開關(guān)電源的設(shè)計與原理精選(九篇)

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第1篇：開關(guān)電源的設(shè)計與原理范文

關(guān)鍵詞 電源管理系統(tǒng)；PMS；安全生產(chǎn)

中圖分類號 TP3 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）172-0211-03

流花11-1油田位于南中國海珠江口外海海域，距香港東南約220km，水深約310m左右。平臺電站由3臺進口小功率機組和一臺大功率國產(chǎn)機組并網(wǎng)供電，對運維人員來說，保持電站平穩(wěn)運轉(zhuǎn)具有很大的挑戰(zhàn)性。

流花11-1FPS電站電源管理系統(tǒng)（PMS）由發(fā)電機組PLC控制系統(tǒng)，與VSD PLC系統(tǒng)，鉆機SCR PLC和集成在FPS生產(chǎn)控制系統(tǒng)（FCS）的電源管理PLC組成，實現(xiàn)對平臺現(xiàn)有電源管理功能。

電站電源管理系統(tǒng)（PMS）要切實保障油田電站正常生產(chǎn)和生活用電的需求，所以必須滿足以下條件：

1）確保人身安全和設(shè)備安全。

2）確保持續(xù)供電和可靠性供電。

3）確保電能質(zhì)量和減少能源浪費。

4）盡可能做到節(jié)能減排，提高能源效率。

油田電站安全可靠運行、提供優(yōu)質(zhì)電能和提高電能經(jīng)濟性，是PMS系統(tǒng)建設(shè)和運營的一項最基本任務(wù)。

1 設(shè)計原則

流花11-1FPS電站PMS系統(tǒng)按照以下原則進行設(shè)計：

1）符合國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)規(guī)定，嚴(yán)格按照國家或者國際及行業(yè)最新規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求

2）性價比高，系統(tǒng)具有較高的性能價格比，使管道以最低的運行成本、最優(yōu)的工況正常運行。

3）技術(shù)先進，功能強大，系統(tǒng)采用羅克韋爾自動化公司軟硬件產(chǎn)品進行開發(fā)，其產(chǎn)品在工業(yè)應(yīng)用中已被證明是成熟的產(chǎn)品。系統(tǒng)具有強大的人機對話能力，能滿足各種現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境下的連續(xù)監(jiān)控的功能。

4）系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠。PMS系統(tǒng)的PLC控制器、控制電源、I/O系統(tǒng)、HMI等都采用冗余的架構(gòu)，重復(fù)利用率可達到99.99%，當(dāng)某一節(jié)點發(fā)生故障時，可自動進行切換，電站系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠的運行。

5）可擴展性強，硬件是模塊化的，允許將來在容量和功能上的擴展。

2 硬件架構(gòu)（圖1）

流花11-1FPS電站PMS系統(tǒng)控制系統(tǒng)硬件采用A-BPLC的ControlLogix系統(tǒng)，ControlLogix系統(tǒng)封裝外形小，不僅可提供離散、驅(qū)動、過程和安全控制，還具有可靠的通信功能和最先進的I/O，系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，使開發(fā)者能高效的進行設(shè)計、構(gòu)建和修改，從而大幅節(jié)省培訓(xùn)和工程設(shè)計成本。

2.1 過程信號采集

系統(tǒng)輸入信號：

1）發(fā)電機輸出功率。

2）發(fā)電機組出線斷路器狀態(tài)。

3）4160V A/B段母線頻率。

4）ESP，生產(chǎn)管匯及測試管匯運行優(yōu)先權(quán)數(shù)據(jù)。

5）鉆/修井工況時，SCR系統(tǒng)斜率控制和相位控制。系統(tǒng)輸出參數(shù)：

1）以百分比柱狀圖形顯示的發(fā)電機功率。

2）VSD/ESP運行功率。

3）發(fā)電機組接入和停機提示信號。

4）系統(tǒng)錯誤，事件及故障報警信號及打印。

5）鉆機SCR系統(tǒng)模擬相控信號。

6）ESP/VSD 速度降低至預(yù)設(shè)低頻信號。

2.2 軟硬件配置

PMS系統(tǒng)的硬件要求配置如下：

1）ControlLogix系統(tǒng)采用雙環(huán)ControlNet網(wǎng)絡(luò)。

2）CPU采用冗余配置。

3）各控制子站的交換機網(wǎng)絡(luò)采用冗余環(huán)網(wǎng)架構(gòu)。

4）由不間斷電源供電（即UPS），信號電源采用獨立的DV24V電源供電。

5）DO信號輸出的繼電器需確?？煽啃?。

6）HMI服務(wù)器由主服務(wù)器和備用服務(wù)器構(gòu)成。

7）PLC程序基于RSLogix5000開發(fā)，上位機基于FactoryTalk View Studio開發(fā)。

3 系統(tǒng)功能（圖2）

3.1 電源管理及負荷分配

PMS系統(tǒng)與5臺機組通過以太網(wǎng)通訊交換數(shù)據(jù)，包括有功功率、無功功率、頻率、電壓等。并根據(jù)不同的在線發(fā)電機配置，PMS系統(tǒng)可與發(fā)電機的調(diào)速器和AVR協(xié)調(diào)工作，并實現(xiàn)以下功能。

1）有功功率和無功功率分配控制：在電站中發(fā)生負荷波動時，為了防止個別發(fā)電機的頻率和電壓可能會接近其PQ圖的邊界，此時PMS系統(tǒng)將分配各發(fā)電機組之間的出力，以提高系統(tǒng)在擾動下的穩(wěn)定性。

2）功率需量和功率因數(shù)控制：PMS系統(tǒng)會實時各發(fā)電機相對于母線的輸入/輸出功率，并計算功率差額。然后根據(jù)功率因數(shù)的范圍，在滿足發(fā)電機基本出力的前提下，調(diào)整AVR控制無功功率輸出，以維持系統(tǒng)的功率因數(shù)在合理范圍內(nèi)。

3）母線頻率和電壓控制：當(dāng)電站負荷發(fā)生變化時，系統(tǒng)調(diào)整發(fā)電機輸出的有功功率和無功功率，以維系電站的頻率和電壓穩(wěn)定。

3.2 負荷優(yōu)先脫扣

PMS系統(tǒng)會實時監(jiān)測電站電氣設(shè)備的狀態(tài)，如發(fā)電機的出力、負載消耗的功率以及斷路器的狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)檢測到發(fā)電機斷路器跳閘，則會根據(jù)預(yù)計算的能量平衡結(jié)果，如果超過了電站所能承受的最大出力，則切除部分負荷，以確保電站發(fā)電機平穩(wěn)運行。

優(yōu)先脫扣系統(tǒng)可設(shè)置多個優(yōu)先級，由運行人員預(yù)先定義。在系統(tǒng)中針對不同的優(yōu)先脫扣觸發(fā)條件，形成一個優(yōu)先級別卸載表，當(dāng)優(yōu)先脫扣觸發(fā)后，將系統(tǒng)計算得到的卸載級別與優(yōu)先級別表對比后，發(fā)出卸載指令，卸載時間在80ms以內(nèi)。

3.3 重載啟動時負荷的保證及分配

一些重載設(shè)備（大負載）都可在HMI上設(shè)定額定負載及啟動沖擊系數(shù)。系統(tǒng)根據(jù)機組剩余功率、要啟動的重載設(shè)備額定功率及啟動沖擊系數(shù)，實時計算發(fā)電機功率余量，以判斷此重載能否啟動。重載啟動后，機組按照前述負荷分配模式自動分配負荷。

3.4 斷路器的控制及自動同步控制

斷路器與控制系統(tǒng)之間通過硬接線，連接斷路器狀態(tài)、手車位置、分合閘指令等信號，實現(xiàn)包含基本的狀態(tài)監(jiān)視、控制等功能。當(dāng)進行發(fā)電機并車時，系統(tǒng)會判斷邏輯條件，發(fā)出發(fā)電機斷路器合閘指令，并最終由同期裝置完成并車。

3.5 備用發(fā)電機組自啟動控制

當(dāng)在線機組發(fā)生故障停機，或過載，過流，過壓，低頻等極限情況時，處于備用狀態(tài)的機組自動啟動。

3.6 電站監(jiān)控和報警系統(tǒng)

