目录
1绪论 (1)
1.1高频开关电源概述 (1)
1.2意义及其发展趋势 (2)
2高频开关电源的工作原理 (3)
2.1 高频开关电源的基本原理 (3)
2.2 高频开关变换器 (5)
2.2.1 单端反激型开关电源变换器 (5)
2.2.2 多端式变换器 (6)
2.3 控制电路 (8)
3高频开关电源主电路的设计 (9)
3.1 PWM开关变换器的设计 (9)
3.2 变换器工作原理 (10)
3.3 变换器中的开关元件及其驱动电路 (11)
3.3.1 开关器件 (11)
3.3.2 MOSFET的驱动 (11)
3.4高频变压器的设计 (13)
3.4.1 概述 (13)
3.4.2 变压器的设计步骤 (13)
3.4.3 变压器电磁干扰的抑制 (15)
3.5 整流滤波电路 (15)
3.5.1 整流电路 (15)
3.5.2 滤波电路 (16)
4 总结 (19)
参考文献 (20)
1 绪论
1.1高频开关电源概述
八十年代,国高频开关电源只在个人计算机、电视机等若干设备上得到应用。由于开关电源在重量、体积、用铜用铁及能耗等方面都比线性电源和相控电源有显著减少,而且对整机多相指标有良好影响,因此它的应用得到了推广。近年来许多领域,例如电力系统、邮电通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等都越来越多应用开关电源,取得了显著效益。究其原因,是新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新控制理论及新的软件(简称五新)不断地出现并应用到开关电源的缘故。五新使开关电源更上一层搂,达到了频率高、效率高、功率密度高、功率因数高、可靠性高(简称五高)。有了五高,开关电源就有更强的竞争实力,应用也更为扩大,反过来又遇到更多问题和更实际的要求。这些问题和要求可归纳为以下五个方面:
(l)能否全面贯彻电磁兼容各项标准?
(2)能否大规模稳定生产或快捷单件特殊生产?
(3)能否组建大容量电源?
(4)电气额定值能否更高(如功率因数)或更低(如输出电压)?
(5)能否使外形更加小型化、外形适应使用场所要求?
这五个问题是开关电源能否在更广泛领域应用的关键,是五个挑战。(简称五挑战)把挑战看成开关电源发展的动力和机遇,一向是电源科技工作者的态度。以功率因数为例,AC-DC开关电源或其他电子仪器输入端产生功率因数下降问题,用什么办法来解决?毫无疑问,利用开关电源本身的工作原理来解决开关电源应用中产生的问题是最积极的态度。实践中,用DC-DC开关电源和有源功率因数校正的开关电源,(成本比单机增加20%):成功解决了这个问题。现在,又进一步发展成单级有功率因数校正的开关电源,(成本只增加5%);在三相升压式单开关整流器中减少谐波方法,有人采用注入六次谐波调脉宽控制,抑制住输入电流的五次谐波,解决了电流谐波畸变率小于100k的要求。
1.2意义及其发展趋势
发电厂和变电所中,为了供给控制、信号、保护、自动装置、事故照明、直流油泵和交流不停电电源装置等的用电,要求有可靠的直流电源。为此,发电厂和ll0KV以上的变电所通常用蓄电池作为直流电源,对上述的电源要求有高度的可靠性和稳定性,电源容量和电压质量均应在最严重的事故情况下保证用电设备的可靠工作。根据电力系统的要求,蓄电池直流系统的电压等级为:
1、控制负荷专用的蓄电池组的电压采用11OV。
2、动力负荷和直流事故照明专用的电压采用220V。
3、国的发电厂和变电所的直流电压大多采用220V。
所以,22OV直流电源在电力系统的操作电源系统中占有非常重要的地位。高频开关电源的设计目前,直流电源主要包括三种:相控电源、线性电源、开关电源。相控电源即相位控制型稳压电源,它的主要原理就是将市电直接经过整流滤波提供直流,由改变晶闸管的导通相位角来控制整流器的输出电压,所以如果采用适当的控制电路使晶闸管的导通相位根据输入电压或负载电流变化自动调整,整流器的输出电压就能稳定不变。线性电源也是一种常用的稳压电源,通过串联调整管可以连续控制,它的功率调整管总是工作在放大区,流过的电流是连续的。线性稳压电源通常包括:调整管、比较放大器、反馈采样部分以及基准电压部分。开关电源的功率调整管工作在开关状态,功率损耗小,效率高,由于开关工作频率高,变压器的体积大大减小,滤波电感、电容数值较小。
在目前的电力系统中,大部分用的都是相控电源,但是,相控电源用的是工频变压器,体积大,而且输出电压的纹波系数大,监控系统不完善,采用主从备份方式,用户使用不方便,对电力系统新的要求也达不到标准,另外,由于充电设备与蓄电池并联运行,纹波系数较大,会出现蓄电池脉动充电放电,影响蓄电池的使用寿命。而高频开关电源体积小、重量轻、频率高、输出纹波小、模块叠加、N+1热备份设计、便于计算机管理等优点,符合现代电源的潮流。所以,电力系统中的操作电源有高频开关电源取代相控电源的趋势。
2 高频开关电源的工作原理
2.1 高频开关电源的基本原理
高频开关电源是将交流输入(单相或三相)电压变成所需的直流电压的装置。基本的隔离式高频开关电源的原理框图如图2-1-1所示,高频开关电源主要由输入电网滤波器、输入整流滤波器、高频变换器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路、辅助电源等几部分组成。其基本原理是:交流输入电压经电网滤波、整流滤波得到一直流电压,通过高频变换器将直流电压变换成高频交流电压,再经高频变压器隔离变换,输出所需的高频交流电压,最后经过输出
整流滤波电路,将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的高质量、高品质的直流电压。
图 2-1-1 开关电源基本原理框图
以全桥式变换器高频开关电源为例,图2-1-2表示了交流输入电压到最后输出所需直流电压的各环节电压波形变换流程。
图 2-1-2 高频开关电源的波形变化
下面就图2-1-1中每一部分的作用、原理分别简述如下:
(1)输入电网滩波器:消除来自电网的各种干扰,如电动机起动,电器开关的合闸与关断,雷击等产生的尖峰干扰。同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散而污染电网。一个典型的三相输入电网滤波器如图2-1-3所示:
图 2-1-3 三相电网滤波器示意图
(2)输入整流滤波器:将电网输入的交流电进行整流滤波,为变换器提供波纹较小的直流电压。而且,当电网瞬时停电时,滤波电容器储存的能量尚能使开关电源输出维持一定的时间。对三相交流电输入,其典型电路如图2-1-4所示:
图 2-1-4 输入整流滤波器电路图
(3)高频开关变换器(DC\AC):它是开关电源的关键部分。它把直流电压变换成高频交流电,经过高频变压器再变成所需要的隔离输出交流电压。
(4)输出整流滤波:将变换器输出的高频交流电压滤波得到需要的直流电压。同时还防止高频噪音对负载的干扰。电路原理与输入滤波器相同。
(5)控制电路:检测输出直流电压,与基准电压比较,进行隔离放大,调制振荡器输
出的脉冲宽度,从而控制变换器以保持输出电压的稳定。一般控制电路还包括启动及禁止电路。
(6)保护电路:在开关电源发生过电压、过电流或短路时,保护电路使开关电源停止工作以保护负载和开关电源本身。有的还有发出报警信号的功能。
(7)辅助电源:为控制电路和保护电路提供满足一定技术要求的直流电源,以保证它们工作稳定可靠。辅助电源可以是独立的,也可以由开关电源本身产生。
2.2 高频开关变换器
在高频开关电源中,高频开关变换器是核心部分,围绕开关变换器将会有很多的控制和保护电路,变换器的种类的选取将会影响整个功率器件耐压程度等很多参数,也会对系统的其它各部分产生相应的影响,所以,高频开关变换器的设计是很重要的一个环节,我们在后面的章节将会对它进行详细地分析和介绍。
按电力电子技术的习惯称谓,AC-DC称为整流,包括整流及离线式变换,DC-AC称为逆变,AC-AC称为交-交变频(包括变压),DC-DC称为直流一直流变换。所以,广义地说,凡用半导体功率器件作为开关,将一种电源形态转变成另一种形态的主电路叫作开关变换器电路。转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称开关电源。开关电源的主要部分是DC-DC变换器,它是转换的核心,涉及频率变换。值得指出,常见到离线式开关变换器名称,是AC-DC变换,也常称开关整流器,它不单是整流的意义,而且整流后又作了DC-DC变换,离线是指变换器中有高频变压器隔离。
2.2.1单端反激型开关电源变换器
图2-2-1所示为单端反激型开关电源的主回路,当功率晶体管T导通时,高频变压器的原边电压等于输入电源电压U,其极性为上正下负。与之对应的高频开关电源的设计频变压器副边电压为上负下正,此时整流二极管D承受的是反向偏置电压,故不导通。负载R L上的电流是靠输出电容C0的放电电流来提供,此时,高频变压器将电能变为磁能储存起来,而在晶体管受控截止时,高频变压器原、副边电压极性改变。整流二极管D(和反相型开关电源中的续流二极管相对应)由反偏变为正偏导通,高频变压器就将原先储存的磁能变为电能,通过整流二极管向负载供电和向输出电容C0充电。此电路的整流二极管D是在功率晶体管截止时才导通的。故称此电路为反激型电路。
图 2-2-1 单端反激型开关电源主回路
2.2.2多端式变换器
多端式变换器的主要回路最基本的有以下三种:推挽、半桥、全桥。如图2-2-3所示:
a. 推挽式开关电源主回路
b. 半桥式式开关电源主回路
C. 全桥式开关电源主回路
图 2-2-3（a.b.c) 三种多端式变换器
这里以全桥变换器说明它的功率变换原理:
全桥式开关电源变换器的原理图如图2-2-3c所示,VT1、VT4与VT2、VT3由基极激励驱动而轮流通断,从而将直流电压Vi变换成高频矩形波交流电压,然后通过Dl、D2整流,L、C2滤波后给负载提供稳定的直流电压。
四个功率开关管组成桥的四臂,桥的一对交点输入直流电压,另一对交点接高频变压器原边绕组。VT1和VT4由一组开关信号驱动,VT1和VT4导通时电流方向对原边绕组是又上向下。过半个周期,VT1和VT4截止,VT2和VT3在另一组驱动信号下导通,导通电流由电源Vi正端经VT3,原边绕组由下向上,VT2流向电源负端。两对开关管是轮流导通,导通时绕组电压近似等于Vi。每只开关管均为并联一只高速功率二极管,其钳位作用以减小开关管由导通转换为截止时,变压器产生的电压尖峰,以保护开关管不被击穿。
全桥式变换器的优点是:主变压器原边绕组比推挽式少了一半,变压器利用率提高;开关管可用低耐压(如400V)、大电流的功率管输出功率大。DC-DC可分为PWM 式、谐振式和它们的结合式。为保证输出电压不随输入电压和负载变化,谐振式主要靠调节开关频率,属于调频系统。PWM型开关电源具有控制简单,稳态直流增益,与负载无关等优点,缺点是开关损失随开关频率的提高而增加。调频系统不如PWM 开关那样易控,加上谐振电压和电流峰值高,开关应力大。
根据我们的设计要求,我们选用PWM,即脉宽调制型变换器。
2.3 控制电路
控制电路是高频开关电源的很重要的部分,是电源系统可靠工作的保证,在图2-3-1的原理框图中,虚线框为控制部分电路。开关电源的控制方式基本上都采用时间比率控制(TRC)方式。这种方式又大致分为三大类:
l、脉冲宽度调制(简称PWM)方式，它用调整脉冲宽度和控制占空比的方法来达到输出电压的稳定。
2、脉冲频率调制(即PFM)方式,它采用脉冲频率来改变脉冲占空比来控制输出电压的稳定。
3、混合调制方式,即前二者兼而有之的方式,既控制脉冲宽度,又改变脉冲频率,用综合技术来改变脉冲占空比和脉冲周期来控制输出电压的稳定。
目前,以脉冲调制PWM应用最多。图2-3-1是脉宽调制器的基本原理图。
图 2-3-1 脉宽调制原理图
基准电压:芯片大部分电路由它供电,同时,兼作误差放大器的基准电压输入。振荡器:由恒流充电快速放电电路以及电压比较器组成,振荡频率由外接RC元件所决定,频率f=1/RC。
误差放大器:将取样电压和基准电压比较放大,送至脉宽调制电路输入端。
脉宽调制器:输入为误差放大器输出。输出分两路,一路送给门电路,另一路送给振荡器输入端。
门电路:门电路输入分别受分频器和脉宽调制器的输入控制。分频器:将振荡器的输入分频后输出,控制门电路输出脉冲的频率。
从总体上说,开关电源的控制电路还包括过压、过流保护、均流控制等。
3 高频开关电源主电路的设计
3.1 PWM开关变换器的设计
我们知道PWM开关变化器按工作方式可分为: 单端反激变换器、单端正激变换器、推挽式变换器、半桥式变换器、全桥式变换器。
其中3、4、5统称为多端变换器,在以上的各种变换器中,通过第一章第二节的介绍,我们可知,全桥式变压隔离器开关承受最小的开关电压和最小的开关电流,根据我们所设计的高频开关电源的实际情况,输出功率较大(22OV、5A),工作频率较高(100KHZ),我们选用全桥隔离式PWM变换器。这种线路的优点:
1、主变压器只需要一个原边绕组,通过正、反向的电压得到正、反向磁通,副边绕组采用全桥全波整流输出。因此,变压器铁芯和绕组最佳利用,使效率、功率密度得到提高。
2、功率开关在非常安全的情况下运作。在一般情况下,最大的反向电压不会超过电源电压Vs,四个能量恢复(再生)二极管能消除一部分由漏感产生的瞬时电压。这样,无需设置能量恢复绕组,反激能量便得到恢复利用。缺点:
1、需要功率元件较多;在导通回路上,至少有两个管压降,因此功率损耗也比双晶体管推挽式变换器大一倍。但是在高压离线开关系统中,这些损耗还是可以接受的。另外,能量恢复(再生)方式,由于四个二极管,因此,损耗略有增加。
2、值得注意的是,全桥变换器易发生桥臂直流短路及变压器原边偏磁饱和,其可靠性难以保证。但是,这种缺点我们将采取一定的措施进行避免。
图 3-1-1 MOSFET全桥式变换器
整个变换器的电路如图4-1-1所示。图中每个MOSFET旁均并联有组容吸收回路(R、C)作为缓冲器,在MOSFET瞬间断开时,缓冲器元件R、C将通过提供交流通道减少功率管断开时的集电极电压应力。作为后级整流的二极管选用德国IXYS公司的DSIE 30-10A。
3.2 变换器工作原理
在图4-l-1中,P1、P4和P2、P3分别构成全桥的两臂,我们设定P1、P4
由驱动信号S1驱动,其中,Pl是驱动信号S1通过变压器隔离后驱动的；P2、P3由驱动信号S2驱动,其中,P2是驱动信号S2通过变压器隔离后驱动的;驱动信号S1、S2是由PWM信号控制器UC3825产生的,它们是一对互补的、占空比都不超过50%的信号,也就是说,同一时间,不可能出现两个信号同时为高电平的情况。当Sl信号来时,Pl和P4导通,电流经过Pl进入变压器原边,再经P4形成回路;当S2信号来时,P2和P3导通,电流经过P2进入变压器原边,再经P3形成回路,但是电压的极性与Sl驱动的相反。这样,直流电压K经过变换器变换以后,得到的为一高频变化的交流电压,完成了从DC到AC的变换。具体的波形见图4-1-2。
图 3-2-1 开关变换器工作波形图
3.3 变换器中的开关原件及其驱动电路
3.3.1开关器件
前面已经介绍了高频变换器的分类和原理,根据它们的优缺点及课题设计的要求,功率变换部分选择由4只MOSFET管构成的全桥变换器,每一个MOSFET管源极与漏极间的电容和电阻用于吸收MOSFET管通断时所产生的尖脉冲,保护MOSFET 管。
根据设计要求,4只MOSFET功率管选用功率管SSH11N90,可替换元件为IRFPE50、IRFPE52、2SK684、2SK1032。由于全桥式变换器需要两路独立的驱动电路,所以电路较复杂,每路驱动信号选用PWM控制集成芯片输出控制。控制电路和主电路要通过变压器隔离。
3.3.2 MOSFET的驱动
由上所知,功率MOSFET工作频率可以达到很高,但是,当功率MOSFET工作在高频时,就会出现振荡。为了防止振荡,应注意两点:
1、尽可能减少功率MOSFET各端点的连线长度,特别是栅极引线。或者在靠近栅极处串联一个小电阻以便抑制寄生振荡；
2、由于功率MOSFET的输入阻抗高,驱动电源的阻抗必须比较低,以避免正反馈所引起的振荡。
功率MOSFET的驱动我们采用UC3825的输出直接驱动,在桥路的高电压端采用变压器隔离驱动。具体电路图如图4-1-5所示。图中的隔离变压器要求频率响应要好,能量的传输效率要高,磁芯一般采用铁氧体,使得变压器不容易出现磁饱和。
由SS11N90的参数可知,MOSFET的关断时间与开通时间比较起来,要大很多,所以,MOSFEF的关断比较慢,这样将导致同一桥臂上两个开关管同时
图 3-3-1 MOSFET的驱动电路
导通而造成短路的严重情况,特别是在频率很高的时候。我们通过查阅资料和实验,发现在电阻R1的两端加上如图3-3-5中的由二极管D和三极管T组成的电路,对于缩短MOSFET的截止时间很有效,从波形图上看,下降沿沿明显地陡峭了。电路中,D 为防止三极管T雪崩击穿的,T为PNP管,整个工作波形图如图3-5-6所示。
图3-5-6中,V GS表示驱动波形,其占空比小于50%,V O1表示未加快恢复电路的输出波形,V O2表示加了快恢复电路的输出波形,t d1表示V O1对应的截止延迟时间,t d2表示V O2对应的截止延迟时间,由图可以看出,t d1明显地大于t d2,实验证明,MOSFET管的截止时间较长,驱动电路需要加合适的快恢复电路,以防止两路同时导通造成电路短路的情况的发生。
图 3-3-2 MOSFET的驱动波形图
3.4 高频变压器的设计
3.4.1概述
在前面的章节我们已经分析了升压和降压等变换器,它们可以完成直流电压的变换,但是,它们实际上存在着转换功能上的局限性,例如,输入输出不隔离,输入输出电压比或电流比不能过大以及无法实现多路输出等。这些局限只能通过变压隔离器来克服。高频变压器在电路中,主要起隔离和降压的作用。
理想的变压隔离器有如下的特征:
(1)从输入到输出能够通过所有的信号的频率,即从理想的直流到不理想的直流都能变换；
(2)变换时可不考虑能量损耗；
(3)能使输入输出之间完全隔离；
(4)变换中,无论从原边到副边,或副边到原边,都是一样方便有效。
3.4.2变压器的设计步骤
桥式变压器的设计相对比较容易,两个半周期都用同一个原边绕组,磁芯和绕组使用率都比较高。为了减少磁化电流,最好原边绕组匝数较多,电感量大,为此,选用高导磁率合金材料的磁芯是合适的,而且磁芯不带气隙。
具体设计步骤如下:
1、选择铁芯型号
