开关电源系统基本组成部分(Voltage Mode PWM System)
开关电源环路分析和设计流程
开关电源环路的小信号传函
Flyback
TL431
Power Stage
Flyback PWM Stage
右半平面零点
PWM Stage
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考虑斜率补偿后的
考虑斜率补偿后的
考虑斜率补偿后的
考虑斜率补偿后的
考虑斜率补偿后的
DCM模式下
电流模式与电压模式的直观理解
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开关电源控制环设计 资料来源：Switching power supply control loop design(ASTEC-Application Note 5) 译者：smartway 1. 绪论 在开关模式的功率转换器中，功率开关的导通时间是根据输入和输出电压来调节的。因而，功率转换器是一种反映输入与输出的变化而使其导通时间被调制的独立控制系统。由于理论近似，控制环的设计往往陷入复杂的方程式中，使开关电源的控制设计面临挑战并且常常走入误区。下面几页将展示控制环的简单化近似分析，首先大体了解开关电源系统中影响性能的各种参数。给出一个实际的开关电源作为演示以表明哪些器件与设计控制环的特性有关。测试结果和测量方法也包含在其中。 2. 基本控制环概念 2.1 传输函数和博得图 系统的传输函数定义为输出除以输入。它由增益和相位因素组成并可以在博得图上分别用图形表示。整个系统的闭环增益是环路里各个部分增益的乘积。在博得图中，增益用对数图表示。因为两个数的乘积的对数等于他们各自对数的和，他们的增益可以画成图相加。系统的相位是整个环路相移之和。 2.2 极点 数学上，在传输方程式中，当分母为零时会产生一个极点。在图形上，当增益以20dB 每十倍频的斜率开始递减时，在博得图上会产生一个极点。图1举例说明一个低通滤波器通常在系统中产生一个极点。其传输函数和博得图也一并给出。 2.3 零点 零点是频域范围内的传输函数当分子等于零时产生的。在博得图中，零点发生在增益以20dB每十倍频的斜率开始递增的点，并伴随有90度的相位超前。图2描述一个由高通滤波器电路引起的零点。
存在第二种零点，即右半平面零点，它引起相位滞后而非超前。伴随着增益递增，右半平面零点引起90度的相位滞后。右半平面零点经常出现于BOOST和BUCK-BOOST转换器中，所以，在设计反馈补偿电路的时候要非常警惕，以使系统的穿越频率大大低于右半平面零点的频率。右半平面零点的博得图见图3。 3.0 开关电源的理想增益相位图 设计任何控制系统首先必须清楚地定义出目标。通常，这个目标是建立一个简单的博得图以达到最好的系统动态响应，最紧密的线性和负载调节率和最好的稳定性。理想的闭环博得图应该包含三个特性：足够的相位裕量，宽的带宽，和高增益。高的相位裕量能阻尼振荡并缩短瞬态调节时间。宽的带宽允许电源系统快速响应线性和负载的突变。高的增益保证良好的线性和负载调节率。
毕业论文 题目：1000A智能型万能式断路器设计 学院：电气信息学院 专业：电气工程及其自动化班级： 1101 学号： 2011XXXXXXX 学生： XXXXXX 导师：梁锦 完成日期： 2015 年 6 月 15 日
诚信声明 本人声明： 1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果； 2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料； 3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有容均真实、可信。 作者签名：日期：年月日
毕业设计（论文）任务书 题目： 1000A智能型万能式断路器设计 XXX 学院电气信息学院专业电气工程及其自动化班级 XXX学号 2011XXXXX 指导老师梁锦职称副教授教研室主任谢卫才 一、基本任务及要求： 1. 断路器整体结构设计。 2. 智能脱扣器设计，这一部分是重点，包括互感器设计计算，参量采样，输出模块设 计，硬件设计，软件设计等。 3. 电磁兼容设计。 4. 各功能模块的配合，全部器件的装配。 二、进度安排及完成时间： 3月5日至3月16日：查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告 3月18日至3月30日：毕业实习 4月1日至4月10日：总体方案的确定 4月11日至5月5日：硬件系统的设计 5月6日至5月20日：软件设计 5月21日至6月8日：撰写毕业设计说明书（论文） 6月9日至6月12日：修改、装订毕业设计说明书（论文） 6月13日至6月18日：毕业设计答辩
目录 摘要...................................................................... I ABSTRACT: ................................................................ II 第1章概述 (1) 1.1 智能型万能式断路器开发的目的与意义 (1) 1.2 智能脱扣器的发展 (1) 1.3课题主要研究容 (2) 第2章方案设计及断路器保护功能 (3) 2.1 方案的总体设计 (3) 2.1.1智能监控单元 (3) 2.1.2系统总方案的设计 (3) 2.2 电压电流测量方法的选择 (4) 2.2.1 交流电参数的定义 (4) 2.2.2 采样定理 (6) 2.3 同步采样法在交流测量中的应用 (7) 2.3.1 同步采样定义 (7) 2.3.2 同步采样计算公式 (7) 2.4 万能式断路器 (8) 2.4.1 断路器零部件的设计 (8) 2.4.2 断路器的保护功能 (12) 第3章硬件电路设计 (14) 3.1 单片机的选择 (15) 3.1.1 主控单元的确定 (15) 3.2智能脱扣器电源 (17) 3.3 智能脱扣器电路 (17) 3.4 数据采集 (19) 3.4.1信号采样、处理电路 (19) 3.5 A/D转换电路 (21) 3.5.1 ADC0809简要介绍 (21) 3.5.2 ADC0809与单片机的接口电路 (23) 3.6 键盘、显示接口电路 (24) 3.7 8051与PC通讯接口电路 (26) 3.7.1 RS-232-C接口标准 (27) 3.7.2 RS-232-C传输接口电路的设计 (27) 3.8 报警电路 (28)
模拟断路器设计 谢辉庆，李学全，康忠诚 （重庆市忠县供电有限责任公司智能应用组） [摘要]：继电保护广泛应用于电力、交通、通信等行业，为了更好的进行继电保护工作，设计了一套模拟断路器，以模拟断路器代替真实的高压断路器，接受继电保护装置发来的跳合闸命令，也可以用模拟断路器代替继电保护装置发出跳合闸命令给高压断路器，对高压断路器进行跳合闸测试。 [关键词]：模拟断路器高压断路器继电保护装置高电平低电平 0 引言 多年从事继电保护工作，经常进行继电保护装置及高压断路器调试，经常遇到以下问题：①重复整组试验，高压断路器反复跳合闸试验动作，缩短高压断路器寿命，对高压断路器机械结构带来不利的影响；②年度预试定检，继电保护调试人员和高压断路器检修人员同时争用高压断路器，检修高压断路器的工作人员和继电保护装置调试人员只能轮流检修作业，一般是先让检修高压断路器的工作人员将高压断路器检修好后，继电保护装置调试人员再调试继电保护装置，结果延长了电力线路停电时间，工作效率很低；③因高压断路器处于通电运行状态，不允许停电，继电保护装置检查排障时，不可能直接将带电运行高压断路器跳闸。基于上述三个原因，迫切希望有一种便携仪器代替高压断路器。在此设计一个模拟断路器，以模拟断路器代替真实的高压断路器，接受继电保护装置发来的跳合闸命令，也可以用模拟断路器代替继电保护装置发出跳合闸命令给高压断路器，对高压断路器进行跳合闸测试。 本文介绍的模拟断路器设计主要有以下几大功能和特点：①以模拟断路器代替实际的高压断路器，接受继电保护装置发来的跳合闸命令；②以模拟断路器代替继电保护装置发出跳合闸命令，传递给高压断路器，对高压断路器进行跳合闸测试；③模拟断路器操作电压适应范围宽，交直流220V和交直流110V 均可自由选择；④模拟断路器工作电源交流220V和交流110V可选，工作环境适应能力强；⑤模拟断路器电路简捷，电器元件易寻购，性价比高。 1 设计原理 1.1 模拟断路器设计原理简介 图1是本文设计的模拟断路器原理图。模拟断路器由工作电源回路、逻辑控制回路、就地跳合闸回路、模式转换回路、远动信号接收回路等五部分组成。电源回路主要由电源变压器BYQ、电源滤波电感L1、整流桥BR2、滤波电容C1、C2、C3、C4、稳压集成IC1和IC2等元器件组成。逻辑控制回路主要由数字或门集成IC3、与非门集成IC4和IC5、驱动光耦OP3和OP4、逻辑互锁继电器DL1、DL2等元器件组成。就地合闸回路主要由合闸按钮HA、跳闸指示灯LD、整流桥BR1、跳闸状态采集二极管D1—D4、DL1-CK、DL2-CB、合闸线圈HC1、HC2、万能转换开关触点L1、L2、R1等元器件组成。就地跳闸回路主要由合闸按钮TA、合闸指示灯HD、整流桥BR3、合闸状态采集二极管D8—D11、DL1-CB、DL2-CK、跳闸线圈TQ1、TQ2、万能转换开关触点L3、L4、R2等元器件组成。远动信号接收回路主要由BR4、BR5、DL3、DL4等元器件组成。 1.2 模拟断路器内部电路工作电源设计 1.2.1 工作电压设计 模拟断路器内部电路工作电源分为+24V和+5V两种，考虑到模拟断路器需长期稳定工作，对电源纹波要求较高，模拟断路器选择了使用环型高磁耦合电源变压器，将交流220V单相电源降压成交流24V，变压器BYQ的抽头置为24V档（同时还预留了48V档，若模拟断路器工作外部电源电压为交流110V环境，则抽头置为48V档即可），交流24V电压通过L1高频阻波电感，滤除电源高频纹波，经BR2整流桥整流，C2稳流滤波，C3高频退耦，整流后得到的直流电压V o V o=1.2V i=1.2×24=28.8V V o分两路输入到串联型稳压电源集成输入脚，一路输入到IC1的①脚，IC1的③脚输出稳定的直流