系統(tǒng)監(jiān)視整個電站主要電氣設(shè)備的狀態(tài)和運行參數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)報警時，會有多種報警提醒方式，包括蜂鳴器，指示燈，旋轉(zhuǎn)報警燈，同時HMI上會有詳細的報警信息文字。

4 關(guān)鍵技術(shù)問題介紹

4.1 發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制技術(shù)

發(fā)電機的調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)頻器的作用在于，當(dāng)發(fā)電機的負荷發(fā)生改變時，手動或者自動的操作調(diào)頻器，使發(fā)電機的靜態(tài)特性發(fā)生改變。如果負荷變動時，調(diào)速系統(tǒng)使原動機的轉(zhuǎn)速保持不變，則稱之為無差調(diào)節(jié)（Isoch）；而如果負荷變動時，原動機的轉(zhuǎn)速隨著負荷增大而降低，則稱之為有差調(diào)節(jié)（Droop）。多臺發(fā)電機并列運行時，為了實現(xiàn)對其調(diào)節(jié)的有效性及避免系統(tǒng)震蕩，都會采用單機Droop模式運行，調(diào)速系統(tǒng)完成部分調(diào)速任務(wù)，剩下的由機組控制系統(tǒng)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無差調(diào)整。

4.2 發(fā)電機頻率調(diào)整策略

區(qū)域發(fā)電機組頻率調(diào)節(jié)時，可分為按頻率偏差調(diào)整、按交換頻率偏差調(diào)整和按頻率和交換功率偏差調(diào)整三種。按頻率偏差調(diào)整時，只能保證系統(tǒng)頻率不變，不能控制聯(lián)絡(luò)線上流通的功率；按交換功率偏差調(diào)整時，只能保證聯(lián)絡(luò)線上的交換功率不變，而不能控制系統(tǒng)的頻率。只有按頻率和交換功率偏差調(diào)整時，才可以保證區(qū)域范圍內(nèi)功率的就地平衡。在PMS系統(tǒng)，對影響發(fā)電機頻率的各個調(diào)整因素進行邏輯排序，當(dāng)發(fā)電機的頻率和對電站的有功貢獻發(fā)生偏差時，便對其進行相應(yīng)調(diào)整。

5 結(jié)論

流花11-1FPS電站PMS系統(tǒng)自投入運行以來，系統(tǒng)運行效果良好，給整個電站提供了完整的安穩(wěn)策略，極大地減少了故障停產(chǎn)的損失，取得了顯著的經(jīng)濟效益，為整個油田安全穩(wěn)定生產(chǎn)提供了可靠的保障。

參考文獻

[1]高健.淺談海上電網(wǎng)優(yōu)先脫扣系統(tǒng)控制方法[J].通訊世界，2016（1）：174-175.

[2]劉新天.電源管理系統(tǒng)設(shè)計及參數(shù)估計策略研究[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011.

第2篇：開關(guān)電源的設(shè)計與原理范文

關(guān)鍵詞：繼電保護裝置；工作原理；故障分析；驗證

本文從開關(guān)電源的原理入手，以測試的角度，對兩種有故障的電源模塊通過試驗再現(xiàn)其故障現(xiàn)象，并分析了其故障原因，最后對改進后的開關(guān)電源進行了對比驗證。

1開關(guān)電源工作原理

用半導(dǎo)體功率器件作為開關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪恍螒B(tài)，用閉環(huán)控制穩(wěn)定輸出，并有保護環(huán)節(jié)的模塊，叫做開關(guān)電源。

高壓交流電進入電源，首先經(jīng)濾波器濾波，再經(jīng)全橋整流電路，將高壓交流電整流為高壓直流電；然后由開關(guān)電路將高壓直流電調(diào)制為高壓脈動直流；隨后把得到的脈動直流電，送到高頻開關(guān)變壓器進行降壓，最后經(jīng)低壓濾波電路進行整流和濾波就得到了適合裝置使用的低壓直流電。

電源工作原理框圖如圖1所示。

圖1開關(guān)電源原理圖

2故障現(xiàn)象分析

由于繼電保護用開關(guān)電源功能要求較多，需考慮時序、保護等因素，因此開關(guān)電源設(shè)計中的故障風(fēng)險較高。另外供電保護裝置又較民用電器工作條件苛刻，影響繼電保護開關(guān)電源的安全運行。本文著重分析了兩種因設(shè)計缺陷而造成故障的開關(guān)電源。

2.1輸入電源波動，開關(guān)電源停止工作

1）故障現(xiàn)象：外部輸入電源瞬時性故障，隨后輸入電壓恢復(fù)正常，開關(guān)電源停止工作一直無輸出電壓，需手動斷電、上電才能恢復(fù)。

2）故障再現(xiàn)：用繼電保護試驗儀，控制輸入電壓中斷時間，通過便攜式波形記錄儀記錄輸入電壓和輸出電壓的變化。控制輸入電壓中斷時間長短，發(fā)現(xiàn)輸出存在如下三種情況：

a）輸入電源中斷一段時間（約100～200ms）后恢復(fù)，此后輸入電壓恢復(fù)正常，開關(guān)電源不能恢復(fù)工作。（此過程為故障情況），具體時序圖見圖2所示。

圖2輸入電源中斷一段時間后恢復(fù)

b）輸入電壓長時中斷（大于250ms）后恢復(fù)，+5V、+24V輸出電壓均消失，此過程與開關(guān)電源的正常啟動過程相同。具體時序圖見圖3所示。

c）輸入電壓短暫中斷（小于70ms）后恢復(fù)，+5V輸出電壓未消失，而+24V輸出電壓也未消失，對開關(guān)電源正常工作沒有影響。具體時序圖見圖4所示。輸入電壓消失時間短暫，由于輸出電壓未出現(xiàn)欠壓過程，電源欠壓保護也不會動作。

圖3輸入電源長時中斷后恢復(fù)

圖4輸入電源短時中斷后恢復(fù)

3）故障分析：要分析此故障，應(yīng)先了解該開關(guān)電源的正常啟動邏輯和輸出電壓保護邏輯。

輸入工作電壓，輸出電壓+5V主回路建立，然后由于輸出電壓時序要求，經(jīng)延時約50ms，+24V輸出電壓建立。

輸出電壓欠壓保護邏輯為：當(dāng)輸出電壓任何一路降到20％Un以下時，欠壓保護動作，且不能自恢復(fù)。

更改邏輯前，因輸入電壓快速通斷而引起的電源欠壓保護誤動作，其根本原因是延時電路沒有依據(jù)輸入電壓的變化及時復(fù)位，使得上電時的假欠壓信號得不到屏蔽，從而產(chǎn)生誤動作，如圖2所示。

4)解決措施：采取的措施是在保護環(huán)節(jié)上增加輸入電壓檢測電路，并在延時電容上并接一個電子開關(guān)，只要輸入電壓低于定值（開關(guān)電源停止工作前的值），該電子開關(guān)便閉合，延時電路復(fù)位，若輸入電壓重新上升至該設(shè)定值，給保護電路供電的延時電路重新開始延時，電源重啟動時的假欠壓信號被屏蔽，徹底解決了由于輸入電壓快速波動所產(chǎn)生的電源誤保護。從而避免了圖2的情況，直接快速進入重新上電邏輯，此時的輸出電壓建立過程見圖3所示。邏輯回路見圖5所示。

圖5增加放電回路后原理圖

5)試驗驗證：用繼電保護試驗儀狀態(tài)序列模擬輸入電源中斷，用便攜式波形記錄儀記錄輸出電壓隨輸入電壓的變化波形。調(diào)整輸入電壓中斷時間，發(fā)現(xiàn)調(diào)整后的電源僅出現(xiàn)b）、c）兩種情況，不再出現(xiàn)a）即故障情況。

2.2啟動電流過大，導(dǎo)致供電電源過載告警

1）故障現(xiàn)象：電源模塊穩(wěn)態(tài)工作電壓為220V，額定功率為20.8W，額定輸出時輸入電流約為130mA。當(dāng)開關(guān)電源輸入電壓緩慢增大時，導(dǎo)致輸入電流激增，引起供電電源過載告警。

