地上。為進一步減小接地回路的壓降，可用旁路電容減少返回電流的幅值。在低頻和高頻共存的電路系統中，應分別將低頻電路、高頻電路、功率電路的地線單獨連接后，再連接到公共參考點上。
2.濾波是抑制傳導干擾的一種很好的辦法。例如,在電源輸入端接上濾波器，可以抑制開關電源產生并向電網反饋的干擾，也可以抑制來自電網的噪聲對電源本身的侵害。在濾波電路中,還采用很多專用的濾波元件，如穿心電容器、三端電容器、鐵氧體磁環，它們能夠改善電路的濾波特性。恰當地設計或選擇濾波器，并正確地安裝和使用濾波器，是抗干擾技術的重要組成部分。
EMI濾波技術是一種抑制尖脈沖干擾的有效措施，可以濾除多種原因產生的傳導干擾。測試表明，只要適當選擇元器件的參數，便可較好地抑制開關電源產生的傳導干擾。
四、目前開關電源EMI抑制措施的不足之處
現有的抑制措施大多從消除干擾源和受擾設備之間的耦合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑出發。這的確是抑制干擾的一種行之有效的辦法，但很少有人涉及直接控制干擾源，消除干擾，或提高受擾設備的抗擾能力。殊不知后者還有許多發展的空間。
五、改進措施的建議
我認為目前從電磁干擾的傳播途徑出發來抑制干擾，已漸進成熟。我的視點要回到開關電源器件本身來，在電路方面要注意以下幾點:
1.印制板布局時,要將模擬電路區和數字電路區合理地分開，電源和地線單獨引出，電源供給處匯集到一點;PCB布線時，高頻數字信號線要用短線，主要信號線最好集中在PCB板中心，同時電源線盡可能遠離高頻數字信號線或用地線隔開。其次，根據印制線路經電流的大小，應盡量加粗電源線寬度，減少環路電阻。再次，可以根據耦合系數來布線，盡量減少干擾耦合。
2.印制板的電源線和地線印制條盡可能寬，以減小線阻抗，從而減小公共阻抗引起的干擾噪聲。
3.器件多選用貼片元件和盡可能縮短元件的引腳長度，以減小元件分布電感的影響。
4.在Vdd及Vcc電源端盡可能靠近器件接入濾波電容，以縮短開關電流的流通途徑，如用10μF鋁電解和0.1μF電容并聯接在電源腳上。對于高速數字IC的電源端可以用鉭電解電容代替鋁電解電容，因為鉭電解的對地阻抗比鋁電解小得多。
六、結論
產生開關電源電磁干擾的因素還很多，抑制電磁干擾還有大量的工作。全面抑制開關電源的各種噪聲會使開關電源得到更廣泛的應用。
參考文獻:
