| 标题 | 开关电源设计 |
| 范文 | 摘要：随着20世纪末全球对能源问题的重视，电子产品的耗能问题将愈来愈突出，如何降低其待机功耗，提高供电效率成为一个急待解决的问题。为了提高效率，人们研制出了开关式稳压电源，它是一种较理想的稳压电源。正因为如此，现代电子产品几乎渗透到了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。开关式稳压电源已广泛应用于各种电子设备中，本文对各类开关电源的工作原理作一阐述。 关键词：电源设计 仿真及应用 1 设计要求 1.1 目的和要求 开关电源通常是由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成的，指利用现代电子电力技术，控制开关接通和断开的，维持稳定输出电压的一种电源。随着电力电子技术的高速发展，各种电子设备开始充斥人们的生活，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，被广泛应用在程控交换机、通讯等设备中。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，同时也为开关电源提供了广泛的发展空间。 1.2 性质 开关电源的性质有以下几点： 1.2.1 宽电压工作范围。开关电源适用的交流电源范围很宽，当输入的交流电压在85～265V之间变化时，均可正常稳定地输出设备所需要的直流电压，输出电压的变化小于2%。因此，开关电源特别适用于电网电压不稳定、波动较大的地区。 1.2.2 功率损耗小。由于开关电源工作频率高，一般都在20kHz以上，因此滤波元件的数值大大减小，从而减小功耗，特别是开关管工作在开关状态，不需要加很大面积的散热片，目前空载功耗可以做到小于0.3W，甚至更小，较小的功率消耗使机内温升较低，机内电子元器件可以长期稳定工作，因此采用开关电源，极大地提高了整机设备的稳定性和可靠性。 1.2.3 体积小且重量轻。开关电源适配器使用的元器件虽多，但没有使用体积大、比较重的线性电源变压器，节省大量的漆包线和硅钢片，故实际体积和重量比低频线性电源适配器小得多，且轻得多。 1.2.4 安全可靠。无论哪一种类型的开关电源，其电路中都设置了各种保护电路（如过压保护、过流保护、短路保护、过温保护、欠压保护、尖峰脉冲抑制电路等）。当开关电源本身或者负载设备发生故障时，相关保护电路均会启动工作，自动切断输出，且反应灵敏、可靠。因而开关电源产品很安全，方便使用。 2 开关电源设计的综述 2.1 开关电源设计的组成及结构 开关电源大致由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部分组成。 2.1.1 主电路。冲击电流限幅：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。输入滤波器：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分。输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。 2.1.2 控制电路。一方面控制逆变器，改变其脉宽或脉频，使输出稳定；另一方面，提供控制电路对电源进行各种保护措施。 2.1.3 检测电路。提供保护电路中正在运行的各种参数和各种仪表数据。 2.1.4 辅助电源。实现电源的软件（远程）启动，为保护电路和控制电路（PWM等芯片）工作供电。 2.2 开关电源设计的优点 开关电源优点：辅助。①功耗小，效率高。在开关电源电路中，晶体管的转换速度很快，一般频率在50kHz左右，甚至在一些发达国家频率能够达到1000kHz。其高频率的特点导致其具有功耗小、效率高的优点。②体积小，重量轻。原本笨重的工频变压器不存在开关电源的原理框图。③稳压范围宽。通过调频或调宽可以控制输入信号电压。 2.3 开关电源设计的缺点 开关电源的缺点是存在较为严重的开关干扰。在一定情况下，开关电源产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件会产生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采取必要的制止措施，很可能影响整机的正常工作。 3 原理图及电路原理分析 3.1 开关电源的原理框图 交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成分的直流电压，该电压进入高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。 3.2 开关式稳压电源的基本工作原理 开关式稳压电源控制方式分为调宽式和调频式两种，在实际的应用中，调宽式使用的较多，在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数也为脉宽调制型。 3.3 开关电源分析 自激式开关稳压电源是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源，也是目前广泛使用的基本电源之一。 3.4 稳压电源 电源是整机能源的提供者，稳定的电源是提高系统性能指标的前提条件，为了保证电源部分不对性能指标造成影响。首先，是采用性能优良的集成稳压电路；其次，是采用大小功率电路分开供电。 4 开关电源设计的优化 4.1 优化的概述 各种电子设备不可缺少的一个组成部分就是电源，它性能的优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作，因此，电源设计是硬件工程师必须掌握的基本技术之一。 4.2 产生干扰的原因 ①电磁干扰的产生与传输。电磁干扰传输有两种方式：一种是传导传输方式，另一种则是辐射传输方式。②电磁干扰的产生机理。从被干扰的敏感设备角度来说，干扰耦合又可分为传导耦合和辐射耦合两类。传导耦合按其原理可分为电阻性耦合、电容性耦合和电感性耦合三种基本耦合方式；辐射耦合除了从干扰源发出的有意辐射外，还有大量的无意辐射。③电磁干扰控制技术。滤波：在设计和选用滤波器时应注意频率特性、耐压性能、额定电流等。屏蔽：电磁屏蔽按原理可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽三种。接地：接地有安全接地和信号接地两种。搭接：只有良好的搭接才能使电路完成其设计功能，使干扰的各种抑制措施得以发挥作用。布线：应选择合理的导线宽度，采取正确的布线策略。 4.3 对产品的材料精益求精 电路和器件的选择 目前市场上的电源开关都广泛地采用了工程塑料（即人们通常所说的PC材质），塑料的好坏主要看塑胶件表面光泽是否鲜亮，好的工程塑料不会出现气泡、裂纹和明显变形等缺陷，用力触按的时候具备良好的韧性。 4.4 改善开关电源设计的环境 以下几点是为直流开关电源的多种保护电路：①过电流保护电路。在直流开关电源电路中，为了保护调整管在电路短路、电流增大时不被烧毁。②过电压保护电路。直流开关电源中开关稳压器的过电压保护包括输入过电压保护和输出过电压保护。③软启动保护电路。④过热保护电路。 4.5 完善参数的设定 在电力电子各种电源系统中，开关电源技术处于核心地位。开关电源的技术概括为以下四个方面：①高频化。理论分析和实践经验表明，电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。②模块化。模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化，其二是指电源单元的模块化。③数字化。现在数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点。④绿色化。开关电源需要绿色化。 5 对开关电源的总结和趋势 开关电源设计给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了开关原先的性能。诸如红外线感应开关电源、开关稳压电源、单开关及双开关电源等，甚至各种智能型电源开关等，所有这些都是以电源为基础的。因此研究开关电源设计的仿真及应用，有着非常现实的意义。 参考文献： [1]张占松，蔡宣三编著.开关电源的原理与设计[M].电子工业出版社，2004. [2]张新德.开关电源维修[M].第二版.机械工业出版社，2009. [3]路勇，高文焕主编.电子电路试验及仿真[M].北京清华大学出版社，1999. [4]（美）玛尼克塔拉（Maniktala，S.）著.开关电源设计与优化[M].王志强，郑俊杰等译.电子工业出版社，2006. [5]汤自春，许建平.PLC原理及应用技术[M].第二版.高等教育出版社，2011. 作者简介：陈志明（1984-），男，福建漳州人，副主任，初级助理工程师，研究方向：电子工程。 |
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