1. 绪论 在开关模式的功率转换器中，功率开关的导通时间是根据输入和输出电压来调节的。因而，功率转换器是一种反映输入与输出的变化而使其导通时间被调制的独立控制系统。由于理论近似，控制环的设计往往陷入复杂的方程式中，使开关电源的控制设计面临挑战并且常常走入误区。下面几页将展示控制环的简单化近似分析，首先大体了解开关电源系统中影响性能的各种参数。给出一个实际的开关电源作为演示以表明哪些器件与设计控制环的特性有关。测试结果和测量方法也包含在其中。 2. 基本控制环概念 2.1 传输函数和博得图 系统的传输函数定义为输出除以输入。它由增益和相位因素组成并可以在博得图上分别用图形表示。整个系统的闭环增益是环路里各个部分增益的乘积。在博得图中，增益用对数图表示。因为两个数的乘积的对数等于他们各自对数的和，他们的增益可以画成图相加。系统的相位是整个环路相移之和。 2.2 极点 数学上，在传输方程式中，当分母为零时会产生一个极点。在图形上，当增益以20dB每十倍频的斜率开始递减时，在博得图上会产生一个极点。图1举例说明一个低通滤波器通常在系统中产生一个极点。其传输函数和博得图也一并给出。 2.3 零点 零点是频域范围内的传输函数当分子等于零时产生的。在博得图中，零点发生在增益以20dB每十倍频的斜率开始递增的点，并伴随有90度的相位超前。图2 描述一个由高通滤波器电路引起的零点。 存在第二种零点，即右半平面零点，它引起相位滞后而非超前。伴随着增益递增，右半平面零点引起90度的相位滞后。右半平面零点经常出现于BOOST和
BUCK-BOOST转换器中，所以，在设计反馈补偿电路的时候要非常警惕，以使系统的穿越频率大大低于右半平面零点的频率。右半平面零点的博得图见图3。 3.0 开关电源的理想增益相位图 设计任何控制系统首先必须清楚地定义出目标。通常，这个目标是建立一个简单的博得图以达到最好的系统动态响应，最紧密的线性和负载调节率和最好的稳定性。理想的闭环博得图应该包含三个特性：足够的相位裕量，宽的带宽，和高增益。高的相位裕量能阻尼振荡并缩短瞬态调节时间。宽的带宽允许电源系统快速响应线性和负载的突变。高的增益保证良好的线性和负载调节率。 3.1 相位裕量 参看图4，相位裕量是在穿越频率处相位高于0度的数量。这不同于大多数控制系统教科书里提出的从-180度开始测量相位裕量。其中包括DC负反馈所提供的180度初始相移。在实际测量中，这180度相移在DC处被补偿并允许相位裕量从0度开始测量。 根据奈奎斯特稳定性判据，当系统的相位裕量大于0度时，此系统是稳定的。然而，有一个边界稳定区域存在，此处（指边界稳定区，译注），系统由于瞬态响应引起振荡到经过一个长的调节时间最终稳定下来。如果相位裕量小于45度，
6.4 开关电源闭环设计 从反馈基本概念知道：放大器在深度负反馈时，如输入不变，电路参数变化、负载变化或干扰对输出影响减小。反馈越深，干扰引起的输出误差越小。但是，深反馈时，反馈环路在某一频率附加相位移如达到180°,同时输出信号等于输入信号，就会产生自激振荡。 开关电源不同于一般放大器，放大器加负反馈是为了有足够的通频带，足够的稳定增益，减少干扰和减少线性和非线性失真。而开关电源，如果要等效为放大器的话，输入信号是基准（参考）电压U ref ，一般说来，基准电压是不变的；反馈网络就是取样电路，一般是一个分压器，当输出电压和基准 一定时，取样电路分压比（k v ）也是固定的（U o =k v U ref ） 。开关电源不同于放大器，内部（开关频率）和外部干扰（输入电源和负载变化）非常严重，闭环设计目的不仅要求对以上的内部和外部干扰有很强抑制能力，保证静态精度，而且要有良好的动态响应。 对于恒压输出开关电源，就其反馈拓扑而言，输入信号（基准）相当于放大器的输入电压，分压器是反馈网络，这就是一个电压串联负反馈。如果恒流输出，就是电流串联负反馈。 如果是恒压输出，对电压取样，闭环稳定输出电压。因此，首先选择稳定的参考电压，通常为5～6V 或2.5V ，要求极小的动态电阻和温度漂移。其次要求开环增益高，使得反馈为深度反馈，输出电压才不受电源电压和负载（干扰）影响和对开关频率纹波抑制。一般功率电路、滤波和PWM 发生电路增益低，只有采用运放（误差放大器）来获得高增益。再有，由于输出滤波器有两个极点，最大相移180°，如果直接加入运放组成反馈，很容易自激振荡，因此需要相位补偿。根据不同的电路条件，可以采用Venable 三种补偿放大器。补偿结果既满足稳态要求，又要获得良好的瞬态响应，同时能够抑制低频纹波和对高频分量衰减。 6.4.1 概述 图6.31为一个典型的正激变换器闭环调节的例子。可以看出是一个负反馈系统。PWM 控制芯片中包含了误差放大器和PWM 形成电路。控制芯片也提供许多其他的功能，但了解闭环稳定性问题，仅需 考虑误差放大器和PWM 。 对于输出电压U o 缓慢或直流变化,闭环当然是稳定的。例如输入电网或负载变化（干扰），引起U o 的变化，经R 1和R 2取样（反馈网络），送到误差放大器EA 的反相输入端，再与加在EA 同相输入端的参考电压(输入电压)U ref 比较。将引起EA 的输出直流电平U ea 变化，再送入到脉冲宽度调制器PWM 的输入端A 。在PWM 中，直流电平U ea 与输入B 端0～3V 三角波U t 比较，产生一个矩形脉冲输出，其宽度t on 等于三角波开始时间t0到PWM 输入B 三角波与直流电平相交时间t1。此脉冲宽度决定了芯片中输出晶体管导通时间，同时也决定了控制晶体管Q1的导通时间。U dc 的增加引起U y 的增加，因U o =U y t o n /T ，U o 也随之增加。U o 增加引起Us 增加，并因此U ea 的减少。从三角波开始到t1的t on 相应减少， U o 恢复到它的初始值。当然，反之亦然。 PWM 产生的信号可以从芯片的输出晶体管发射极或集电极输出，经电流放大提供Q1基极驱动。但不管从那一点－发射极还是集电极－输出，必须保证当U o 增加，要引起t on 减少,即负反馈。 应当注意，大多数PWM 芯片的输出晶 体管导通时间是t0到t1。对于这样的芯片，U s 送到EA 的反相输入端，PWM 信号如果驱动功率NPN 晶体管基极（N 沟道MOSFET 的栅极），则芯片输出晶体管应由发射极输出。 然而，在某些PWM 芯片（TL494）中，它们的导通时间是三角波U t 与直流电平（U ea ）相交时间 图6.31 典型的正激变换器闭环控制
开关电源（Buck电路）的小信号模型及环路设计 万山明，吴芳 (华中科技大学电气与电子工程学院，湖北武汉430074） 摘要：建立了Buck电路在连续电流模式下的小信号数学模型，并根据稳定性原则分析了电压模式和电流模式控制下的环路设计问题。 关键词：开关电源；小信号模型；电压模式控制；电流模式控制 0 引言 设计一个具有良好动态和静态性能的开关电源时，控制环路的设计是很重要的一个部分。而环路的设计与主电路的拓扑和参数有极大关系。为了进行稳定性分析，有必要建立开关电源完整的小信号数学模型。在频域模型下，波特图提供了一种简单方便的工程分析方法，可用来进行环路增益的计算和稳定性分析。由于开关电源本质上是一个非线性的控制对象，因此，用解析的办法建模只能近似建立其在稳态时的小信号扰动模型，而用该模型来解释大范围的扰动（例如启动过程和负载剧烈变化过程）并不完全准确。好在开关电源一般工作在稳态，实践表明，依据小信号扰动模型设计出的控制电路，配合软启动电路、限流电路、钳位电路和其他辅助部分后，完全能使开关电源的性能满足要求。开关电源一般采用Buck电路，工作在定频PWM控制方式，本文以此为基础进行分析。采用其他拓扑的开关电源分析方法类似。 1 Buck电路电感电流连续时的小信号模型 图1为典型的Buck电路，为了简化分析，假定功率开关管S和D1为理想开关，滤波电感L为理想电感（电阻为0），电路工作在连续电流模式（CCM）下。R e为滤波电容C的等效串联电阻，R o为负载电阻。各状态变量的正方向定义如图1中所示。 图1 典型Buck电路
S 导通时，对电感列状态方程有 O U Uin dt dil L -= ⑴ S 断开，D 1续流导通时，状态方程变为 O U dt dil L -= （2） 占空比为D 时，一个开关周期过程中，式（1）及式（2）分别持续了DT s 和（1－D ）T s 的时间（T s 为开关周期），因此，一个周期内电感的平均状态方程为 ())()(O in O O in U DU U D U U D dt dil L -=--+-=1 稳态时，dt dil =0，则DU in =U o 。这说明稳态时输出电压是一个常数，其大小与占空比D 和输入电压U in 成 正比。 由于电路各状态变量总是围绕稳态值波动，因此，由式（3）得 L =(D ＋d )(U in ＋)－(U o ＋) （4） 式（4）由式（3）的稳态值加小信号波动值形成。上标为波浪符的量为波动量，d 为D 的波动量。式（4）减式（3）并略去了两个波动量的乘积项得 L =D ＋dU in － （5） 由图1，又有 i L =C ＋ （6） U o =U c ＋R e C （7）
输入输出电压关系 D T Ton Vin Vout == 开关管电流 Iout Iq =(max)1开关管电压 Vin Vds =二极管电流 ) 1(1D Iout Id ?×=二极管反向电压 Vin Vd =12、BOOST 电路 输入输出电压关系 D Ton T T Vin Vout ?= ?=11 开关管电流 11( (max)1D Iout Iq ?×=开关管电压 Vout Vds =二极管电流 Iout Id =1二极管反向电压 Vout Vd =13、BUCK BOOST 电路 输入输出电压关系 D D Ton T Ton Vin Vout ?= ?=1开关管电流 11( (max)1D Iout Iq ?×=开关管电压 Vout Vin Vds ?=二极管电流 Iout Id =1二极管反向电压 Vout Vin Vd ?=1
输入输出电压关系 D D Vin Vout ?= 1开关管电流 )1( (max)1D D Iout Iq ?×=开关管电压 Vout Vin Vds +=二极管电流 Iout Id =1二极管反向电压 Vin Vout Vd +=15、FLYBACK 电路 输入输出电压关系 Lp Iout Vout T D Vin Vout ×××=2开关管电流 (max)1Lp Ton Vin Iq ×= 开关管电压 Ns Np Vout Vin Vds × +=二极管电流 Iout Id =1二极管反向电压 Np Ns Vin Vout Vd × +=16、FORW ARD 电路 输入输出电压关系 D Np Ns T Ton Np Ns Vin Vout ×=×=开关管电流 Iout Np Ns Iq ×= (max)1开关管电压 Vin Vds ×=2二极管电流 D Iout Id ×=1
开关电源PCB设计要点及实例分析 开关电源PCB设计要点及实例分析 开关电源PCB设计要点及实例分析 为了适应电子产品飞快的更新换代节奏，产品设计工程师更倾向于选择在市场上很容易采购到的AC/DC适配器，并把多组直流电源直接安装在系统的线路板上。由于开关电源产生的电磁干扰会影响到其电子产品的正常工作，正确的电源PCB设计就变得非常重要。开关电源PCB设计与数字电路PCB设计完全不一样。在数字电路排版中，许多数字芯片可以通过PCB软件来自动排列，且芯片之间的连接线可以通过PCB软件来自动连接。用自动排版方式排出的开关电源肯定无法正常工作。所以,设计人员需要对开关电源PCB设计基本规则和开关电源工作原理有一定的了解。 1 开关电源PCB设计基本要点 1.1 电容高频滤波特性 图1是电容器基本结构和高频等效模型。 图1 电容器结构和寄生等效串联电阻和电感 电容的基本公式是 C=Εrε0 （1）
式（1）显示，减小电容器极板之间的距离（D）和增加极板的截面积（A）将增加电容器的电容量。 电容通常存在等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）二个寄生参数。图2是电容器在不同工作频率下的阻抗（ZC）。 图2 电容阻抗（ZC）曲线 一个电容器的谐振频率（F0）可以从它自身电容量（C）和等效串联电感量（LESL）得到，即 F0= （2） 当一个电容器工作频率在F0以下时，其阻抗随频率的上升而减小，即 ZC= （3） 当电容器工作频率在F0以上时，其阻抗会随频率的上升而增加，即 ZC=J2πfLESL（4） 当电容器工作频率接近F0时，电容阻抗就等于它的等效串联电阻（RESR）。 电解电容器一般都有很大的电容量和很大的等效串联电感。由于它的谐振频率很低，所以只能使用在低频滤波上。钽电容器一般都有较大电容量和较小等效串联电感，
要制造好高频变压器要注意两点： 一是每个绕组要选用多股细铜线并在一同绕,不要选用单根粗铜线,简略地说便是高频交流电只沿导线的表面走,而导线内部是不走电流的实习是越挨近导线中轴电流越弱,越挨近导线表面电流越强。选用多股细铜线并在一同绕,实习便是为了增大导线的表面积,然后更有效地运用导线。 二是高频逆变器中高频变压器最好选用分层、分段绕制法,这种绕法首要目的是削减高频漏感和降低分布电容。 1、次级绕组：初级绕组绕完，要加绕(3~5层绝缘垫衬再绕制次级绕组。这样可减小初级绕组和次级绕组之间分布电容的电容量，也增大了初级和次级之间的绝缘强度，契合绝缘耐压的需求。减小变压器初级和次级之间的电容有利于减小开关电源输出端的共模打扰。若是开关电源的次级有多路输出，而且输出之间是不共地的为了减小漏感，让功率最大的次级接近变压器的初级绕组。 若是这个次级绕组只要相对较少几匝，则为了改善耦合状况，仍是应当设法将它布满完好的一层，如能够选用多根导线并联的方法，有助于改善次级绕组的填充系数。其他次级绕组严密的绕在这个次级绕组的上面。当开关电源多路输出选用共地技能时，处置方法简略一些。次级能够选用变压器抽头方式输出，次级绕组间不需要采用绝缘阻隔，从而使变压器的绕制愈加紧凑，变压器的磁耦合得到加强，能够改善轻载时的稳压功能。 2、初级绕组：初级绕组应放在最里层，这样可使变压器初级绕组每一匝用线长度最短，从而使整个绕组的用线为最少，这有效地减小了初级绕组自身的分布电容。通常状况下，变压器的初级绕组被规划成两层以下的绕组，可使变压器的漏感为最小。初级绕组放在最里边，使初级绕组得到其他绕组的屏蔽，有助于减小变压器初级绕组和附近器材之间电磁噪声的相互耦合。初级绕组放在最里边，使初级绕组的开始端作为衔接开关电源功率晶体管的漏极或集电极驱动端，可削减变压器初级对开关电源其他有些电磁打扰的耦合。 3、偏压绕组：偏压绕组绕在初级和次级之间，仍是绕在最外层，和开关电源的调整是依据次级电压仍是初级电压进行有关。若是电压调整是依据次级来进行的则偏压绕组应放在初级和次级之间，这样有助于削减电源发生的传导打扰发射。若是电压调整是依据初级来进行的则偏压绕组应绕在变压器的最外层，这可使偏压绕组和次级绕组之间坚持最大的耦合，而与初级绕组之间的耦合减至最小。 初级偏压绕组最佳能布满完好的一层，若是偏压绕组的匝数很少，则能够采用加粗偏压绕组的线径，或许用多根导线并联绕制，改善偏压绕组的填充状况。这一改善方法实际上也改善了选用次级电压来调理电源的屏蔽才干，相同也改善了选用初级电压来调理电源时，次级绕组对偏压绕组的耦合状况。 高频变压器匝数如何计算？很多设计高频变压器的人都会有对于匝数的计算问题，那么我们应该如何来计算高频变压器的匝数，从而解决这个问题？接下来，晨飞电子就为大家介绍下匝数的计算方法：
智能断路器的设计方案 一． 系统的整体框架 二． 智能断路器各个模块映射的通信协议栈及通信特点 断路器位置 刀闸位置 弹簧状态 合闸控制信号 开关位置信息 分合闸命令 断路器 遥控 储能电机操作电流 刀闸电机操作电流 分闸线圈操作电流 合闸线圈操作电流 开关触头的温升 灭弧室真空度 分闸速度 合闸速度 保 护电流 测量电流 保护电压 测量电压
从图中可以瞧出:MMS映射了全部的A协议集与T协议集,复杂程度最高。但就是该模块主要实现的就是断路器参数的在线检测与远程控制,因此对通信的实时性要求并不高,基本上就是以人的反映时间为准。 GOOSE模块直接映射到了以太网,其目的就是保证分合闸GOOSE报文的快速传递,因此它的特点就是:通信映射简单,但就是实时性要求高,GOOSE报文的时延必须小于2ms。 SMV也直接映射到了以太网,其特点就是:实现简单,但就是实时性要求最高,SMV的时延必须控制在微秒级。 三．具体的实现方案 1.方案一
图中所示为南瑞的开关设备智能装置实现方案。CPU采用Freescale公司高性能32位微处理器,考虑到GOOSE与SMV的强实时性要求,在系统中嵌入Vxworks专业硬实时操作系统。MMS,GOOSE,SMV全部在嵌入式单系统中实现。 其优点就是:结构紧凑,硬件平台比较简单,实现起来相对容易; 缺点就是:①采用专业的实时操作系统直接提高了研发经费,个人觉得仅仅为了满足GOOSE与SMV的实时性而采用Vxworks有点浪费; ②由于该系统只采用了61850定义的逻辑节点进行建模,因此系统在线检测的信息种类相对偏少。应该按照62271-3标准进行建模,个别的检测参数如果在标准中没有对应的数据对象,可以考虑扩展建模。 ③由于CPU的IO口有限,该方案中的电流互感器与电压互感器采样信号只能以QSPI(同步队列串行接口)方式通过CPU的IO口送入CPU中。这种方式下将不可避免的会造成采样值的巨大时延,产生很大的相位偏移。这种 时延在电子式互感器的设计规范中将不可容忍。 2.方案二
开关电源控制环设计原理 1. 绪论 在开关模式的功率转换器中，功率开关的导通时间是根据输入和输出电压来调节的。因而，功率转换器是一种反映输入与输出的变化而使其导通时间被调制的独立控制系统。由于理论近似，控制环的设计往往陷入复杂的方程式中，使开关电源的控制设计面临挑战并且常常走入误区。下面几页将展示控制环的简单化近似分析，首先大体了解开关电源系统中影响性能的各种参数。给出一个实际的开关电源作为演示以表明哪些器件与设计控制环的特性有关。测试结果和测量方法也包含在其中。 2. 基本控制环概念 2.1 传输函数和博得图 系统的传输函数定义为输出除以输入。它由增益和相位因素组成并可以在博得图上分别用图形表示。整个系统的闭环增益是环路里各个部分增益的乘积。在博得图中，增益用对数图表示。因为两个数的乘积的对数等于他们各自对数的和，他们的增益可以画成图相加。系统的相位是整个环路相移之和。 2.2 极点 数学上，在传输方程式中，当分母为零时会产生一个极点。在图形上，当增益以20dB 每十倍频的斜率开始递减时，在博得图上会产生一个极点。图1举例说明一个低通滤波器通常在系统中产生一个极点。其传输函数和博得图也一并给出。 图1 2.3 零点 零点是频域范围内的传输函数当分子等于零时产生的。在博得图中，零点发生在增益以20dB每十倍频的斜率开始递增的点，并伴随有90度的相位超前。图2描述一个由高通滤波器电路引起的零点。
图2 存在第二种零点，即右半平面零点，它引起相位滞后而非超前。伴随着增益递增，右半平面零点引起90度的相位滞后。右半平面零点经常出现于BOOST和BUCK-BOOST 转换器中，所以，在设计反馈补偿电路的时候要非常警惕，以使系统的穿越频率大大低于右半平面零点的频率。右半平面零点的博得图见图3。 图3 3.0 开关电源的理想增益相位图 设计任何控制系统首先必须清楚地定义出目标。通常，这个目标是建立一个简单的博得图以达到最好的系统动态响应，最紧密的线性和负载调节率和最好的稳定性。理想的闭环博得图应该包含三个特性：足够的相位裕量，宽的带宽，和高增益。高的相位裕量能阻尼振荡并缩短瞬态调节时间。宽的带宽允许电源系统快速响应线性和负载的突变。高的增益保证良好的线性和负载调节率。
开关电源热阻计算方法及热管理 我们设计的DC-DC电源一般包含电容、电感、肖特基、电阻、芯片等元器件；电源产品的转换效率不可能做到百分百，必定会有损耗，这些损耗会以温升的形式呈现在我们面前，电源系统会因热设计不良而造成寿命加速衰减。所以热设计是系统可靠性设计环节中尤为重要的一面。但是热设计也是十分困难的事情，涉及到的因素太多，比如电路板的尺寸和是否有空气流动。 我们在查看IC产品规格书时，经常会看到R JA 、T J 、T STG 、T LEAD 等名词；首先R JA 是指芯 片热阻，即每损耗1W时对应的芯片结点温升，T J 是指芯片的结温，T STG 是指芯片的存储温 度范围，T LEAD 是指芯片的加工温度。 二、术语解释 首先了解一下与温度有关的术语：T J 、T A 、T C 、T T 。由“图1”可以看出，T J 是指芯片 内部的结点温度，T A 是指芯片所处的环境温度，T C 是指芯片背部焊盘或者是底部外壳温度， T T 是指芯片的表面温度。 数据表中常见的表征热性能的参数是热阻R JA ，R JA 定义为芯片的结点到周围环境的热阻。 其中T J = T A +（R JA *P D ） 图1.简化热阻模型 对于芯片所产生的热量，主要有两条散热路径。第一条路径是从芯片的结点到芯片 顶部塑封体(R JT )，通过对流/辐射(R TA )到周围空气；第二条路径是从芯片的结点到背部焊 盘(R JC )，通过对流/辐射(R CA )传导至PCB板表面和周围空气。 对于没有散热焊盘的芯片，R JC 是指结点到塑封体顶部的热阻；因为R JC 代表从芯片内 的结点到外界的最低热阻路径。 三、典型热阻值 表1典型热阻
开关电源PCB设计实例 标签：开关电源PCB 印制电路板的制作 所有开关电源设计的最后一步就是印制电路板(PCB)的线路设计。如果这部分设计不当，PCB也会使电源工作不稳定，发射出过量的电磁干扰(EMI)。设计者的作用就是在理解电路工作过程的基础上，保证PCB设计合理。 开关电源中，有些信号包含丰富的高频分量，因而任何一条PCB引线都可能成为天线。引线的长和宽影响它的电阻和电感量，进而关系到它们的频率响应。即使是传送直流信号的引线，也会从邻近的引线上引入RF(射频)信号，使电路发生故障，或者把这干扰信号再次辐射出去。所有传送交流信号的引线要尽可能短且宽。这意味着任何与多条功率线相连的功率器件要尽可能紧挨在一起，以减短连线长度。引线的长度直接与它的电感量和电阻量成比例，它的宽度则与电感量和电阻量成反比。引线长度就决定了其响应信号的波长，引线越长，它能接收和传送的干扰信号频率就越低，它所接收到的RF(射频)能量也越大。 主要电流环路 每一个开关电源内部都有四个电流环路，每个环路要与其他环路分开。由于它们对PCB布局的重要性，下面把它们列出来： 1．功率开关管交流电流环路。 2．输出整流器交流电流环路。 3．输入电源电流环路。 4．输出负载电流环路。
图59a、b、c画出了三种主要开关电源拓扑的环路。 通常输入电源和负载电流环路并没有什么问题。这两个环路上主要是在直流电流上叠加了一些小的交流电流分量。它们一般有专门的滤波器来阻止交流噪声进入周围的电路。输入和输出电流环路连接的位置只能是相应的输入输出电容的接线端。输入环路通过近似直流的电流对输入电容充电，但它无法提供开关电源所需的脉冲电流。输入电容主要是起到高频能量存储器的作用。类似地，输出滤波电容存储来自输出整流器的高频能量，使输出负载环能以直流方式汲取能量。因此，输入和输出滤波电容接线端的放置很重要。如果输入或输出环与功率开关或整流环的连接没有直接接到电容的两端，交流能量就会从输入或输出滤波电容上流进流出，并通过输入和输出电流环“逃逸”到外面环境中。 功率开关和整流器的交流电流环路包含非常高的PWM开关电源典型的梯形电流波形。这些波形含有延展到远高于基本开关频率的谐波。这些交流电流的峰值有可能是连续输入或输出直流电流的2～5倍。典型的转换时间大约是50ns，因而这两个环路最有可能产生电磁干扰(EMI)。 在电源PCB制作中，这些交流电流环路的布线要在其他引线之前布好。每个环路由三个主要器件组成：滤波电容、功率开关管或整流器、电感或变压器。它们的放置要尽可能靠近。这些器件的方向也要确定好，以使它们之间的电流通路尽可能短。图60就
环路相位-开关电源稳定性设计 专业技术 环路相位-开关电源稳定性设计 摘要：环路,相位,增益,负载,开关电源,稳定性,电压,相移,电源,频率, 信号接收机-基于单芯片的GPS接收机硬件设计白光调光-白光和彩色光智能照明系统解决方案设备方案-台达UPS在中小企业中的创新应用方案触摸屏电容-电容式触摸屏系统解决方案测量肺活量-利用高性能模拟器件简化便携式医疗设备设计测量温度-热敏电阻(NTC>的基本参数及其应用动能产品-动能电子企业文化活动丰富员工生活电路板镀锡-无锡华文默克发布PCB/SMT工艺方案引擎电压-采用接近传感器的火花探测器太阳能控制器-太阳能LED街灯的挑战及安森美半导体高能效解决方案众所周知，任何闭环系统在增益为单位增益l，且内部随频率变化的相移为360°时，该闭环控制系统都会存在不稳定的可能性。因此几乎所有的开关电源都有一个闭环反馈控制系统，从而能获得较好的性能。在负反馈系统中，控制放大 器的连接方式有意地引入了180°相移，如果反馈 众所周知，任何闭环系统在增益为单位增益l，且内部随频率变化的相移为360°时，该闭环控制系统都会存在不稳定的可能性。因此几乎所有的开关电源都有一个闭环反馈控制系统，从而能获得较好的性能。在负反馈系统中，控制放大器的连接方式有意地引入了180°相移，如果反馈的相位保持在180°以内，那么控制环路将总是稳定的。当然，在现实中这种情况是不会存在的，由于各种各样的开关延时和电抗引入了额外的相移，如果不采用适合的环路补偿，这类相移同样会导致开关电源的不稳 定。 1 稳定性指标衡量开关电源稳定性的指标是相位裕度和增益裕度。相位裕度是指：增益降到0dB 时所对应的相位。增益裕度是指：相位为-180度时所对应的增益大小(实际是衰减>。在实际设计开关电源时，只在设计反激变换器时才考虑增益裕度，设计其它变换器时，一般不使用增益裕度。在开关电源设计中，相位裕度有两个相互独立作用：一是可以阻尼变换器在负载阶跃变化时出现的动态过程；另一个作用是当元器件参数发生变化时，仍然可以保证系统稳定。相位裕度只能用来保证“小信号稳定”。在负载阶跃变化时，电源不可避免要进入“大信号稳定”范围。工程中我们认为在室温和标准输入、正常负载条件下，环路的相位裕度要求大于45°。在各种参数变化和误差情况下，这个相位裕度足以确保系统稳定。如果负载变化或者输入电压范围变化非常大，考虑在所有负载和输入电压下环路和相位裕度应大于30°。如图l所示为开关电源控制方框示意图，开关电源控制环路由以下3
【开篇】 针对开关电源很多人觉得难，主要是理论与实践相结合；万事开头难，我在这里只能算抛砖引玉，慢慢讲解如何设计，有任何技术问题可以随时打断，我将尽力来进行解答。设计一款开关电源并不难，难就难在做精；我也不是一个很精熟的工程师，只能算一个领路人。希望大家喜欢大家一起努力!! 【第一步】 开关电源设计的第一步就是看规格，具体的很多人都有接触过；也可以提出来供大家参考，我帮忙分析。 我只带大家设计一款宽范围输入的，12V2A 的常规隔离开关电源 1. 首先确定功率，根据具体要求来选择相应的拓扑结构；这样的一个开关电源多选择反激式(flyback) 基本上可以满足要求 备注一个，在这里我会更多的选择是经验公式来计算，有需要分析的，可以拿出来再讨论【第二步】 2.