2）故障分析：經(jīng)查發(fā)現(xiàn)輸入電壓為60V時，電源啟動，此時啟動瞬態(tài)電流約為200mA，穩(wěn)態(tài)電流為600mA，啟動時穩(wěn)態(tài)電流和瞬態(tài)電流將為600±200mA，造成輸出電流激增。而由于條件限制，此電源模塊的供電電源輸出僅為500mA，因此造成供電電源過載。

由于開關(guān)電源工作需要一定的功率，設(shè)計中由于未考慮到電源啟動時，輸出回路的啟動需要一定的功率，而啟動電壓比較低，所以功率的突增，必然帶來開關(guān)電源啟動瞬態(tài)電流的激增，電流的激增對供電電源有較大的沖擊。

3）解決措施：啟動需要的功率一定，如果要減小啟動電流，可以考慮增加啟動電壓的門檻。將開關(guān)電源的啟動電壓提高到130～140V。

4）試驗驗證：調(diào)整開關(guān)電源的啟動電壓后，通過試驗儀模擬輸入電壓緩慢啟動。當(dāng)開關(guān)電源在滿載情況下，試驗中緩慢上升輸入電壓（上升速率5V/s或10V/s），從0～130V啟動，啟動時穩(wěn)態(tài)電流降低到200～220mA，穩(wěn)態(tài)電流大約為200±100mA，因而啟動時穩(wěn)態(tài)電流和瞬態(tài)電流將為400±100mA，啟動電流較改進前減小300mA，不會對供電電源造成太大的沖擊?？捎行П苊廨斎腚妷核查g降低時，給整個供電回路造成較大的電流沖擊。

3結(jié)束語

從以上問題分析可知，開關(guān)電源設(shè)計時，需要關(guān)注電能變換的各個環(huán)節(jié)，開關(guān)電源的輸出電壓建立和消失時序和電源的保護功能，是緊密聯(lián)系的，當(dāng)其中的某一環(huán)節(jié)存在缺陷時，開關(guān)電源就不能正常工作。因此在開關(guān)電源設(shè)計前，應(yīng)重點進行兩種工作：

1)考慮諸如此類的問題，如啟動功率一定時，啟動電壓門檻過低，會產(chǎn)生輸出電流瞬態(tài)突增的現(xiàn)象。

第3篇：開關(guān)電源的設(shè)計與原理范文

關(guān)鍵詞： 開關(guān)電源；數(shù)字控制；單片機

中圖分類號：TM44 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671－7597（2012）0210075－01

0 引言

直流穩(wěn)壓電源已廣泛地應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中（如電焊、電鍍或直流電機的調(diào)速等），需要用到大量的電壓可調(diào)的直流電源，他們一般都要求有可以方便的調(diào)節(jié)電壓輸出的直流供電電源。目前，由于開關(guān)電源效率高，小型化等優(yōu)點，傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源、晶閘管穩(wěn)壓電源逐步被直流開關(guān)穩(wěn)壓電源所取代。開關(guān)電源主要的控制方式是采用脈寬調(diào)制集成電路輸出PWM脈沖，采用模擬PID調(diào)節(jié)器進行脈寬調(diào)制，這種控制方式，存在一定的誤差，而且電路比較復(fù)雜。本文設(shè)計了一種以ST公司的高性能單片機μpsd3354為控制核心的輸出電壓大范圍連續(xù)可調(diào)的功率開關(guān)電源，由單片機直接產(chǎn)生PWM波，對開關(guān)電源的主電路執(zhí)行數(shù)字控制，電路簡單，功能強大。

1 功率直流電源系統(tǒng)原理與整體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)原理。本功率直流電源系統(tǒng)由開關(guān)電源的主電路和控制電路兩部分組成，主電路主要處理電能，控制電路主要處理電信號，采用負反饋構(gòu)成一個自動控制系統(tǒng)。開關(guān)電源采用PWM控制方式，通過給定量和反饋量的比較得到偏差，并通過數(shù)字PID調(diào)節(jié)器控制PWM輸出，從而控制開關(guān)電源的輸出。

1.2 系統(tǒng)整體設(shè)計。系統(tǒng)硬件部分由輸入輸出整流濾波電路、功率變換部分、驅(qū)動電路、單片機系統(tǒng)和輔助電路等幾部分組成。

當(dāng)50Hz、220V的交流電經(jīng)電網(wǎng)濾波器消除來自電網(wǎng)的干擾，然后進入到輸入整流濾波器進行整流濾波，變換成直流電壓信號。該直流信號通過功率變換電路轉(zhuǎn)化成高頻交流信號，高頻交流信號再經(jīng)輸出整流濾波電路轉(zhuǎn)化成直流電壓輸出?？刂齐娐凡捎肞WM脈寬調(diào)制方式，由單片機產(chǎn)生的脈寬可調(diào)的PWM控制信號經(jīng)驅(qū)動電路處理后，驅(qū)動功率變換電路工作。 利用單片機高速ADC轉(zhuǎn)換通道定時采集輸出電壓，并與期望值比較，根據(jù)其誤差進行PID調(diào)節(jié)。電壓采集電路實現(xiàn)了直流電壓V0的采集，并使其與A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入電壓范圍匹配，在開關(guān)電源發(fā)生過壓、過流和短路故障時，保護電路對電源和負載起保護作用。輔助電源為控制電路、驅(qū)動電路等提供直流電源。

2 開關(guān)電源主電路設(shè)計

開關(guān)電源主電路是用來完成DC-AC-DC的轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)主電路采用全橋型DC-DC變換器，本系統(tǒng)采用的功率開關(guān)器件是EUPEC公司的BSM 50GB120DN2系列的IGBT模塊，每個模塊是一個半橋結(jié)構(gòu)，故在全橋系統(tǒng)中，需要兩個模塊。每個模塊內(nèi)嵌入一個快速續(xù)流二極管。

3 控制電路硬件設(shè)計

3.1 控制電路結(jié)構(gòu)框圖。功率直流電源的控制電路采用ST 公司的μpsd3354單片機為核心?？刂齐娐分饕瓿扇缦鹿δ埽弘妷翰杉?、A/D轉(zhuǎn)換、閉環(huán)調(diào)節(jié)、PWM信號產(chǎn)生，IGBT驅(qū)動與保護、鍵盤輸入和輸出電壓顯示等功能?？刂齐娐分饕ǎ簡纹瑱C系統(tǒng)、電壓采集電路、IGBT驅(qū)動電路和鍵盤、顯示電路等。系統(tǒng)通過PWM輸出控制功率轉(zhuǎn)換開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷時間，完成對輸出電壓的穩(wěn)定控制，通過A/D轉(zhuǎn)換完成對開關(guān)電源輸出電壓的采樣，同時采用電壓閉環(huán)控制，開關(guān)電源工作時，根據(jù)期望值與電壓反饋值的偏差，由單片機實現(xiàn)對PWM占空比進行PID調(diào)節(jié)。

3.2 IGBT驅(qū)動電路設(shè)計。為了精確控制開關(guān)電路的電壓輸出，本系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制方式調(diào)節(jié)開關(guān)管的工作狀態(tài)。根據(jù)電壓控制算法（可采用改進的PID控制算法）設(shè)置單片機產(chǎn)生不同占空比的方波信號，經(jīng)過光電耦合器控制開關(guān)器件，調(diào)整電路輸出設(shè)定的電壓值。要使IGBT正常工作，合適的驅(qū)動是至關(guān)重要的。驅(qū)動電路的任務(wù)是將控制電路發(fā)出的信號轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間、可以使其開通或關(guān)斷的信號。同時驅(qū)動電路通常還具有電氣隔離及電力電子器件的保護等功能。

3.3 傳感器輸入通道與A/D轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)通過電壓傳感器采集電壓信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換被單片機接收。本系統(tǒng)采用CHV系列霍爾電壓傳感器采集電壓，采用μpsd3354單片機內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，線路連接簡單，精度最大為5mV?；灸軡M足控制要求。

3.4 鍵盤和顯示電路。功率直流電源的鍵盤和顯示電路部分都裝在操作面板上，由單片機控制。本系統(tǒng)采用自制4×4矩陣鍵盤，以單片機的PB4～PB7做輸出線，PB0～PB3做輸入線。顯示部分采用動態(tài)數(shù)碼顯示，以專用的數(shù)碼管顯示驅(qū)動芯片MAX7219進行驅(qū)動。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要由主程序和中斷服務(wù)程序組成，主要用來實現(xiàn)以下功能：鍵盤掃描、數(shù)碼顯示、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字PID調(diào)節(jié)和PWM波形產(chǎn)生等。鍵盤掃描和數(shù)碼顯示這里不作介紹，本設(shè)計主要是采用軟件方式來實現(xiàn)功率直流電源的數(shù)字控制。

4.1 主程序設(shè)計。主流程在完成各種變量和I/O初始化后，可以輸入期望電壓值并存入寄存器，當(dāng)按下啟動按鈕后，啟動電源系統(tǒng)，這里設(shè)定啟動時，使PWM輸出占空比為最小值，即0.1％。啟動后，調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序并讀入鍵值，將反饋電壓值與給定電壓值相比較后，調(diào)用PID調(diào)節(jié)運算，更新驅(qū)動波形的占空比，然后調(diào)用PWM產(chǎn)生子程序輸出PWM信號，并通過顯示子程序顯示輸出電壓。

4.2 A/D轉(zhuǎn)換部分子程序。直接利用單片機10位ADC口，A/D轉(zhuǎn)換部分程序比較簡單，程序只要完成如下功能：選擇模擬輸入通道，并預(yù)制分頻數(shù)；配置控制寄存器ACON；讀取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值，返還ADTA0、ADTA1中的數(shù)據(jù)。

4.3 PID調(diào)節(jié)子程序。PID調(diào)節(jié)由單片機來實現(xiàn)，單片機對給定信號與反饋信號相減得到的誤差來計算調(diào)整量，用以控制開關(guān)的占空比。算法中，做了一點修正，當(dāng)偏差與積分符號相反時，積分清零。因為若符號相反，說明積分項起了反作用，故把積分項清零。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)將開關(guān)電源與單片機系統(tǒng)結(jié)合起來，設(shè)計了一種輸出電壓連續(xù)可調(diào)的功率開關(guān)電源。該電源精度高，電路簡單，操作靈活，具有良好的應(yīng)用前景。單片機控制直流電源符合電力電子新技術(shù)產(chǎn)品向“四化”方向發(fā)展的要求，即應(yīng)用技術(shù)的高頻化、硬件結(jié)構(gòu)的模塊化、軟件控制的數(shù)字化、產(chǎn)品性能的綠色化。

參考文獻：

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第4篇：開關(guān)電源的設(shè)計與原理范文

關(guān)鍵詞：直流開關(guān)電源 控制電路 TOP247YN 電路

中圖分類號：TN86 文獻標(biāo)識碼：A

引言

目前，各種各樣的開關(guān)電源以其小巧的體積、較高的功率密度和高效率正越來越得到廣泛的應(yīng)用。伴隨著電力系統(tǒng)自動化程度的提高，特別是其保護裝置的微機化，通訊裝置的程控化，對電源的體積和效率的要求也在不斷提高?？梢哉f，適應(yīng)各類開關(guān)電源的控制集成電路功能正在不斷完善，集成化水平不斷提高，外接原件也是越來越少。開關(guān)電源的研制生產(chǎn)正在日趨簡化，成本也日益下降，而且集成控制芯片種類也越來越多。

針對開關(guān)電源，其中的控制電路部分發(fā)揮著很大作用，對于一個電路是否能夠輸出一個穩(wěn)定的直流電壓，反饋環(huán)節(jié)就顯得尤為重要。如今，在直流開關(guān)電源中，大都采用PWM控制方式來調(diào)整占空比從而進一步來調(diào)整輸出電壓[1]。在開關(guān)電源中，控制電路通常都是采用集成控制芯片來加以控制。

在本文設(shè)計中，考慮到小型、高效的設(shè)計初衷，控制電路部分決定采用集成化程度較高的單片開關(guān)電源芯片TOP247YN，通過它可把MOSFET和PWM控制電路較好地集成在一起，這樣可使得芯片電路更簡單而實用，從而使得設(shè)計出的開關(guān)電源更加小型化。

1、 TOP247Y的基本工作原理及主要工作過程

在本文設(shè)計中采用的TOP247Y就是屬于第四代開關(guān)器件。

其主要工作原理是：TOP247Y控制芯片是利用反饋電流IC來通過調(diào)節(jié)占空比D，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的，屬于PWM控制類型中的PWM型電流反饋模式。當(dāng)輸出電壓升高時，經(jīng)過光耦反饋電路使得IC增加，則占空比將減小，從而達到穩(wěn)壓的目的[3]。反之亦然。

TOP247Y控制芯片內(nèi)部主要工作過程：在啟動的過程中，當(dāng)濾波后的直流高電壓加在D管腳時，MOSFET起初處于關(guān)斷狀態(tài)，在開關(guān)高壓電流源連接在D管腳和C管腳之間，C管腳的電容被充電。當(dāng)C管腳的電壓VC達到5.8V左右時，控制電路被激活并開始軟啟動。在10ms左右的時間內(nèi)，軟啟動電路使MOSFET的占空比從零逐漸上升到最大值。如果在軟啟動末期，沒有內(nèi)部的反饋和電流回路加載管腳C上，高電壓電流源將轉(zhuǎn)向，C管腳在控制回路之間通過放電來維持驅(qū)動電流。

芯片自身消耗的過電流是通過內(nèi)部電阻RE轉(zhuǎn)到S腳。這個電流是通過內(nèi)部電阻RE控制MOSFT的占空比來提供閉合回路的調(diào)節(jié)。這個調(diào)節(jié)器有一個有限的低輸出電阻ZC，可設(shè)定誤差放大器的增益，被用在主要的控制回路。在控制回路中，動態(tài)變化的電阻ZC以及內(nèi)部的C管腳電容可以設(shè)定主極點。當(dāng)出現(xiàn)錯誤的情況時，如開環(huán)或輸出短路時，可以阻止內(nèi)部電流進入C引腳。

C引腳的電容開始放電到4.8V，在4.8V時，自動重啟被激活，使得輸出MOSFET關(guān)斷，把控制回路鉗位在一個低電流的模式。在高電壓電流源打開，有繼續(xù)給電容充電。內(nèi)部帶遲滯電源欠壓比較器通過使高電壓電流源通斷來保持VC的電壓在4.8V到5.8V的區(qū)域內(nèi)。

2、開關(guān)電源芯片的電路選擇

TOP系列的控制芯片的控制引腳C的電路基本類似，在本文設(shè)計中，C6選擇0.1uF。電容C7選擇47uF/10V的低成本電解電容。而串聯(lián)電阻R8選擇為6.8Ω/0.25W的電阻。■

參考文獻

[1] 沙占友. 新型單片開關(guān)電源的設(shè)計與應(yīng)用[M] . 北京：電子工業(yè)出版社， 2001.

[2] 楊 旭，裴云慶，王兆安. 開關(guān)電源技術(shù)[M] . 北京： 機械工業(yè)出版社， 2002.

第5篇：開關(guān)電源的設(shè)計與原理范文

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；TOP249Y；脈寬調(diào)制；TOPSwitch

1引言

隨著PWM技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，開關(guān)電源得到了廣泛的應(yīng)用，以往開關(guān)電源的設(shè)計通常采用控制電路與功率管相分離的拓撲結(jié)構(gòu)，但這種方案存在成本高、系統(tǒng)可靠性低等問題。美國功率集成公司POWERIntegrationInc開發(fā)的TOPSwitch系列新型智能高頻開關(guān)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(guān)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(guān)電源的設(shè)計和新產(chǎn)品的開發(fā)，使開關(guān)電源發(fā)展到一個新的時代。文中介紹了一種用TOPSwitch的第三代產(chǎn)品TOP249Y開發(fā)變頻器用多路輸出開關(guān)電源的設(shè)計方法。

2TOP249Y引腳功能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2．1TOP249Y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(shè)定端X、源極S、開關(guān)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(diào)節(jié)占空比，并可由內(nèi)部并聯(lián)調(diào)整器提供內(nèi)部偏流。系統(tǒng)關(guān)閉時，利用該端可激發(fā)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(shè)定端X：外部電流設(shè)定調(diào)整端。若在X端與源極之間接入不同的電阻，則開關(guān)電流可限定在不同的數(shù)值，隨著接入電阻阻值的增大，開關(guān)允許流過的電流將變小。

源極S：連接內(nèi)部MOSFET的源極，是初級電路的公共點和電源回流基準(zhǔn)點。

開關(guān)頻率選擇端F：當(dāng)F端接到源極時，其開關(guān)頻率為132kHz，而當(dāng)F端接到控制端時，其開關(guān)頻率變?yōu)樵l率的一半，即66kHz。

漏極D：連接內(nèi)部MOSFET的漏極，在啟動時可通過內(nèi)部高壓開關(guān)電流提供內(nèi)部偏置電流。

2．2TOP249Y的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

TOP249Y的內(nèi)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(zhǔn)電壓源、振蕩器、并聯(lián)調(diào)整器／誤差放大器、脈寬調(diào)制器（PWM）、門驅(qū)動級和輸出級、過流保護電路、過熱保護電路、關(guān)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(guān)電源設(shè)計

筆者利用TOP249Y設(shè)計了一種新型多路輸出開關(guān)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(shè)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控制電路設(shè)計

該電路將X與S端短接可將TOP249Y的極限電流設(shè)置為內(nèi)部最大值；而將F端與S端短接可將TOP249Y設(shè)為全頻工作方式，開關(guān)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(guān)閉。

3．2穩(wěn)壓反饋電路設(shè)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(nèi)，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(zhǔn)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(diào)節(jié)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(jīng)D2、C2整流濾波后，可給光耦中的接收管提供電壓。R4、C4構(gòu)成的尖峰電壓經(jīng)濾波后可使偏置電壓即使在負載較重時，也能保持穩(wěn)定，調(diào)節(jié)電阻R6可改變輸出電壓的大小。

3．3高頻變壓器設(shè)計

由于該電源的輸出功率較大，因此高頻變壓器的漏感應(yīng)盡量小，一般應(yīng)選用能夠滿足132kHz開關(guān)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(yīng)相間繞制。

高頻變壓器的設(shè)計由于要考慮大量的相互關(guān)聯(lián)變量，因此計算較為復(fù)雜，為減輕設(shè)計者的工作量，美國功率公司為TOPSwitch開關(guān)電源的高頻變壓器設(shè)計制作了一套EXCEL電子表格，設(shè)計者可以方便地應(yīng)用電子表格設(shè)計高頻變壓器。

3．4次級輸出電路設(shè)計

輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構(gòu)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(yīng)加上功率較大的散熱器；電容器一般應(yīng)選擇低ESR等效串聯(lián)阻抗的電容。為提高輸出電壓的濾波效果，濾除開關(guān)所產(chǎn)生的噪聲，在整流濾波環(huán)節(jié)的后面通常應(yīng)再加一級LCC濾波環(huán)節(jié)。

3．5保護電路設(shè)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，其控制電路也應(yīng)有一定的保護措施。用D3、R12、Q1可構(gòu)成一個5．5V的過壓檢測保護電路。這樣，當(dāng)5V輸出電壓超過5．5V時，D3擊穿使Q1導(dǎo)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(nèi)部調(diào)節(jié)即可使輸出電壓下降到安全值。

圖3

為防止在開關(guān)周期內(nèi)，TOP249Y關(guān)斷時漏感產(chǎn)生的尖峰電壓使TOP249Y損壞，電路中設(shè)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(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)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(dān)；而在啟動或過載時，VR1即會限制內(nèi)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(jié)果分析

根據(jù)以上設(shè)計方法，筆者對采用TOP249Y設(shè)計的多路輸出開關(guān)電源的性能進行了測試。實測結(jié)果表明，該電源工作在滿載狀態(tài)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(diào)節(jié)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(guān)管相分立的拓撲結(jié)構(gòu)形式的開關(guān)電源。

第6篇：開關(guān)電源的設(shè)計與原理范文

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；高頻變壓器；電容效應(yīng)

一、開關(guān)電源及其中的高頻變壓器

所謂開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制快關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。通常開關(guān)電源是由脈沖寬度調(diào)制控制IC和MOSFET構(gòu)成的。它具有造型小、應(yīng)用方便、重量輕、效率高、危險性低等特點，促使其已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，成為當(dāng)下這個雄心時代中電子領(lǐng)域不可或缺的一種電源方式。目前開關(guān)電源主要分為兩大類，即微型低功率開關(guān)電源和反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源。

（1）微型低功率開關(guān)電源。它的出現(xiàn)正好滿足人們對開關(guān)電源微型化、高效化、方便等方面的需求，這是得微型低功率開關(guān)電源快速的代替變壓器而廣泛的應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。

（2）反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源。它所輸出的電壓是負電壓，并且能夠像負載輸出電流，這是一般串聯(lián)式開關(guān)所無法企及的。另外，相對于一般串聯(lián)式開關(guān)電源來說，他所輸出的電流小于一般串聯(lián)式開關(guān)電源的一倍，能夠有效的節(jié)約電量的使用，實現(xiàn)長時間供電。

高頻變壓器是工作頻率超過中頻（10kHz）的電源變壓器。它是開關(guān)電源最主要的組成部分，直接決定快關(guān)電源的應(yīng)用效果。在開關(guān)電源中高頻變壓器主要的工作原理是當(dāng)初級線圈游交流電流通過時磁芯產(chǎn)生交流磁通，促使次級線圈中感應(yīng)出電壓，再向外傳輸。

二、開關(guān)電源高頻變壓器電容效應(yīng)建模與分析

高頻變壓器作為開關(guān)電源的重要組成部分，其能夠促使開關(guān)電源具有良好應(yīng)用性的同時也會給開關(guān)電源帶來一定的影響，阻礙開關(guān)電源進一步高頻化和高密度化。針對此種情況，需要從磁性元件著手，合理而有效的設(shè)計及磁性元件，降低其磁性干擾程度。高頻變壓器中分布的電容對開關(guān)電源的磁性干擾程度較大，卻沒有得到很好的處理，依舊應(yīng)用傳統(tǒng)的模型。以下筆者就開關(guān)電源高頻變壓器電容效應(yīng)建模與分析進行探討。

1.現(xiàn)有變壓器模型分析

在當(dāng)下，廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源中的變壓器模型主要是含有3個集總電容，也就是原邊繞組電容、副邊繞組雜散電容以及原邊和副邊繞組間的雜散電容所構(gòu)成的模型（如圖一所示）。此變壓器模型中的原邊和副邊所具有的電場耦合能力是干擾開關(guān)電源的關(guān)鍵。就開關(guān)電源的電磁干擾分析結(jié)果來看，變頻器原邊和副邊電容能夠形成共模干擾噪音，作用于變頻器運用過程中，進而影響開關(guān)電源。

2.共模端口有效電容

在進行開關(guān)電源高頻變壓器電容效應(yīng)建模前，明確共模端口有效這一問題，對于合理的。有效的構(gòu)建電容效應(yīng)模型是非常必要的。由于變壓器中所分布的電容是共模電流傳輸主要參數(shù)，要想準(zhǔn)確的掌握共模端口有效電容，就以此為突破口展開詳細的分析。就現(xiàn)有變壓器模型來看，變壓器共模端口有效電容是有變壓器兩個端口網(wǎng)路參數(shù)構(gòu)成的，也就是噪音源施加在變壓器一端，共模噪音電流會經(jīng)過線圈作用到另一端的電源上。共模噪音源在傳輸噪音電流的過程中在經(jīng)過線圈時會作用到變壓器的副邊繞組雜散電容上，進而使噪音電流通過雜散電容，在變壓器中傳輸。這也就意味著變壓器會產(chǎn)生噪音電壓，而高頻變壓器屬于開關(guān)電源的一部分，開關(guān)電源在噪音電壓的影響下受到嚴(yán)重的干擾。

3.開關(guān)電源高頻變壓器電容效應(yīng)建模

以上對于現(xiàn)下所應(yīng)用的變壓器模型及其共模端口有效電容了解后，可以將其作為構(gòu)建新電容效應(yīng)模型的依據(jù)。要想構(gòu)建有效的高頻變壓電容效應(yīng)模型主要的問題是如何抑制共模噪音，針對此問題最佳的解決辦法是有效的將能量端口有效電容與共模有效電容都轉(zhuǎn)化為原邊電壓的有效電容，充分的運用原邊繞組電容進行電流的傳輸，避免噪音電流通副邊繞組雜散電容，而最終干擾開關(guān)電源。通過此種方式構(gòu)建的變壓器電容模型（如圖二所示）需要進行共模噪音測試，確定共模噪音不會干擾到開關(guān)電源才能夠正式的將變壓器電容效應(yīng)模型應(yīng)用到開關(guān)電源中。結(jié)束語：