根据输出功率、效率求出输入功率。我们设计的电源为220V、SA的直流电源,用于电力系统的直流操作电源系统。输出功率为:
PO=220×5=1100W
效率按90%计算,则输入功率:
Pi=1100/0.9≈1200w
又知工作频率为l00KHZ,所以由铁芯选择图可以选择EE55/55/21磁芯。
2、选择最佳磁感应强度
变压器设计为求有最佳效率,均从铜耗等于铁耗出发的。对于每一个设计者,有一个最佳磁感应强度幅值Bopt,它依赖于工作频率、铁芯损耗,所加的电压和原、副边的匝数比等等。
3、线圈匝数计算
原边线圈匝数:
式中:
V S------原边线圈所加直流电压,在有波动时取小值(V)；
T on-----最大导通时间(us)；
ΔB---总磁感应强度增量(T)；
A e----磁芯有效面积(mm2)；
4、副边线圈匝数
从3中确定每伏所需匝数.输出回路压降大小加上输出额定电压Vo即为副边电压V S.根据这两个参数可以确定副边线圈的匝数。
对于高频变压器的设计,常用的有两种方法,第一种是先求出磁芯窗口面积A w 与磁芯有效截面积A e的乘积AP(AP=A w×A e,称磁芯面积乘积)。
根据Ap值,查表找出所需磁性材料的编号,称为AP法：第二种是先求出几何参数,查表找出磁芯编号,再进行设计,称为Kg法。
3.4.3变压器电磁干扰的抑制
变压器产生的瞬变干扰可能传导和辐射到负载上,而且还返回到电源配电系统。当电源电压通过零点改变极性时,非线性磁滞回线特性使不同数量的剩余磁通残留在变压器铁芯中。这种情况往往增加了剩磁通而使铁芯饱和,因而导致了电流过流。磁化电流的瞬变,即传导性电磁干扰,既影响到变压器的次级,而且也返回到配电系统。对于变压器所产生的传导、辐射干扰,有如下的措施:
(l)选择高导磁通的铁芯材料,减少变压器漏磁通：
(2)变压器采取静电屏蔽措施：
(3)静电屏蔽的目的是使变压器初次级绕组间的电容减到最少,并且对共模噪声提供一个低阻抗的对地通路:
(4)在变压器的外围中部做一短路环,以抵消变压器的漏磁通:
(5)减小铁芯中磁通密度将会使杂散磁场的幅度大约按磁通密度的平方而减小。这样做虽然变压器的体积增大了,但却有利于减小电磁干扰和散热,比屏蔽变压器更为经济有效。
3.5 整流滤波电路
3.5.1整流电路
高频电源系统还包括整流滤波部分,整流电路分为两个部分:前级整流和后级整流。前级整流是指三相交流电经滤波后需要整流变为直流以后才能输入到开关变换器进行频率变换,完成DC-AC的变换。前级整流部分的电路如图3-5-1所示。
图 3-5-1 前级整流电路图
图4-3-1中EMI表示防电磁干扰的环节,选用EMI滤波器模块来完成防电磁干扰的工作,U1和U2是整流模块,由于,U1和U2的正极和正极相接,负极和负极相接,所以输入部分有一个AC端悬空是不影响三相交流的全波整流的。三相交流输入的是380V、50HZ的工频交流电,经过全波整流以后,电压将有一定的上升,大约510V
左右,这一点在以后部分中是值得注意的。
后级整流部分,是将高频变压器变压后的高频交流电进行整流,这一部分比较简单,根据我们设计的要求,选用了四只IXYS公司的DSEI 30-10A功率二极管组成桥式全波整流即可完成工作。
3.5.2滤波电路
由于电源模块工作于高频状态,而我们又必须获得无谐波的直流电压,因此,相对于相控型整流器,开关电源必须有更复杂的抑制干扰与滤除杂音的电路。共模与差模原理常被用来衰减及消除输入谐波,并将滤波器件封装在磁屏蔽盒,并要可靠接地。布局上为输入输出隔离,输出线用绞合线或平行配线(短且粗)。机架地线与信号线分设。变压器初次级或开关管管脚之间配置高频抑射元件。输出滤波电容器用四端高频电解电容器、叠层式无感电容器。降低噪声经常采用消除或抑制干扰源并同时隔断干扰祸合途径的方式。在高频开关电源的设计开关电源中,采用电源输入滤波、工频滤波、电源输出滤波与抗辐射干扰等主要措施来减少噪声的传递与影响。
（1）电源输入滤波
开关电源的高速开关瞬态往往会产生很高的射频分量,从而污染交流馈电线路,交流电源能传递电气噪声和电磁辐射,导致开关电源中的瞬变再辐射和传递到其它负载。电源输入滤波主要由工频低通滤波器和共模扼制元件组成,封闭在磁屏蔽盒且可靠接地。电源输入滤波又称电磁干扰(EMI)或射频干扰(RFI)滤波器。
在电源输入滤波器中,通常用高频旁路电容和共模扼流圈来衰减和吸收纵向共模噪声,用常态滤波电感、常态滤波电容抑制差模常态噪声。图4-3-2为开关电源实际使用的三相三级输入滤波器。
图 3-5-2 三相输入滤波器
图中,Ll、L2、L3——常态滤波电感
L4、LS——共模扼流圈
Cl、CZ、C3——共模滤波电容
C4～Cg一一常态滤波电容
其中L4、L5共模扼流圈实际上是三线并绕的环形磁芯电感,绕制时适当加大匝间距离以减少分布电容提高高频特性,其电感量不宜过大,一般为几十微亨。常态滤波电容C4-Cg一般为0.01-0.luF的小电容。C1、C2、C3为共模电流提供低阻抗通路。在实际应用中,我们采用图3-5-l中EMI滤波模块。
（2）工频滤波
开关电源中工频滤波器接在工频整流与开关变换器之间,既能将脉动电流变为平滑的直流,还能抑制高频干扰,尤其是开关变换中产生的高频干扰,图3-5-3为开关电源的工频滤波器。
图 3-5-3 开关电源工频滤波器
其中L1、C5、C6滤除共模噪声,C1、C2滤除差模噪声,C1、C2、C5、C6为小容量高频电容器,L2、C3、C4、C7、C8为常态滤波元件,C3、C4为大容量电解电容,C7、C8为小容量无感电容,用来补偿大容量电解电容器的高频性能,起高频旁路作用,L2、C3、C4组成低频滤波器,其余电感电容组成高频滤波器。
（3）电源输出滤波
开关电源在开关变换器之后,还需要高频变压器进行隔离降压,而后经过桥式整流后再接电源输出滤波器,以得到高质量的符合设计要求的直流电压,所以电源的输出滤波部分是很重要的一个环节。图3-5-4所示为电源的输出滤波器。
图 3-5-4 高频开关电源的输出滤波器
其中C4为400V/220uF的电解电容,C1、C2、C7、C8为小容量的无感电容,C3、C5、C6为luF的无极性电容,L2为一个用于抑制共模信号的扼流圈。
（4）滤波电容与滤波电感
滤波电容、电感是组成滤波电路的重要器件,而电容、电感通常不是理想的电容电感,实际上是一个R、L、C的综合器件。
图 3-5-5 电容器的等效电路图 3-5-6 电感等效电路
图3-5-5中,电感L是由引线和电容器圈绕的结构形成的:Rl为电容器等效串联电阻,其值是电容器品质因数的函数;R2为并联泄漏电阻,是介质材料电阻率的函数。选择电容器,考虑上述因素的同时,电容器所工作的频率也是一重要依据。在电源输入滤波器中,共模与常模滤波电容器用于抗高频干扰,应选用小容量高频电容器。在工频滤波器中,除了将工频整流器输出的脉动电流变为平滑直流外,对高频干扰也起到抑制作用。在输出滤波器中,电解电容通过的锯齿波电流频率一般达几百KHz,滤波电容的容抗与工作频率成反比:X C=l/WC=1/2πfC,即工作频率越高,阻抗越小,则电容器的容量相对可取的较小。此时,电容器容量已不是主要指标,而电容器的阻抗、等效电阻、等效电感等参数则是衡量其质量的重要依据。普通的电解电容的介质电器性能、温度特性、频率稳定性较差,只适用于低频或要求不高的场合。若在高频情况下工作,其分布电感的存在使电容器等效电感随频率不同变化显著,阻抗甚至会呈感性。因此,一般的电解电容器不能满足开关电源的输出滤波要求,须选用高性能的特殊电容器,例如:四端高频电解电容器、大型高频电解电容器、叠层式无感电容器或高频高压无极性聚丙烯介质电容器。这些电容器具有较低的等效阻抗,适用于高频开关电源。
图3-5-6表示电感的等效电路,R为线圈绕组铜线电阻,C为绕组间的分布电容。在电源输入滤波器中,常态滤波电感与共模扼流圈用于抑制各种高频干扰,电感量不宜太大,同时必须考虑绕制时的分布电容、铁芯的导磁率,并采用屏蔽防止辐射干扰以及耐压绝缘等措施。
4 总结
本课题是面向实际应用的工程项目。通过对高频开关电源基本理论的研究,对开关变换器各种拓扑结构的分析论证,期望设计出一种实用于电力系统直流操作电源的高频开关电源整流模块,以替代现在使用的相控整流电源,为电力系统提供一种重量更轻、体积更小、效率更高、安全性更好的一种整流模块，通过对这个课题的研究分析，学会并且对各种电路有新的认识，据我们所设计的系统的频率和功率要求,选用MOSFET作为功率变换器器件,用变压器进行隔离,构成了完整的桥式开关变换器,完成DC-AC的变换。解决了MOSFET的截止时间过长的固有问题,使得桥式变换器容易造成桥臂短路和在高频情况下容易谐振的缺点得到克服,安全性能大幅度提高。从理论上可以看出,此开关变换器能在开关频率200KHZ左右安全工作。
通过此课题的研究，加深了对模电，电路等课程的理解，也将所学知识得以灵活运用，今后的日子还较长，还有很多问题有待我们去解决和认识。也将更加投入于其中。
参考文献
开关电源设计论文.txt鲜花往往不属于赏花的人，而属于牛粪。。。道德常常能弥补智慧的缺陷，然而智慧却永远填补不了道德空白人生有三样东西无法掩盖：咳嗽贫穷和爱，越隐瞒，就越欲盖弥彰。本文由图个鸟贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 开关电源的基本原理及发展趋势 常州信息职业技术学院 学生毕业设计（论文）报告 系专班 别：业：号： 机电工程学院机电一体化 学生姓名：学生学号： * * * 设（文题：开关电源的基本原理及发展趋势计论）目指导教师：设计地点：起迄日期： * * * 常州信息职业技术学院 10.7.2～ 10.8.20 1 开关电源的基本原理及发展趋势 毕业设计（论文）任务书 专业 一、课题名称： 班级 姓名 开关电源的基本原理及发展趋势 二、课题应达到的要求： (1) 通过本次的毕业设计，阐述开关电源的一些基本知识以及它们在日常生活中的应用 (2) 开关电源的基本原理和它的发展趋势，以及它们在日常生活中的应用 (3) 高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化三、主要工作内容 (1) 阐述开关电源的一些基本知识以及它们在日常生活中的应用 (2) 以具体的实例和图表等来阐述开关电源的原理、高频化以及怎样解决在日常生活中出现的问题 四、主要参考文献： [1] [2 ] [3 ] [4] [5] [6] 叶慧贞，开关稳压电源.[M]北京：国防工业出版社，1993 杨志民，杜文广,董银虎.开关电源的尖峰干扰及其抑制.电源技术应用[M]，20008 钱照明，开关电源的 EMC 设计[J].电源世界，2002 (3):46~50 张占松，蔡宣三编著.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社，1998 王淑兰，开关电源的噪声抑制[J].电子技术，1991 朱文立，开关电源的电磁骚扰抑制技术[J].电子质量，2002 学 生（签名） * * * 年年年年 月月月月 日日日日 指导教师（签名） * * * 教研室主任（签名）系主任（签名） 2 开关电源的基本原理及发展趋势 摘要：本文介绍一种以 KA3525 作为控制核心，根据 KA3525 的应用特点，设计了一种基于该电流型 PWM 控制芯片、实现输出电压可调的开关稳压电源电路。开关电源是利用现代电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）和 MOSFET 构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本
开关电源功率变压器的设计方法 1开关电源功率变压器的特性 功率变压器是开关电源中非常重要的部件，它和普通电源变压器一样也是通过磁耦合来传输能量的。不过在这种功率变压器中实现磁耦合的磁路不是普通变压器中的硅钢片，而是在高频情况下工作的磁导率较高的铁氧体磁心或铍莫合金等磁性材料，其目的是为了获得较大的励磁电感、减小磁路中的功率损耗，使之能以最小的损耗和相位失真传输具有宽频带的脉冲能量。 图1（a）为加在脉冲变压器输入端的矩形脉冲波，图1（b）为输出端得到的输出波形，可以看出脉冲变压器带来的波形失真主要有以下几个方面： 图1脉冲变压器输入、输出波形 （a）输入波形（b）输出波形 （1）上升沿和下降沿变得倾斜，即存在上升时间和下降时间； （2）上升过程的末了时刻，有上冲，甚至出现振荡现象； （3）下降过程的末了时刻，有下冲，也可能出现振荡波形； （4）平顶部分是逐渐降落的。 这些失真反映了实际脉冲变压器和理想变压器的差别，考虑到各种因素对波形的影响，可以得到如图2所示的脉冲变压器等效电路。 图中：Rsi——信号源Ui的内阻 Rp——一次绕组的电阻 Rm——磁心损耗（对铁氧体磁心，可以忽略） T——理想变压器 Rso——二次绕组的电阻 RL——负载电阻 C1、C2——一次和二次绕组的等效分布电容 Lin、Lis——一次和二次绕组的漏感 Lm1——一次绕组电感，也叫励磁电感 n——理想变压器的匝数比，n=N1/N2
图2脉冲变压器的等效电路 将图2所示电路的二次回路折合到一次，做近似处理，合并某些参数，可得图3所示电路，漏感Li包括Lin和Lis，总分布电容C包括C1和C2；总电阻RS包括Rsi、RP和Rso；Lm1是励磁电感，和前述的Lm1相同；RL′是RL等效到一次侧的阻值，RL′=RL/n2,折合后的输出电压U′o=Uo/n。 经过这样处理后，等效电路中只有5个元件，但在脉冲作用的各段时间内，每个元件并不都是同时起主要作用，我们知道任何一个脉冲波形可以分解成基波与许多谐波的叠加。脉冲的上升沿和下降沿包含着各种高频分量，而脉冲的平顶部分包含着各种低频分量。因此在上升、下降和平顶过程中，各元件（L、C等）表现出来的阻抗也不一样，因此我们把这一过程分成几个阶段来分析，分别找出各阶段起主要作用的元件，而忽略次要的因素。例如，当输入信号为矩形脉冲时，可以分3个阶段来分析，即上升阶段、平顶阶段和下降阶段。 （1）上升阶段 对于通常的正脉冲而言，上升阶段即脉冲前沿，信号中包含丰富的高频成分，当高频分量通过脉冲变压器时，在图3所示的等效电路中，C的容抗1/ωC很小，而Lm1的感抗ωLm1很大，相比起来，可将Lm1的作用忽略，而在串联的支路中，Li的作用即较为显著。于是可以把图3所示的等效电路简化成图4所示的等效电路。 图3图2的等效电路图4图3的简化电路 在这个电路中，频率越高，ωLi越大，而1/ωC越小，因而高频信号大多降在Li上，输出的高频分量就减少了，可见输入信号Usm前沿中所包含的高频分量就不能完全传输到输出端，频率越高的成分到达输出端越小，结果在输出端得到的波形前沿就和输入波形不同，即产生了失真。 要想减小这种波形失真，就要尽量减小分布电容C（应减小变压器一次绕组的匝数）。但又要得到一定的绕组电感量，所以需要用高磁导率的磁心。在绕制上也可以采取一些措施来减小分布电容，例如用分段绕法；为了减小漏感L1，可采用一、二次绕组交叠绕法等。 （2）平顶阶段 脉冲的平顶包含着各种低频分量。在低频情况下，并联在输出端的3个元件中，电容C 的容抗1/ωC很大，因此电容C可以忽略。同时在串联支路中，Li的感抗ωLi很小，也可以略去。所以又可以把图3电路简化为图5所示的低频等效电路。信号源也可以等效成电动势为Usm的直流电源。 这里可用下述公式表达
电子设备离不开电源，电源供给电子设备所需要的能量，这就决定了电源在 电子设备中的重要性。电源的质量直接影响着电子设备的工作可靠性，所以电子设备对电源的要求日趋增高。 现有的电源主要由线性稳压电源和开关稳压电源两大类组成。这两类电源由于各自的特点而被广泛应用。线性稳压电源的优点是稳定性好、可靠性高、输出电压精度高、输出纹波电压小。它的不足之处是要求采用工频变压器和滤波器，它们的重量和体积都很大，并且调整管的功耗较大，是电源的效率大大降低，一般情况均不会超过50%。但它的优良的输出特性，使其在对电源性能要求较高的场合仍得到广泛的应用。相对线性稳压电源来说，开关稳压电源的优点更能满足现代电子设备的要求，从20世纪中期开关电源问世以来，由于它的突出优点，使其在计算机、通信、航天、办公和家用电器等方面得到了广泛的应用，大有取代线性稳压电源之势。 本课题是设计一种基于SG3525 PWM控制芯片为核心构成的高频开关电源电 路。 关键词：高频开关稳压电源、SG3525、PWM
1高频开关稳压电源概述 (1) 1.1高频开关稳压电源简介 (1) 1.2高频开关稳压电源的发展状况 (2) 1.3高频开关稳压电源的基本原理 (3) 2设计任务与分析 (4) 2.1任务要求 (4) 2.2任务分析 (4) 3 系统设计方案 (5) 3.1系统总体方案设计 (5) 3.2功率变换器电路设计 (6) 3.2.1全桥功率变换器工作原理 (6) 3.2.2全桥功率变换器控制方式 (7) 3.3控制电路设计 (8) 3.3.1 SG3525结构和功能介绍 (8) 3.3.2控制电路的设计 (9) 3.4驱动电路设计 (10) 3.5辅助电源电路设计 (11) 3.6过流检测及保护电路设计 (13) 3.6.1电力电子器件的缓冲电路 (13) 3.6.2电力电子器件的保护电路 (13) 3.7整流器输出电路设计 (15) 小结与体会 (16) 附录 (18)
一个比较好的解决方案是：以轻巧的高频变压器取代笨重的工频变压器，采用脉冲调制技术的直流--直流变换器型稳压电源，即我们马上就要讲到的开关电源。 开关电源具有管耗小、效率高、稳压范围宽及体积小、重量轻等优点，目前已在各种电子仪器和设备、航空和宇宙飞行器、发射机、电子计算机、通讯设备和电视机、录放像机等中得到了广泛应用。 开关电源按变换方式可分为以下四大类： 1、AC/DC 开关电源 2、DC/DC 开关电源 3、DC/AC 逆变器 4、AC/AC 变频器 目前只将前面两类称为开关电源，将后面两类分别称为逆变器和变频器。 开关电源按应用方式可分为以下三大类： 1、外置电源 与设备分开放置的电源模块或电源系统，如： ---通信用一次电源模块和系统 ---电力操作电源模块和系统 ---手机电池充电器 ---笔记本电脑的Adapter ---各类手提设备、便携设备的电池充电器等等 2、内置电源 放在设备内部的电源模块或电源系统，如： ---计算机内部的SilverBox和VRM ---家电(如：普通电视机、等离子电视机、液晶电视机)内部的供电电源 ---工业控制设备内部的电源 ---仪器中使用的电源 ---通信设备内部的电源模块和系统 ---复印机、传真机、打印机等的内部电源等等 3、板上电源 放在设备内单板上的电源模块，如： ---标准砖类电源(全砖、半砖、1/4砖、1/8砖) ---非隔离POL(Point of Load 负载点)变换器 ---VRM(V oltage regulator module电压调节模块)和VRD(V oltage regulator down) ---小功率SMD电源 ---SIP和DIP电源等等 开发一个开关电源产品所需要的基本技能： 1、认识组成开关电源的所有元器件 2、掌握各种元器件的电气性能和电路符号 3、会自己制作各种磁芯元件 4、会正确装配电源中的各个部分
开关电源设计设计
开关电源设计 摘要 随着开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等方面的广泛应用, 人们对其需求量日益增长, 并且对电源的效率、体积、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨重的线性电源。电力电子技术的发展，特别是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速发展，将开关电源的工作频率提高到相当高的水平，使其具有高稳定性和高性价比等特性。开关电源技术的主要用途之一是为信息产业服务。信息技术的发展对电源技术又提出了更高的要求，从而促进了开关电源技术的发展。开关电源的高频变换电路形式很多, 常用的变换电路有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。本论文是基于芯片UC3842的小功率高频开关电源系统设计。 关键词开关电源；半桥全桥；高频变压器 - II -
目录 摘要...................................................................................................................... I 第1章绪论 (1) 1.1 课题背景 (1) 1.2 研究的目的及意义 (2) 1.2.1 课题研究的目的 (2) 1.2.2课题研究的意义 (2) 第2章开关电源输入电路设计 (3) 2.1 电压倍压整流技术 (3) 2.1.1 交流输入整流滤波电路原理 (3) 2.1.2 倍压整流技术 (3) 2.2 输入保护器件保护 (4) 2.2.1 浪涌电流的抑制 (4) 2.2.2 热敏电阻技术分析 (5) 2.3 本章小结 (6) 第3章开关电源主电路设计 (7) 3.1 单端反激式变换器电路的工作原理 (7) 3.2 开关晶体管的设计 (8) 3.3 变压器绕组的设计 (10) 3.4 输入整流器的选择 (11) 3.5 输出滤波电容器的选择 (12) 3.6 本章小结 (12) 第4章开关电源控制电路设计 (13) 4.1 芯片简介 (13) 4.1.1 芯片原理 (13) 4.1.2 UC3842内部工作原理简介 (13) 4.2 工作描述 (14) 4.3 UC3842常用的电压反馈电路 (18) 4.4 本章小结 (20) 结论 (21) 致谢 (22) 参考文献 (23) - II -
开关电源环路设计及实例详解 一、开关电源的基本原理 开关电源是一种将交流电转换为直流电的电源，其基本原理是通过开关管控制变压器的工作状态，从而实现对输入交流电进行变换、整流和稳压的过程。开关电源具有输出功率大、效率高、体积小等优点，因此被广泛应用于各种电子设备中。 二、开关电源环路的组成 1. 输入滤波器：用于滤除输入交流电中的高频噪声和杂波信号，保证后续环节能够正常工作。 2. 整流桥：将输入交流电转换为直流电信号。 3. 直流滤波器：用于滤除直流信号中的纹波和杂波信号，保证输出稳定。 4. 开关变换器：通过控制开关管的导通和截止状态来控制变压器的工作状态，从而实现对输入信号的变换。 5. 输出稳压器：用于对输出直流信号进行稳压处理，保证输出恒定。 三、开关电源环路设计步骤 1. 确定输出功率和输出电压范围。 2. 选择合适的变压器。 3. 设计整流桥和直流滤波器。
4. 设计开关变换器，包括选择合适的开关管和控制电路。 5. 设计输出稳压器，包括选择合适的稳压芯片和反馈电路。 6. 进行整个电路的仿真和优化。 7. 进行实际电路的搭建和调试。 四、开关电源环路设计实例 以12V/5A开关电源为例，进行具体设计。 1. 确定输出功率和输出电压范围：输出功率为60W，输出电压范围为11-13V。 2. 选择合适的变压器：根据需求选择带有多个二次侧绕组的变压器， 其中一个二次侧用于提供控制信号，另一个二次侧用于提供输出信号。通过计算得到变压比为1:2。 3. 设计整流桥和直流滤波器：采用全波整流桥结构，并选用大容量滤 波电容进行直流滤波处理。 4. 设计开关变换器：选用MOS管作为开关管，并采用反激式结构进 行设计。控制信号通过脉冲宽度调制（PWM）技术进行控制。同时，在输入端加入输入滤波器进行滤波处理。 5. 设计输出稳压器：选用LM2576芯片进行稳压处理，通过反馈电路控制输出电压。同时，加入输出滤波电容进行滤波处理。 6. 进行整个电路的仿真和优化：通过仿真软件进行各个环节的仿真和 优化，保证整个电路的性能符合要求。 7. 进行实际电路的搭建和调试：根据设计结果进行实际电路的搭建和
摘要 通信电源是电信网的能源，其供电质量的好坏直接关系到整个电信网的畅通，本设计分析了国内外高频开关电源的发展和现状，研究了高频开关电源的基本原理以及高频开关电源在电力直流操作电源系统中的应用，设计出一种实用于电力系统的高频开关电源，以替代传统的相控电源。该系统以MOSFET作为功率开关器件，构成带隔离变压器的推挽式直流斩波开关变换器，采用脉宽调制PWM技术，从输出实时采样电压反馈信号，以控制输出电压的变化，控制电路和主电路之间通过变压器或光电耦合器进行隔离，并设计了软启动和过流保护电路。 关键词高频开关电源推挽式变换器MOSFET
Abstract The correspondence power switch is the telecommunication network energy, its power supply quality quality relates directly to the entire telecommunication network unimpededness, The Paper analyze the Present situation and development of h1gh_frequency Switching power supply(HF SPS) domestically and overseas，study and research the basal principle of HF SPS and its application in electric power system，then design HF SPS applied in e1eetric power system in order to replace the old supply controlled by phase angle. The feedback voltage achieved from output is used to control the change of the output.The primary circuit and the control circuit are insulated by transformer or photo coupler. The Soft_Start and the Over Current Self_protection are also designed. Keywords HF Switch power Supply Push-pull Converter MOSFET
开关电源的设计 开关电源的设计是一种将交流电转换为直流电的电源设 计方法。它具有高效率、稳定性好、体积小等优点，广泛应用于各种电子设备和通信设备中。本文将从开关电源的原理、设计流程和关键技术等方面进行详细介绍。 第一部分：开关电源的原理 开关电源是通过不同的开关电子元件进行电流的开关控制，实现对输入电流的调节。其基本原理是将交流电通过整流、滤波电路转换为直流电，然后利用开关管对直流电进行高频开关控制，通过变压器进行电压变换，最后通过滤波电路和稳压电路得到稳定的输出电压。 第二部分：开关电源的设计流程 开关电源的设计包括需求分析、电路设计、元器件选型和PCB 设计等环节。需求分析阶段主要确定输出电压、电流、输入电压范围等参数，并结合所需的保护功能进行设计要求的确定。电路设计阶段主要根据需求确定各级电路的拓扑结构、开关元件、滤波电路和稳压电路等设计方案。元器件选型阶段则根据设计方案选择适合的开关元件、变压器、电感、电容等元器件，并考虑其性能、成本和可获得性等因素。最后，通过PCB设计将电路方案落实到具体的电路板上。 第三部分：开关电源设计中的关键技术 在开关电源设计中，有一些关键技术需要特别注意。首先是开关频率的选择，开关频率过高会增加功率损耗，开关频率过低则会导致变压器体积增大。其次是开关管的选型，选择合适的
开关管可以提高转换效率和稳定性。另外，设计有效的磁偶合电路可以减小变压器的体积和重量。同时，设计合理的电感和电容滤波电路可以提高输出稳定性。最后，合理选择保护电路，如过压保护、过流保护和短路保护等，提高电源的可靠性和安全性。 第四部分：开关电源设计中的常见问题和解决方法 在开关电源的设计中，常常会遇到一些问题，如电磁干扰、温升过高和功率因数低等。为了解决这些问题，可以采用屏蔽技术、降低开关频率和增加散热设计等方法。另外，合理选择功率因数校正电路可以提高功率因数。 结论：开关电源的设计涉及到电路设计、元器件选型、PCB设计和关键技术等多个方面。只有在不断积累经验和不断 学习新技术的基础上，才能设计出性能稳定、高效率的开关电源。
开关电源设计入门与实例解析 开关电源设计是一项技术艰苦而又复杂的任务，而它仍然是电子领域的主要技术之一，被用于各种用途，从家用电器到军事系统，从消费型系统到工业级应用，甚至包括无人机。计算机、网络和嵌入式应用也非常依赖开关电源。 开关电源由供电设备和模拟控制器组成，它是一个由高频开关技术构成的电路，以改变一种电压的稳定的输出能量来提供一种电压的转换。它的设计是复杂的，因为它必须处理涉及电源、控制、输出稳定性和波形质量的多个问题。 开关电源的设计受到外部电磁干扰和电源波纹影响，这些噪音需要通过滤波器移除。功耗也是设计中的重要参数，其中最重要的是，设计人员必须在器件热损失和效率之间寻求一种最佳的平衡。 开关电源设计师一般需要一个框架来指导他们完成设计。这个框架可以用一系列步骤来组成： 首先，定义目标电路的基本功能需求，包括输入电压、输出电压和功率，及电源的额定工作转换率。 其次，根据输入和输出电压确定简单的开关控制策略，通常采用直流输入、脉宽调制输出的技术。 第三，确定模拟控制回路的架构，并针对特定需求选择正确的滤波器和变换器，以确保其输出电压稳定且施加最小功耗。 最后，做原型，对电源和输出稳定状态进行分析。 本文介绍了开关电源设计入门的基本内容，包括电路构成、噪声
抑制、功耗优化和设计框架等。 本文还介绍了几个实例，以说明开关电源设计的关键要点。例如，一个设计实例，用于将3.3V DC输入信号转换为恒定电压2.5V DC输出，它采用了正常的框架，作为电源分析的起点。它的输入电压为VIN，电流为Iin，额定电压转换率为Vout，最大输出电流为Iout，设计者需要根据输出频率来选择适当的电源开关，并使用低压动失调技术来降低噪声。 另一个例子是将5V/3A直流电源转换为5V/1A、3.3V/500mA的电源，需要将输入电压调制到输出电压和功率。这是一个复杂的设计，需要考虑多个参数，包括电源损耗、热损耗和传感器变化等。这个设计需要考虑噪声抑制器、滤波器和变换器的组合。 通过以上介绍，我们可以大致了解开关电源设计的大致流程及其中的重要组成部分。开关电源设计受到电磁干扰的影响，噪声抑制和功耗优化非常重要，这些都需要设计人员细心处理。合理的设计框架可以让设计人员更加高效的完成任务。最后，设计者需要做原型验证，以确认设计的可行性。
目录 1绪论 (1) 1.1高频开关电源概述 (1) 1.2意义及其发展趋势 (2) 2高频开关电源的工作原理 (3) 2.1 高频开关电源的基本原理 (3) 2.2 高频开关变换器 (5) 2.2.1 单端反激型开关电源变换器 (5) 2.2.2 多端式变换器 (6) 2.3 控制电路 (8) 3高频开关电源主电路的设计 (9) 3.1 PWM开关变换器的设计 (9) 3.2 变换器工作原理 (10) 3.3 变换器中的开关元件及其驱动电路 (11) 3.3.1 开关器件 (11) 3.3.2 MOSFET的驱动 (11) 3.4高频变压器的设计 (13) 3.4.1 概述 (13) 3.4.2 变压器的设计步骤 (13) 3.4.3 变压器电磁干扰的抑制 (15) 3.5 整流滤波电路 (15) 3.5.1 整流电路 (15) 3.5.2 滤波电路 (16) 4 总结 (19) 参考文献 (20)
1 绪论 1.1高频开关电源概述 八十年代,国高频开关电源只在个人计算机、电视机等若干设备上得到应用。由于开关电源在重量、体积、用铜用铁及能耗等方面都比线性电源和相控电源有显著减少,而且对整机多相指标有良好影响,因此它的应用得到了推广。近年来许多领域,例如电力系统、邮电通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等都越来越多应用开关电源,取得了显著效益。究其原因,是新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新控制理论及新的软件(简称五新)不断地出现并应用到开关电源的缘故。五新使开关电源更上一层搂,达到了频率高、效率高、功率密度高、功率因数高、可靠性高(简称五高)。有了五高,开关电源就有更强的竞争实力,应用也更为扩大,反过来又遇到更多问题和更实际的要求。这些问题和要求可归纳为以下五个方面: (l)能否全面贯彻电磁兼容各项标准? (2)能否大规模稳定生产或快捷单件特殊生产? (3)能否组建大容量电源? (4)电气额定值能否更高(如功率因数)或更低(如输出电压)? (5)能否使外形更加小型化、外形适应使用场所要求? 这五个问题是开关电源能否在更广泛领域应用的关键,是五个挑战。(简称五挑战)把挑战看成开关电源发展的动力和机遇,一向是电源科技工作者的态度。以功率因数为例,AC-DC开关电源或其他电子仪器输入端产生功率因数下降问题,用什么办法来解决?毫无疑问,利用开关电源本身的工作原理来解决开关电源应用中产生的问题是最积极的态度。实践中,用DC-DC开关电源和有源功率因数校正的开关电源,(成本比单机增加20%):成功解决了这个问题。现在,又进一步发展成单级有功率因数校正的开关电源,(成本只增加5%);在三相升压式单开关整流器中减少谐波方法,有人采用注入六次谐波调脉宽控制,抑制住输入电流的五次谐波,解决了电流谐波畸变率小于100k的要求。
高频电源技术方案 引言 高频电源技术是电力系统中不可或缺的一项关键技术。随着电子设备的不断普 及和发展，对电源的要求也越来越高，尤其是在高频率下的稳定性和效率方面。本文将介绍一些常见的高频电源技术方案，包括开关电源和谐振电源。 开关电源 基本原理 开关电源是一种将电能从输入端转换成高频交流信号，在输出端通过滤波电路 转换为稳定直流电压的电源系统。其基本原理是利用开关管（如MOSFET）对输入电压进行调制，产生高频脉冲信号，并通过变压器、整流电路和滤波电路等组成的后级电路将高频脉冲信号转换为稳定的直流电压。 特点与优势 开关电源具有如下特点和优势： 1.高效率：开关电源在高频率下工作，能够大幅提高电能的转换效率， 从而减少能量的损耗。 2.小体积：由于开关电源采用高频工作，电流和电压的波动幅度较小， 可以使用较小尺寸的电感器和电容器，从而实现小尺寸化设计。 3.调节性好：开关电源采用全电子开关控制，可以实现调节范围宽、动 态性能好的输出特性。 4.可靠性高：开关电源采用电子元器件进行控制和转换，因此具有较高 的可靠性，适用于长时间工作和高负载情况。 应用领域 开关电源在各个领域都有广泛的应用，特别是在以下领域中具有重要地位：•通信设备：无线基站、交换机、路由器等设备都需要稳定的电源供给； •工控设备：工业自动化、机器人、传感器等设备对电源的稳定性要求较高； •IT设备：计算机、服务器、显示器等设备需要高效、可靠的电源供应； •照明领域：LED照明、室内照明等领域需要高效、小尺寸的电源。
谐振电源 基本原理 谐振电源是一种利用谐振元件（如电感和电容）在高频交流电路中产生谐振效应，从而实现能量的传递和转换的电源系统。其基本原理是通过合理选择谐振元件以及驱动电路的设计，使谐振电路在谐振频率上发生共振，从而实现高效能量转换。 特点与优势 谐振电源具有如下特点和优势： 1.高效率：谐振电源通过共振效应，在谐振频率附近实现高效能量传递， 从而提高电能的转换效率。 2.低电磁干扰：谐振电源在高频段工作，通过合理设计电路结构和隔离 措施，可以降低电磁干扰的发生，减少对其他设备的干扰。 3.可靠性高：谐振电源采用简单的电路结构和少量的元件，具有结构简 单、故障率低的特点。 4.适应性强：谐振电源可以适应不同功率要求，通过改变谐振元件和驱 动电路的参数，可以实现较广范围的输出功率。 应用领域 谐振电源在以下领域中具有广泛应用： •无线充电：作为一种高效的能量传输方式，谐振电源被广泛应用于电动汽车充电、手机充电等领域； •电子设备：如笔记本电脑、平板电脑等便携设备中的充电器； •绿色能源：谐振电源也被应用于太阳能、风能等绿色能源领域，实现高效率的能量转换和储存。 总结 高频电源技术方案对于现代电力系统和电子设备具有重要意义。通过合理选择 开关电源或谐振电源方案，可以实现高效、稳定和可靠的电源供应。未来随着电子设备不断发展和创新，高频电源技术也将不断进步，为人们提供更加便捷和高效的电源解决方案。 参考文献： 1.张宾. 高频电源设计与应用. 清华大学出版社, 2009. 2.曹丽华, 张晓玲. 高频电源谐振技术概述. 北京科技大学学报, 2013(8):1039-1043.
开关电源设计报告 一、设计背景 开关电源是一种高效率、小体积和重量轻的电源。因此，在现代电子 设备中被广泛使用。开关电源以开关方式来传递能量，通过周期性开关的 方式将直流电源转换为高频脉冲电流，然后经过二次整流滤波得到所需的 直流电压。 二、设计目标 本设计旨在设计出一种高效率、稳定性好、噪声低的开关电源，满足 现代电子设备对电源的需求。 三、设计原理 开关电源设计主要包括输入滤波、整流、滤波、功率转换等模块。其中，输入滤波模块主要是为了滤除输入电流中的高频噪声，保证电源的输 入电流纯净；整流模块主要是通过整流器将输入电压转换为脉冲电流；滤 波模块则是为了过滤掉脉冲电流带来的高频噪声；功率转换模块是通过开 关管和能量存储元件来实现电能的传递和转换。 四、设计步骤 1.确定需求：根据电子设备的工作电压和电流要求，确定所需的输出 电压和电流。 2.选择元器件：选择合适的变压器、电容、电感以及其他电子元器件，根据设计需求确定元件参数。 3. 确定拓扑结构：根据设计要求选择合适的拓扑结构，如Boost、Buck、Buck-Boost等，并进行相应的计算和仿真验证。
4.进行电路设计：根据所选拓扑结构，设计输入滤波电路、整流电路、滤波电路和功率转换电路。根据设计要求确定元器件的电压、电流和功率 等参数。 5.进行仿真验证：通过软件仿真工具，验证设计电路的性能和稳定性，分析电路设计中的问题和不足。 6.PCB设计：根据电路设计结果进行PCB布局设计和线路连接设计。 7.组装和调试：将设计好的电路进行组装，并进行电气性能的实际测 试和调试。 8.优化改进：根据实际测试结果进行电路的优化改进，以提高电路的 性能和稳定性。 9.总结报告：总结开关电源设计的过程和结果，分析优缺点，并提出 进一步改进的建议。 五、设计结果 通过以上步骤，完成了一种满足设计要求的开关电源设计。该电源具 有高效率、稳定性好、噪声低等特点，能够满足电子设备对电源的要求。六、设计总结 本设计通过选择合适的拓扑结构和元器件，经过仿真验证和实际调试，成功设计了一款高效率、稳定性好、噪声低的开关电源。设计过程中充分 考虑了电源的输出稳定性、效率和噪声等因素，保证了电源的质量和性能。 七、改进建议
高频开关电源变压器的优化设计及其应 用研究 摘要：在开关电源当中，变压器是实现核心性能的关键技术组件，因此要把控合理设计与应用。本文通过分析高频开关电源变压器的构成及发展现况，进一步分析了变压器的优化设计方向与实际应用。 关键词：优化设计；变压器；高频开关电源 引言：目前的开关电源正不断向高频化的方向发展，因此其相应的变压器装置也开始采用高频形式，基于此，本文主要围绕着高频开关电源变压器的内部设计展开的研究，希望能够对高频开关电源变压器的实际应用有所帮助。 1.高频开关电源变压器的构成及发展现况 1.1高频开关电源变压器的构成与分类 高频开关电源变压器中，其开关器件是基于半导体功率，因此也可称之为开关管，而控制开关管在高频下进行关闭与开通操作，从而实现将某种电能的形态转换为其他类型电能形态，这种性能的装置就叫做开关转换器。以开关转换器为关键部件，再利用闭环自动控制方式对输出电压进行稳定处理，同时，整个电路中还配有相应的保护电源，这种情况下的电源就叫做开关电源，而使用高频的转换器做电源开关工作的转换装置，就被称作高频开关电源，其一般是采用高频DC 转换器。在高频开关电源当中，其运行的最基本路线包括整流滤波电路、开关型的功率变换装置、控制电路以及交流直线转换电路，而其相应的变压器装置可采用以下几种分类方式。一是基于不同的驱动方式来划分为自激式驱动变压器以及他激式驱动变压器；二是根据电路的拓扑结构来划分变压器类型，具体可分为两类，包括隔离式变压器与非隔离式变压器，其中隔离式变压器装置还可划分为半桥式变压器、全桥式变压器、反激式变压器、正激式变压器以及推挽式变压器，非隔离式变压器则包括升压型变压器与降压型变压器；三是基于输入与输出之间
开关电源设计机载高频开关电源设计 机载高频开关电源产品专门用于输入交流400Hz的场合，这是特意为了满足军用雷达、航空航天、舰船、机车以及导弹发射等专门用途所设计的。应用户要求，研制出机载高频开关电源产品对电子武器装备系统的国产化，打破国际封锁，提高我军装备的机动性，高性能都有重要的意义。 机上可供选择的供电电源有两种输入方式：115V/400Hz中频交流电源和28V直流电源。两种输入方式各有优缺点， 115V/400Hz电源波动小，需要器件的耐压相对较高;而28V直流电源却相反，一般不能直接提供给设备部件使用，必须将供电电源进行隔离并稳压成为需要的直流电源才能使用。机载电源的使用环境比较恶劣，必须适应宽范围温度正常工作，并能经受冲击、震动、潮湿等应力筛选试验，因此设计机载电源的可靠性给我们提出了更高的要求。下面主要介绍115V/400Hz 中频交流输入方式所研制的开关电源，它的输出电压270～380Vdc可以调节，输出功率不小于3000W，环境温度可宽至-40℃～+55℃，完全适应军品级电源的需要。 系统构成及主回路设计
图1所示为整机电路原理框图。它的设计主要通过升压功率因数校正电路及DC/DC变换电路两部分完成。115Vac/400Hz中频交流电源经输入滤波，通过升压功率因数校正(PFC)电路完成功率因数校正及升压预稳、能量存储，再通过DC/DC半桥变换、高频整流滤波器、输出滤波电路以及反馈控制回路实现270～380Vdc可调节输出稳压的性能要求。 图1 整机电路原理框图 升压功率因数校正电路主要使输入功率因数满足指标要求，同时实现升压预稳功能。本部分设计兼顾功率因数电路达到0.92的要求，又使DC/DC输入电压适当，不致使功率因数校正电路工作负担过重，因此设定在330～350Vdc。 隔离式DC/DC变换器电路拓扑结构形式主要有以下几种：正激、反激、全桥、半桥和推挽。反激和正激拓扑主要应用在中小功率电源中，不适合本电源的3000W输出功率要求。全桥拓扑虽然能输出较大的功率，但结构相对较为复杂。推挽电路结构中的开关管电压应力很高，并且在推挽和全桥拓扑中都可能出现单向偏磁饱和，使开关管损坏。而半桥电路因为具有自动
并联均流高频开关电源的研究 随着电子技术的不断发展，高频开关电源已经成为各行业应用电源的主要选择。而在这些高频开关电源中，例如电子设备、LED照明、电动汽车等的电源和充电器中，最常见的电路 设计之一就是并联均流高频开关电源。这种电源有很多优点，例如体积小、效率高、可靠性强、稳定性好等，因此成为电源设计中不可或缺的基础。 本文将围绕并联均流高频开关电源的研究展开，包括其电路设计、工作原理、优化方案和相应的应用。 一、并联均流高频开关电源电路设计： 1.基本结构：最基本的电路结构是在输出端并联多个开关 电路，通过一个均流电感器将电流均分到各个开关电路中，同时多个开关电路的输出端并联组成一个整体输出。均流电感器既能保证多个开关电路之间电流的平衡，又能保证输出电流的稳定性。一般均流电感器的参数可以根据具体的电源输出功率、输入电压等因素进行选择。 2.控制方案：高频开关电源中的控制方案有很多种，其中 常见的有PWM（脉宽调制）控制、PFC（功率因数校正）控制和LLC（无频联控制）控制等。其中PWM控制常用于较小功率的电源，PFC控制则适用于较大功率的电源，而LLC控制则能 够同时满足高效率和电磁兼容性的要求。
3.稳压方案：由于并联均流高频开关电源的特性，其输出 电压在负载变化时容易波动。因此需要采用一种稳压方案来保证输出电压的稳定性。常用的稳压方案有两种，一种是采用反馈控制方式来进行稳压，另一种是采用前级变压器来进行稳压。两者的选择取决于具体的应用要求和设计成本。 二、并联均流高频开关电源的工作原理： 在并联均流高频开关电源中，多个开关电路并联工作，共同向输出负载提供电流。当输入电压变化时，各开关电路的工作状态也会随之变化，以保持输出电流的平衡。由于开关电路的高频开关特性，电源的效率和稳定性都有很大的提升，同时可以通过均流电感器来保证各开关电路之间电流的平衡，从而达到均流的目的。 三、并联均流高频开关电源的优化方案： 在设计并联均流高频开关电源时，可以通过以下方面进行优化： 1.选择合适的均流电感器参数，以保证电流的充分均衡。 2.选择恰当的控制方案，以保证输出电流的稳定性和电源 的高效率。 3.采用合适的稳压方案，以保证输出电压的稳定性。 4.进行电磁兼容性设计，以减少电源对外部干扰。 5.进行功率因数校正设计，以提升电源的功率因数，减少 对电网的冲击。
开关电源的设计与制作 第一章开关电源概述 一. 什幺是开关电源(Switching Power Supply) 所谓开关电源是指以高频变压器取代工频变压器,采用脉冲调制技术的直流直流变换器型稳压电源. 开关晶体管,开关二级管和开关变压器是组成开关电源的三个关键组件. 二. 隔离式高频开关电源. 图标说明:1)交流线路电压无论是来自电纲的,还是经过变压器降压的,首先要经过电纲滤波,以消除电磁干扰和射频干扰; 2)经电纲滤波后的电流首先要经过整流,滤波电路变成含有一定脉动电压成分的直流电压,然后进入高频变换部分; 3)高频变换器具有多种形式,主要分为半桥式,全桥式,推挽式,单端正激式,单端反激式等; 高频变换部分的核心是一个高频功率开关组件,比如开关晶体管,场效应管(MDSFET)等组件,高频变换器产生高频(20KHZ以上)高压方波,所得到的高压方波送给高频隔离变压器的初级,在变压器的次级感应出的电压被整流,滤波后就产生了低压直流. 4)脉冲宽度调制器(P WM)主要用于调节输出电压,使得在输入交流和输出直流负载发生变化时,输出电压能保持稳定,运作过程是P WM电路通过输出电压采样,并把采样的结果反馈给控制电路,控
制电路把它与基准电压作比较,根据比较结果来控制高频功率开关组件的开关时间比例(占空比),达到调整输出电压的目的. (注:控制电路还有调频方式的) 5)为了使整个电路安全可靠地工作,必须设置过压,过流保护电路等辅助电路. 三.开关电源常用术语. 1.效率(dfficiency):电源的输出功率与输入功率的百分比(测量条件为满负载,输入交流电压为标准 值) 2.ESR: 等效串联电阻,它表示电解电容呈现的电阻值的总和. ESR值越低的电容,性能越好. 3.输出电压保持时间: 在开关电源的输入电压撤离后,依然保持其额定输出电压的时间; 4.激活浪涌电流限制电路: 属保护电路,它对电源激活时产生的尖峰电流起限制作用. 5.隔离电压: 电源电路中的任何一部分与电源基板地之间的最大电压.或者能够加在开关电源的输 入端与输出端之间的最大直流电压. 6.线性调整率: 输出电压随输入线性电压在指定范转内变化的百分率,条件是线电压和环境温度保 持不变. 7.负载调整率: 输出电压随负载在指定范围内变化的百分率,条件是线电压和环境温度保持不变. 8.噪音和纹波: 附加在直流输出信号上的交流电压和高频兴峰信号的峰值.通常是以mV度量. 9.隔离式开关电源: 一般指高频开关电源,它从输入的交流电源直接进行整流和滤波,不使用低频隔 离变压器. 10.输出瞬态响应时间: 从输出负载电流产生变化开始,经过整个电路的调节作用,到输出电压恢复 额定值所需要的时间. 11.过载或过流保护: 防因负载过重,使电流超过原设计的额定值而造成电源损坏的电路. 12.远程检测: 为了补赏电源输出的电压降,直接从负载上检测输出电压的方法. 13.软激活: 在系流激活时,一种延长开关波形的工作周期的方法,工作周期是从零到它的正常工作 点所用的时间. 14.电磁干扰无线频率干扰(EMI一RFI): 那些由开关电源的开关组件引起的,不希望传输和发射的高频能量频谱. 15.快速短路保护电路:一种用于电源输出端的保护电路,当出现过压现象时,保护电路激活,将电源 输出端电压快速短路. 16.占空比:在高频开关电源中,开关组件的导通时间和变换器的工作周期之比. 即:δ=Ton /Τ(T= Ton+Toff)
电力电子技术课程设计报告 题目高频开关稳压电源 专业电气工程及其自动化 班级 学号 学生姓名 指导教师 2016年春季学期 起止时间：2016年6月25日至2016年6月27日
设计任务书11 高频开关稳压电源设计√ 一、设计任务 根据电源参数要求设计一个高频直流开关稳压电源。 二、设计条件与指标 1.电源：电压额定值220±10%，频率：50Hz； 2. 输出:稳压电源功率Po=1000W,电压Uo=50V； 开关频率:100KHz 3.电源输出保持时间td=10ms(电压从280V下降到250V)； 三、设计要求 1.分析题目要求，提出2~3种电路结构，比较并确定主电路 结构和控制方案； 2.设计主电路原理图、触发电路的原理框图，并设置必要的 保护电路； 3.参数计算，选择主电路及保护电路元件参数； 4.利用PSPICE、PSIM或MATLAB等进行电路仿真优化； 5.撰写课程设计报告。 四、参考文献 1.王兆安，《电力电子技术》，机械工业出版社； 2.林渭勋等，《电力电子设备设计和应用手册》； 3.张占松、蔡宣三，《开关电源的原理与设计》，电子工业 出版社。
目录 一、总体设计 (1) 1．主电路的选型（方案设计） (1) 2.控制电路设计 (4) 3.总体实现框架 (4) 二、主要参数及电路设计 (5) 1.主电路参数设计 (5) 2.控制电路参数设计 (7) 3.保护电路的设计以及参数整定 (8) 4.过压和欠压保护 (8) 三、仿真验证（设计测试方案、存在的问题及解决方法） (9) 1、主电路测试 (9) 2、驱动电路测试 (10) 3、保护电路测试 (10) 四、小结 (11) 参考文献 (11)
开关电源的设计 摘要：开关电源因其高效节能引起社会各方面的重视，多年来对开关电源的核心单元—控制电路实现集成化是开关电源的发展方向之一，在这过程中，更小体积，更少电磁污染，具有可靠的过电压及过电流保护电路的技术也在飞速发展，特别是在驱动LED恒流开关电源方面，发展尤其突出，因此具有很大研究价值。白光LED是节能、环保、高效、长寿命的国际公认的下一代照明光源。随着白光LED 技术的成熟，它将被更广泛低地应用到各个领域。与传统光源不同，白光LED 需要专用恒流电源驱动才能使其高效持续地工作。LED照明通常用多个发光二极管组成点阵光源，为使光源发光均匀则需供电电源提供恒定电流进行驱动。 关键词：开关电源、LED、恒定电流 The design of switch power supply Abstract：Switching power supply is paid much attention for its high efficiency and low power consumption. Core unit-control circuit integration of the switching power supply has been one of switching power supply development for many years. A smaller volume, the less EMI, over current and over voltage protection circuit technology has been developing in this process. Especially in the constant current LED driver switching power supply, particularly in the development and therefore have great research value White LED is energy-saving, environmental protection, high efficiency, long life of the internationally recognized next generation lighting source. With the white LED technology maturity, it will be widely applied to the fields of lowland. With the traditional light sources, white LED requires a special constant current source drive to make its efficient continuously. LED lighting is usually by a plurality of light emitting diodes array light source, the light source is required to provide uniform power supply constant current drive. Key words: Switching power supply；LED；constant current