当我们确定用flyback 拓扑进行设计以后，我们需要选择相应的PWM IC 和MOS 来进行初步的电路原理图设计(sch) 无论是选择采用分立式的还是集成的都可以自己考虑。对里面的计算我还会进行分解 分立式：PWM IC 与MOS 是分开的，这种优点是功率可以自由搭配，缺点是设计和调试的周期会变长（仅从设计角度来说） 集成式：就是将PWM IC 与MOS 集成在一个封装里，省去设计者很多的计算和调试分步，适合于刚入门或快速开发的环境 集成式，多是指PWM controller 和power switch 集成在一起的芯片 不限定于是PSR 还是SSR 【第三步】 3. 确定所选择的芯片以后，开始做原理图(sch)，在这里我选用ST VIPer53DIP(集成了MOS) 进行设计，原因为何(因为我们是销售这一颗芯片的)？ 设计之前最好都先看一下相应的datasheet，自己确认一下简单的参数 无论是选用PI 的集成，或384x 或OB LD 等分立的都需要参考一下datasheet 一般datasheet 里都会附有简单的电路原理图，这些原理图是我们的设计依据 【第四步】 4. 当我们将原理图完成以后，需要确定相应的参数才能进入下一步PCB Layout 当然不同的公司不同的流程，我们需要遵守相应的流程，养成一个良好的设计习惯，这一步可能会有初步评估，原理图确认，等等，签核完毕后就可以进行计算 一般有芯片厂家提供相关资料 【第五步】 5. 确定开关频率，选择磁芯确定变压器 芯片的频率可以通过外部的RC 来设定，工作频率就等于开关频率，这个外设的功能有利于我们更好的设计开关电源，也可以采取外同步功能。 一般AC2DC 的变换器，工作频率不宜设超过100kHz，主要是开关电源的频率过高以后，不利于系统的稳定性，更不利于EMC 的通过性 频率太高，相应的di/dt dv/dt 都会增加，除PI 132kHz 的工作频率之外，大家可以多参
1 设计步骤: 1.1 产品规格书制作 1.2 设计线路图、零件选用. 1.3 PCB Layout. 1.4 变压器、电感等计算. 1.5 设计验证. 2 设计流程介绍: 2.1 产品规格书制作 依据客户的要求，制作产品规格书。做为设计开发、品质检验、生产测试等的依据。 2.2 设计线路图、零件选用。 2.3 PCB Layout. 外形尺寸、接口定义，散热方式等。 2.4 变压器、电感等计算. 变压器是整个电源供应器的重要核心，所以变压器的计算及验证是很重要的， 2.4.1 决定变压器的材质及尺寸: 依据变压器计算公式 Gauss x NpxAe LpxIp B 100(max ) B(max) = 铁心饱合的磁通密度(Gauss) Lp = 一次侧电感值(uH) Ip = 一次侧峰值电流(A) Np = 一次侧(主线圈)圈数 Ae = 铁心截面积(cm 2) B(max) 依铁心的材质及本身的温度来决定，以TDK Ferrite Core PC40为例，100℃时的B(max)为3900 Gauss ，设计时应考 虑零件误差，所以一般取3000~3500 Gauss 之间，若所设计的 power 为Adapter(有外壳)则应取3000 Gauss 左右，以避免铁心 因高温而饱合，一般而言铁心的尺寸越大，Ae 越高，所以可以 做较大瓦数的Power 。 2.4.2 决定一次侧滤波电容: 滤波电容的决定，可以决定电容器上的Vin(min)，滤波电容越大，Vin(win)越高，可以做较大瓦数的Power ，但相对价格亦较高。 2.4.3 决定变压器线径及线数: 变压器的选择实际中一般根据经验，依据电源的体积、工作频率，
CDQZ-5107 SEHOTTKY 计算方法1、由于前面计算变压器可知： Np=82T3N S=13T3 2、在输入电压为264Vac时，反射到次级电压为： Vmax=264Vac* 迈=373 V “ Vs产土* Vmax =—*373=59.5 V DC N p82 3、设次级感量引起的电压为：（VR：初级漏感引起的电压） V严尹V 件*90=14.5V” 4、计算肖特基的耐压值： V卩产V $? + V 脳 + V。=59.5+14.5+12=86 V DC 5、计算出输出峰值电流： 2人2*1 出=- =3?8A 1-Z) 1-0.474 6、由计算变压器可知: 1/1.59 A 故选择3A/100V的肖特基满足设计要求。（因3A的有效值为3.9A） 客户名称客户编号 公司编号样品单编号日期输入范围输入电压电流
CDQZ-5107 MOSFET 计算方法 1、 由于前面计算变压器可知： Np=82T 3 N S =13T 3 2、 输入电压最大值为264Vac,故经过桥式整流后，得到： Vmax=264Vac* 迈=373 V “ 3、 次级反射到初级的电压为： V 沪尹 V 。斗 *12=76J. 4、由前而计算变压器可知，取初级漏感引起的电压，V R =90V”，故MOFET 要求耐 压值为： V D5=V max+V w + V P/f =373+90+76=539 V DC 5、计算初级峰值电流： T =匕 _ 。 厶丄 _n 227A 曲 7广 V 肿 DF 0.88*100*0.6 '? 6、故选择2A/600V 的MOSFET 满足设计要求，即选用仙童2N60C 。 客户名称 客户编号 公司编号 样品单编号 日期 输入范围 输入电压电流 82*1 r/ns =0.571 A