在當(dāng)下這個信息時代中，電子領(lǐng)域已經(jīng)越來越重要，各種電子設(shè)備廣泛的應(yīng)用為提高我國的經(jīng)濟水平做出巨大貢獻。開關(guān)電源是各種電子設(shè)備不可或缺的一部分，其具有型小、高效率等特點，應(yīng)用在各種電子設(shè)備中占用的空間小，但作用大，能夠有效的應(yīng)用于設(shè)備中。但是，目前開關(guān)電源效率進一步提升受阻，主要是開關(guān)電源中高頻變壓器能夠進行磁性干擾，抑制開關(guān)電源的高頻化。本文就高頻變壓器中分布電容影響開關(guān)電源高頻化這一因素進行分析，確定高頻變壓器中電容效應(yīng)模型不佳是產(chǎn)生磁性干擾的原因，進而詳細的探究高頻變壓器電容效應(yīng)建模，希望能夠?qū)τ谔岣唛_關(guān)電容的應(yīng)用性有所幫助。

參考文獻：

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第7篇：開關(guān)電源的設(shè)計與原理范文

關(guān)鍵詞 開關(guān)電源；熱分析；ANSYS；熱設(shè)計

中圖分類號TN86 文獻標(biāo)識碼A 文章編號 1674-6708（2011）47-0034-02

0 引言

開關(guān)電源被廣泛的應(yīng)用于國防軍事，工業(yè)自動化，家用電氣等領(lǐng)域的電子系統(tǒng)中。隨著開關(guān)電源逐步向小型化、高頻化、高功率密度發(fā)展，用戶對開關(guān)電源的可靠性設(shè)計提出了更高的要求。溫升是影響開關(guān)電源可靠性的關(guān)鍵性因素，如何將熱量高效快速的導(dǎo)出，成為電源工程師的首要任務(wù)[1]。熱設(shè)計的好壞直接影響著開關(guān)電源的可靠性和壽命，因而熱設(shè)計是開關(guān)電源可靠性設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。

本文以一個工作于密閉電源盒的開關(guān)電源為例，利用有限元軟件ANSYS對開關(guān)電源進行熱設(shè)計，來提高整個開關(guān)電源的散熱性能，使得開關(guān)電源的主要發(fā)熱器件的溫度控制在允許的范圍內(nèi)，保證開關(guān)電源安全可靠的運行。

1 開關(guān)電源的熱分析

本文中開關(guān)電源為反激式，具有有源功率因數(shù)校正(APFC)環(huán)節(jié)，主要發(fā)熱元件有開關(guān)管，整流二極管，大功率電阻，變壓器與電感等[2]。

首先利用ANSYS分析工作在空氣中開關(guān)電源的溫度分布情況。

1.1 仿真邊界條件和載荷說明

1）環(huán)境溫度：25℃；

2）對流系數(shù)：6W/m?K；

3）載荷：器件的生熱率（P為器件的發(fā)熱功率，V是器件等效熱源的體積）。

1.2 模型的簡化處理

1）對于簡化線圈模型來說，由于線圈在實際中是由一圈一圈的漆包線繞制的，而且這樣的繞線也不規(guī)則，在模型建立中使用單一圓柱體來代替多圈的導(dǎo)體；

2）芯片熱源等效為長方體。

1.3 網(wǎng)格模型

模型中有些部分的尺寸微小，如MOSFET的等效熱源，尺寸為13.8×8×0.2mm3。選用ANSYS軟件中的SOLIDTO單元．通過設(shè)置MSHKEY和MSHAPE兩個選項，完成對單元形狀的控制。在建立網(wǎng)格處理不規(guī)則體的時候，特別是連接處理后的非六面體的情況，采用退化的四面體單元進行網(wǎng)格劃分，可以通過設(shè)定ESIZE，LESIZE的大小來決定單元網(wǎng)格的大小，則模型網(wǎng)格單元數(shù)目為324532。

1.4 仿真結(jié)果分析

表1中是工作在空氣中開關(guān)電源的溫度分布情況。利用紅外熱像儀測得的溫度，與仿真的溫度值對照，相對誤差較小，具有很好的準(zhǔn)確性。實際上，此開關(guān)電源工作在一個封閉的電源盒內(nèi)，內(nèi)部的空氣流動速度很慢，在理想狀態(tài)下，認為內(nèi)部空氣處于絕熱狀態(tài)，幾乎不導(dǎo)熱。因而各器件的實際工作時溫度會更高。因此。為保證開關(guān)電源安全可靠的運行。必須采取有效的散熱措施，迅速的將電源盤內(nèi)部的熱量導(dǎo)出，降低主要熱源的溫度。

2 開關(guān)電源的熱設(shè)計分析

如何尋找低熱阻通路來將熱最迅速導(dǎo)出是設(shè)計開關(guān)電源熱設(shè)計的關(guān)鍵問題，因為只有開關(guān)電源器件的結(jié)點溫度降低后，這樣才能避免高溫而導(dǎo)致開關(guān)電源可靠性下降的問題。此開關(guān)電源工作在一個封閉的電源盤內(nèi)，由于工作環(huán)境特殊，不允許加風(fēng)扇，只能采取自然散熱的措施。其熱設(shè)計的內(nèi)容包括電源盤的內(nèi)部熱設(shè)汁和電源盤的外部熱設(shè)計。

通過設(shè)計將開關(guān)電源的前后級MOSFET，后級二級管，整流橋的溫度控制在60℃以內(nèi)，變壓器的溫度低于65℃。

2.1 電源盒的內(nèi)部熱設(shè)計

開關(guān)電源的電源盒內(nèi)部熱設(shè)計主要是調(diào)整器件布局和改變內(nèi)部介質(zhì)。

1）電路布局的熱設(shè)計

密封電源盤內(nèi)熱源的主要散熱途徑有以下幾個方面：首先，通過熱源經(jīng)盒內(nèi)介質(zhì)向殼體傳導(dǎo)的熱量，可以通過對流和輻射在殼體的表面將熱量發(fā)散到大氣中；其次，通過盒體內(nèi)部的介質(zhì)可以把熱量傳遞到其他部件上，這樣就可以形成溫度的疊加效應(yīng)。

所以，在設(shè)計過程中，在考慮不影響電路性能的情況下，應(yīng)該使得發(fā)熱部件盡可能分散，且在電路板邊緣分布，另外，固定在電源盒的導(dǎo)熱鋁板應(yīng)該與其相連。電路板的后邊緣則應(yīng)該放置前后級MOSFET和整流橋，與電源盒的側(cè)壁相連靠的是2mm的導(dǎo)熱鋁板；而電路板的前側(cè)邊緣放置后級二極管，同樣，電源盒的側(cè)壁相連靠的是同樣厚度表2是開關(guān)電源電路靠局調(diào)整前后的溫度對照表，通過表2可以得出如下結(jié)論：

首先，可以看出前后級的MOSFET、整流橋和后級二極管溫度都有明顯的降低變化，其主要的原因是因為由于低熱阻通路-導(dǎo)熱鋁板的存在，使得電路布局為這些器件與外殼之間存在這樣一種合理的通路，這樣就可以使得器件產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到電源盒體，從而溫度梯度也得以降低。

其次，對于變壓器來說，溫度變化很小。通過內(nèi)部空氣傳導(dǎo)到電源盒的變壓器的熱量，在加上空氣的熱阻很大的原因，這樣可以認為在密閉條件較好的情況下的絕熱狀態(tài)。同時，最高結(jié)點溫度和環(huán)境溫度梯度也很大，這樣來說對于變壓器溫度沒有明顯的降低。

