开关型直流稳压电源

浅谈高性能开关型直流稳压电源摘要:高性能开关型直流稳压电源是根据移相控制全桥DC／DC 变换器中的小信号模型,依据系统频域特性研究了电源性能,按技术指标研制出来的一台样机,经过反复的实验,结果表明了高性能开关型直流稳压电源的实用性。

本文主要着手于高性能开关型直流稳压电源的性能探究。

关键词:高性能开关型直流稳压电源探究随着电力电子技术的不断发展,高性能开关型直流稳压电源将在电力系统得到广泛的应用,开关型直流电流的主要优点变现在:工作稳性、可靠性好、重量轻、效率高以及功耗小等,其发展趋势相对于其他开关型电流更具竞争力。

开关型直流电流应用于粒子加速器电源等领域。

经过全方位的分析及全盘考虑。

相关技术研究人员采用移相控制桥DC／DC变换小信号模型设计了高性能开关型直流稳压电源。

1 动态小信号模型探析动态小信号模型的选取具有多样性,选取不同的模型运用得到的设计结果各不一样。

开关电源本质上是一个非线性的控制对象,采用解析的方法指导建模只能近似建立其在稳态时的小信号扰动模型,而用这种模型来解释大范围的扰动时所获得的结论并不完全准确。

其基本得益于开关电源一般工作在稳态。

依据小信号扰动模型设计出的高性能开关型直流稳压电源,配合辅助电路的使用,完全能使开关电源的性能满足要求。

2 直流稳压电源性能指标的确定2.1 稳定性指标要求据有关数据及实践结果表明,不同的系统应该具有不同程度的鲁棒性,同时暂态特性也相对较好。

然而对于直流稳定电源来说,其要求系统的增益余量大于或等于40dB,相位余量大于或等于30dB。

2.2 瞬态响应指标开关电源在受干扰状态下,其输出量会受到影响导致相应的抖动,最后渐渐地恢复到稳定值。

通常我们以过冲幅度和动态恢复的时间长短来测评动态特性。

穿越频率越高,动态恢复所需的时间越短;过冲幅度与相位余量亦存在紧密的相关性。

2.3 电源精度探析电压精度具有严格的要求,其设计范围为不大于1‰,纹波不大于1‰。

然而纹波中分为高频和低频两部分,开关频率造成高频部分的产生,依靠输出滤波器来抑制;电网波动引入了低频部分,低频部分主要依靠系统负反馈来加以克服。

一、水声设备电源电源分为交流电源和直流电源，就水声设备而言，主要应用为直流稳压电源。

直流电源可分为线性稳压电源和开关稳压电源。

线性稳压电源就是它的功率器件调整管工作在线性区，靠调整管之间的电压降来稳定输出。

与线性稳压电源不同的一类稳电源就是开关型直流稳压电源，它的电路型式主要有单端反激式，单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式。

它和线性电源的根本区别在于它变压器不工作在工频而是工作在几十千赫兹到几兆赫兹，功率管工作在饱或及截止区即开关状态。

线性电源和开关电源的区别：1、工作方式不同（1）线性电源的调整管工作在放大状态，因而发热量大，效率低（不高于50%），需要加体积庞大的散热片，而且还需要同样也是大体积的工频变压器，当要制作多组电压输出时变压器会更庞大。

（2）开关电源的调整管工作在饱和和截至状态，因而发热量小，效率高（75％以上）而且省掉了大体积的变压器。

但开关电源输出的直流上面会叠加较大的纹波，另外开关管工作时会产生很大的尖峰脉冲干扰，也需要在电路中串连磁珠加以改善。

2、内部结构不同（1）开关电源利用变占空比或变频的方法实现不同的电压，实现较为复杂，最大的优点是高效率，缺点是纹波和开关噪声较大，适用于对纹波和噪声要求不高的场合。

（2）线性电源没有开关动作，属于连续模拟控制，内部结构相对简单，芯片面积也较小，成本较低，优点是成本低，纹波噪声小，最大的缺点是效率低。

它们各有有缺点在应用上互补共存。

3、适用要求不一样效率和安装体积有要求的地方用开关电源为佳，对于电磁干扰和电源纯净性有要求的地方多选用线性电源。

稳压电路对整流后的直流电压采用负反馈技术进一步稳定直流电压。

二、直流电源主要参数1、源电压效应输入电压的变化引起输出量变化的效应，改变量是源电压，被测量是输出电压的稳态值。

%100max ⨯∆=oNU U U S其中 S U — 源电压效应系数（电压调整率），这个值越小越好，是衡量稳压电源性能的一个重要指标。

直流开关稳压电源设计一、设计背景及意义随着电子技术的飞速发展，各类电子设备对电源的需求日益增长。

直流开关稳压电源以其高效、稳定、体积小、重量轻等优点，在通信、计算机、家用电器等领域得到了广泛应用。

设计一款性能优越、可靠性高的直流开关稳压电源，对于提高电子设备的整体性能具有重要意义。

二、设计目标1. 输出电压范围：12V±1V；2. 输出电流：2A；3. 转换效率：≥85%；4. 工作温度范围：25℃~+85℃；5. 具有过压、过流、短路保护功能；6. 体积小，便于安装。