變壓器的溫度變化很小。這是因為變壓器的熱量主要通過內(nèi)部空氣傳導(dǎo)到電源盒，而空氣的熱阻很大，在密閉條件很好的情況下，可以認為處于絕熱狀態(tài)。變壓器的最高結(jié)點溫度與環(huán)境的溫度梯度很大，導(dǎo)致溫度沒有明顯的降低。所以盡管電路布局的調(diào)整改善了開關(guān)電源的溫度分布情況， 有些器件的還存在較高的溫度梯度，無法滿足安全可靠運行的要求。

2）電源盒內(nèi)部介質(zhì)的熱設(shè)計

熱量主要以傳導(dǎo)方式由內(nèi)部器件傳到電源盒，這一點可以從前面的電源盒內(nèi)熱源的散熱途徑獲得，經(jīng)過對流換熱的方式散發(fā)到空氣中。根據(jù)傳導(dǎo)散熱的原理，內(nèi)部介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)可以看做是影響電源盒內(nèi)部溫度梯度的主要因素，其中，由于介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)與內(nèi)部熱源的溫度梯度成反比的原因，說明了質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)越大，內(nèi)部器件的溫度梯度就越小，熱源的結(jié)點溫度就越低。

根據(jù)開關(guān)電源主要器件溫度與內(nèi)部介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系曲線可以得出如下的結(jié)論：

（1）器件的溫度和內(nèi)部介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)變化成反比，并且基本上所有器件最終趨于同一溫度。

（2）變壓器的溫度曲線存在一定區(qū)別，表現(xiàn)在介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)為1.2 W/m?K時有一定的上升，這可能是因為變壓器的溫度低于其他熱源的溫度，但是需要注意熱量具有從溫度高的流向溫度低物體的規(guī)律，這樣由于變壓器溫度相對較低時，當(dāng)存在其他熱源的影響，變壓器溫度也是可以理解的。

2.2 電源盒的外部熱設(shè)計

電源盒的壁厚和殼體表面肋片的設(shè)計構(gòu)成了電源盒的外部熱設(shè)計，需要注意，其表面的散熱方式為對流和輻射，這樣，根據(jù)流散熱的原理，表面散熱面積則是影響散熱的主要因素，其中，電源盒的表面散熱面積與外殼肋片的高度影響直接相關(guān)。

開關(guān)電源的傳導(dǎo)散熱主要受到電源盒的壁厚的影響，同時，電源盒表面的對流散熱則受到外殼的肋片高度影響。因此，對于多熱源的封閉盒體來說，在限定電源盒尺的條件下，外殼的肋片高度對于散熱的影響一般大于壁厚的影響，所以對于封閉盒體來說，主要的散熱形式為表面的對流散熱，這樣能有效的散發(fā)熱量，降低盒體內(nèi)部器件的結(jié)點溫度。

所以根據(jù)上述結(jié)果分析可知，對于電源熱設(shè)計中需要采用內(nèi)部灌膠，而對于主要發(fā)熱器件來說則需要通過導(dǎo)熱鋁板與電源盒外殼相連，同時采取電源盒外殼加肋片的綜合散熱措施，這樣可以有效控制開關(guān)電源溫度，達到預(yù)定目標(biāo)，從而滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)論

本文開共電源因其工作環(huán)境的要求，限制了散熱措施的選擇。在只能采取自然散熱措施，且功耗很大，電源盒的尺寸和重量受到嚴(yán)格限制的條件下，分別對電路板和電源盒的結(jié)構(gòu)進行了熱設(shè)計，尋找一種有效的散熱措施，降低了主要器件的溫度，提高開關(guān)電源的可靠性，延長了壽命。

參考文獻

第8篇：開關(guān)電源的設(shè)計與原理范文

關(guān)鍵詞：PWMSG3524控制器

引言

開關(guān)電源一般都采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)，其特點是頻率高，效率高，功率密度高，可靠性高。然而，由于其開關(guān)器件工作在高頻通斷狀態(tài)，高頻的快速瞬變過程本身就是一電磁騷擾（EMD）源，它產(chǎn)生的EMI信號有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度。若把這種電源直接用于數(shù)字設(shè)備，則設(shè)備產(chǎn)生的EMI信號會變得更加強烈和復(fù)雜。

本文從開關(guān)電源的工作原理出發(fā)，探討抑制傳導(dǎo)干擾的EMI濾波器的設(shè)計以及對輻射EMI的抑制。

1開關(guān)電源產(chǎn)生EMI的機理

數(shù)字設(shè)備中的邏輯關(guān)系是用脈沖信號來表示的。為便于分析，把這種脈沖信號適當(dāng)簡化，用圖1所示的脈沖串表示。根據(jù)傅里葉級數(shù)展開的方法，可用式（1）計算出信號所有各次諧波的電平。

式中：An為脈沖中第n次諧波的電平；

Vo為脈沖的電平；

T為脈沖串的周期；

tw為脈沖寬度；

tr為脈沖的上升時間和下降時間。

開關(guān)電源具有各式各樣的電路形式，但它們的核心部分都是一個高電壓、大電流的受控脈沖信號源。假定某PWM開關(guān)電源脈沖信號的主要參數(shù)為：Vo=500V，T=2×10－5s，tw=10－5s，tr=0.4×10－6s，則其諧波電平如圖2所示。

圖2中開關(guān)電源內(nèi)脈沖信號產(chǎn)生的諧波電平，對于其他電子設(shè)備來說即是EMI信號，這些諧波電平可以從對電源線的傳導(dǎo)干擾（頻率范圍為0.15～30MHz）和電場輻射干擾（頻率范圍為30～1000MHz）的測量中反映出來。

在圖2中，基波電平約160dBμV，500MHz約30dBμV，所以，要把開關(guān)電源的EMI電平都控制在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值內(nèi)，是有一定難度的。

2開關(guān)電源EMI濾波器的電路設(shè)計

當(dāng)開關(guān)電源的諧波電平在低頻段（頻率范圍0.15～30MHz）表現(xiàn)在電源線上時，稱之為傳導(dǎo)干擾。要抑制傳導(dǎo)干擾相對比較容易，只要使用適當(dāng)?shù)腅MI濾波器，就能將其在電源線上的EMI信號電平抑制在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值內(nèi)。

要使EMI濾波器對EMI信號有最佳的衰減性能，則濾波器阻抗應(yīng)與電源阻抗失配，失配越厲害，實現(xiàn)的衰減越理想，得到的插入損耗特性就越好。也就是說，如果噪音源內(nèi)阻是低阻抗的，則與之對接的EMI濾波器的輸入阻抗應(yīng)該是高阻抗（如電感量很大的串聯(lián)電感）；如果噪音源內(nèi)阻是高阻抗的，則EMI濾波器的輸入阻抗應(yīng)該是低阻抗（如容量很大的并聯(lián)電容）。這個原則也是設(shè)計抑制開關(guān)電源EMI濾波器必須遵循的。

幾乎所有設(shè)備的傳導(dǎo)干擾都包含共模噪音和差模噪音，開關(guān)電源也不例外。共模干擾是由于載流導(dǎo)體與大地之間的電位差產(chǎn)生的，其特點是兩條線上的雜訊電壓是同電位同向的；而差模干擾則是由于載流導(dǎo)體之間的電位差產(chǎn)生的，其特點是兩條線上的雜訊電壓是同電位反向的。通常，線路上干擾電壓的這兩種分量是同時存在的。由于線路阻抗的不平衡，兩種分量在傳輸中會互相轉(zhuǎn)變，情況十分復(fù)雜。典型的EMI濾波器包含了共模雜訊和差模雜訊兩部分的抑制電路，如圖3所示。

圖中：差模抑制電容Cx1，Cx20.1～0.47μF；

差模抑制電感L1，L2100～130μH；

共模抑制電容Cy1，Cy2<10000pF；

共模抑制電感L15～25mH。

設(shè)計時，必須使共模濾波電路和差模濾波電路的諧振頻率明顯低于開關(guān)電源的工作頻率，一般要低于10kHz，即

在實際使用中，由于設(shè)備所產(chǎn)生的共模和差模的成分不一樣，可適當(dāng)增加或減少濾波元件。具體電路的調(diào)整一般要經(jīng)過EMI試驗后才能有滿意的結(jié)果，安裝濾波電路時一定要保證接地良好，并且輸入端和輸出端要良好隔離，否則，起不到濾波的效果。

開關(guān)電源所產(chǎn)生的干擾以共模干擾為主，在設(shè)計濾波電路時可嘗試去掉差模電感，再增加一級共模濾波電感。常采用如圖4所示的濾波電路，可使開關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾下降了近30dB，比CISOR22標(biāo)準(zhǔn)的限值低了近6dB以上。

還有一個設(shè)計原則是不要過于追求濾波效果而造成成本過高，只要達到EMC標(biāo)準(zhǔn)的限值要求并有一定的余量（一般可控制在6dB左右）即可。

3輻射EMI的抑制措施

如前所述，開關(guān)電源是一個很強的騷擾源，它來源于開關(guān)器件的高頻通斷和輸出整流二極管反向恢復(fù)。很強的電磁騷擾信號通過空間輻射和電源線的傳導(dǎo)而干擾鄰近的敏感設(shè)備。除了功率開關(guān)管和高頻整流二極管外，產(chǎn)生輻射干擾的主要元器件還有脈沖變壓器及濾波電感等。

雖然，功率開關(guān)管的快速通斷給開關(guān)電源帶來了更高的效益，但是，也帶來了更強的高頻輻射。要降低輻射干擾，可應(yīng)用電壓緩沖電路，如在開關(guān)管兩端并聯(lián)RCD緩沖電路，或電流緩沖電路，如在開關(guān)管的集電極上串聯(lián)20～80μH的電感。電感在功率開關(guān)管導(dǎo)通時能避免集電極電流突然增大，同時也可以減少整流電路中沖擊電流的影響。

功率開關(guān)管的集電極是一個強干擾源，開關(guān)管的散熱片應(yīng)接到開關(guān)管的發(fā)射極上，以確保集電極與散熱片之間由于分布電容而產(chǎn)生的電流流入主電路中。為減少散熱片和機殼的分布電容，散熱片應(yīng)盡量遠離機殼，如有條件的話，可采用有屏蔽措施的開關(guān)管散熱片。

整流二極管應(yīng)采用恢復(fù)電荷小，且反向恢復(fù)時間短的，如肖特基管，最好是選用反向恢復(fù)呈軟特性的。另外在肖特基管兩端套磁珠和并聯(lián)RC吸收網(wǎng)絡(luò)均可減少干擾，電阻、電容的取值可為幾Ω和數(shù)千pF，電容引線應(yīng)盡可能短，以減少引線電感。實際使用中一般采用具有軟恢復(fù)特性的整流二極管，并在二極管兩端并接小電容來消除電路的寄生振蕩。

負載電流越大，續(xù)流結(jié)束時流經(jīng)整流二極管的電流也越大，二極管反向恢復(fù)的時間也越長，則尖峰電流的影響也越大。采用多個整流二極管并聯(lián)來分擔(dān)負載電流，可以降低短路尖峰電流的影響。

開關(guān)電源必須屏蔽，采用模塊式全密封結(jié)構(gòu)，建議用1mm以上厚度的鍍鋅鋼板，屏蔽層必須良好接地。在高頻脈沖變壓器初、次級之間加一屏蔽層并接地，可以抑制干擾的電場耦合。將高頻脈沖變壓器、輸出濾波電感等磁性元件加上屏蔽罩，可以將磁力線限制在磁阻小的屏蔽體內(nèi)。

根據(jù)以上設(shè)計思路，對輻射干擾超過標(biāo)準(zhǔn)限值20dB左右的某開關(guān)電源，采用了一些在實驗室容易實現(xiàn)的措施，進行了如下的改進：

——在所有整流二極管兩端并470pF電容；

——在開關(guān)管G極的輸入端并50pF電容，與原有的39Ω電阻形成一RC低通濾波器；

——在各輸出濾波電容（電解電容）上并一0.01μF電容；

——在整流二極管管腳上套一小磁珠；

——改善屏蔽體的接地。

經(jīng)過上述改進后，該電源就可以通過輻射干擾測試的限值要求。

第9篇：開關(guān)電源的設(shè)計與原理范文

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；UC3842；雙入多出

開關(guān)電源是基于電力電子技術(shù)，通過控制開關(guān)管通斷的占空比產(chǎn)生一定幅值的電壓，再利用變壓器、穩(wěn)壓芯片等器件實現(xiàn)要求電壓的穩(wěn)定輸出。開關(guān)電源產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化控制、軍工設(shè)備、科研設(shè)備、通訊設(shè)備、電力設(shè)備、數(shù)碼產(chǎn)品等領(lǐng)域。為了解決上述問題，本文介紹了一種基于UC3842的雙入多出開關(guān)電源，直流、交流雙模輸入，7路直流輸出。

1 開關(guān)電源工作基本原理

根據(jù)開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)可知，其工作基本原理為：輸入端接入220V工頻交流電，經(jīng)輸入濾波和整流濾波，轉(zhuǎn)化為高壓直流電，通過開關(guān)電路和高頻變壓器將電壓轉(zhuǎn)化成低壓脈沖，最后經(jīng)整流濾波輸出直流電壓。電路中存在雙重反饋，即電壓反饋和電流反饋。輸出電壓對控制電路進行反饋，據(jù)此控制電路來調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比；保護電路中的電流反饋信號與誤差放大器的輸出電平相比較，用于控制鎖存器，保護電路安全。通過電壓電流的雙重反饋控制，可達到較為穩(wěn)定的電壓輸出。

2 雙入多出開關(guān)電源工作原理

本文介紹的開關(guān)電源共4個模塊：供電輸入模塊，變壓器模塊，整流穩(wěn)壓模塊。輸入為220V市電或400V高壓直流電，輸出+5V，-5V，+18V， +15V，-15V，共5種電壓值，7路輸出。

2.1 供電輸入模塊

我們可將供電輸入模塊一路輸入端設(shè)為220V的工頻交流電。D1，D2，D3，D4，構(gòu)成整流電路，再通過C1及C2濾波電容，輸出310V直流電壓。二路最大輸入為400V高壓直流電。保險管F1起過流保護作用，當(dāng)電流超過5A，保險管斷開，系統(tǒng)停止工作，保護電路及人身安全。

2.2 變壓器模塊

變壓器模塊是利用高頻耦合變壓器將高頻交變開關(guān)脈沖傳遞到副邊，再通過副邊電路輸出要求的穩(wěn)定直流電壓。本系統(tǒng)中采用的反激式變壓器具有以下作用：

（1）將原邊電壓轉(zhuǎn)化為所需電壓輸出；

（2）增加多個副邊繞組，提供多路輸出；

（3）變壓器隔離，保障了系統(tǒng)與使用者的安全。

系統(tǒng)上電后，芯片輸出驅(qū)動MOS管導(dǎo)通時，變壓器原邊電壓上正下負，當(dāng)驅(qū)動脈沖為低電平，Q1截止，啟動狀態(tài)電壓消失后，反激式變壓器釋放能量，原邊電勢為上負下正。在能量釋放過程中，反激式變壓器輔助繞組，即引腳1和2，產(chǎn)生感應(yīng)脈沖，經(jīng)二極管D7進行半波整流，然后通過C26、C27 濾波，在啟動后向UC3842供電，D5，C11，R3及C21，D6，R4 與原邊繞組構(gòu)成初級漏感吸收回路，吸收變壓器放能時的漏感，防止瞬間電流過大燒壞變壓器。

2.3 整流穩(wěn)壓模塊

本系統(tǒng)的兩路輸出整流穩(wěn)壓模塊。開關(guān)管關(guān)斷時，副邊回路導(dǎo)通，電壓通過二極管D8，D9與電容C3，C7形成的半波整流電路，后接電解電容C5，C8 濾波，然后通過穩(wěn)壓芯片LM7818CT與LM7905CT，得到輸出+18V，-5V。模塊中C4、C6、C9、C10 更好的濾除諧波，保證電壓穩(wěn)定。

其余5路輸出與上述原理相同，在此不作介紹。

3 結(jié)語

本文介紹了基于UC3842的具有直流、交流兩種模式輸入，七路直流電壓輸出的反激式開關(guān)電源。其利用脈寬調(diào)制技術(shù)得到的電壓輸出安全穩(wěn)定，易于控制，且成本低廉，能夠廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備和復(fù)雜實驗。

參考文獻：

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[3]張興.電力電子技術(shù)[M].科技出版社，2013.