三、设计方案1. 电路拓扑选择本设计采用开关电源的主流拓扑——反激式变换器。

反激式变换器具有电路简单、体积小、效率高等优点，适用于中小功率电源设计。

2. 主控芯片选型选用ST公司的STM32F103系列微控制器作为主控芯片，该芯片具有高性能、低功耗、丰富的外设资源等特点，能够满足开关电源的设计需求。

3. 功率开关管选型功率开关管是开关电源的核心元件，本设计选用N沟道MOSFET作为功率开关管。

根据设计指标，选用IRF530N型号MOSFET，其导通电阻低，可降低开关损耗，提高转换效率。

4. 输出整流滤波电路设计输出整流滤波电路采用肖特基二极管和LC滤波电路。

肖特基二极管具有正向压降低、开关速度快的特点，适用于开关电源整流。

LC滤波电路能有效抑制输出电压纹波，提高输出电压稳定性。

5. 保护电路设计为实现过压、过流、短路保护功能，设计如下保护电路：（1）过压保护：在输出端设置一个电压比较器，当输出电压超过设定值时，触发保护动作，切断功率开关管的驱动信号。

（2）过流保护：在功率开关管源极串联一个取样电阻，实时监测电流值。

当电流超过设定值时，触发保护动作，切断功率开关管的驱动信号。

（3）短路保护：在输出端设置一个电流比较器，当输出电流超过设定值时，触发保护动作，切断功率开关管的驱动信号。

四、实验验证与优化1. 搭建实验平台，对设计的直流开关稳压电源进行测试，观察输出电压、电流、效率等参数是否符合设计要求。

MC34063构成的DC/DC开关稳压电源1.开关型直流稳压电源简介1.1线性稳压电源和开关稳压电源的比较线性稳压电源：结构简单，调节方便，输出电压稳定性强，纹波电压小。

缺点是调整管工作在甲类状态，因而功耗大，效率低（20％～49％）；需加散热器，因而设备体积大，笨重，成本高。

开关稳压电源：调整管工作在开关状态，大大减小了器件的功耗，提高了电源的工作效率，开关型稳压电源的效率可达70％～95％。

体积小，重量轻。

适于固定的大负载电流、输出电压小范围调节的场合。

1.2串联（降压）开关型稳压电路换能电路的基本原理图及其等效电路串联开关型稳压电源的结构框图串联开关型稳压电路的简化电路串联开关型稳压电路，通过对三极管斩波控制完成稳压输出。

由于能量到达负载为输入电压的断续形态，故输出电压低于输入电压为降压型开关电路。

1.3并联（升压）开关型稳压电路换能电路的基本原理图及其等效电路并联开关型稳压电路的简化电路并联开关型稳压电路，同样通过对三极管斩波控制完成稳压输出。

能量到达负载也为断续形态，但为输入电压与电感电压和的断续形态，故输出电压可高于输入电压为升压型开关电路。

2. MC34063 DC/DC变换器控制电路简介：MC34063是一单片双极型线性集成电路，专用于直流-直流变换器控制部分。

片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器、驱动器和大电流输出开关，能输出1.5A的开关电流。

它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。

特点：*能在3.0-40V的输入电压下工作*短路电流限制*低静态电流*输出开关电流可达1.5A（无外接三极管）*输出电压可调*工作振荡频率范围为100HZ到100KHZ*可构成升压、降压或反向电源变换器3.MC34063引脚图及原理框图4.MC34063 电路原理振荡器通过恒流源对外接在CT 管脚(3 脚)上的定时电容不断地充电和放电以产生振荡波形。

开关型稳压电源介绍1、开关型稳压电源的组成开关型稳压电源（简称开关电源）的基本电路一般由线性滤波器、整流滤波器、功率变换器和稳压控制电路组成。

开关电源构成框图如下图所示。

▲开关电源构成框图线性滤波器又称电磁干扰（ＥＭＩ）滤波器、噪声滤波器（ＰＮＦ）、电源滤波器等，它是２０世纪８０年代问世的一种新型器件，防止电网中的干扰脉冲进入整流滤波电路，同时也阻碍本机产生的噪声反馈到公共电网，输出直流高压加到功率变换器进行功率变换，向负载输出符合要求的直流电压。

开关电源控制器一般包括取样、比较放大、基准源和控制调整电路等，当某种原因使输出电压不稳定时，通过开关电源控制器自动调整功率变换器中的功率开关器件的通断时间比或频率，达到自动调节输出电压的目的，使输出电压保持稳定。

功率变换器亦称ＤＣ／ＤＣ变换器，是将直流电压变换成另一种直流电压的变换电路。

通常各种电子、通信设备需要的电源电压不同，利用ＤＣ／ＤＣ变换器，就可以把整流器输出的直流电压变换成电子、通信设备所需要的直流电压。

2、开关电源特点与线性稳压电源相比，开关电源有以下特点：（1）效率高、功耗小开关电源的功率开关管（调整管）工作在开关状态，因此功率开关管的功耗极小，效率在８０％以上。

（2）稳压范围宽线性稳压电源在交流输入电压低于１６０Ｖ时，输出电压就不稳定，而输入交流电压偏高时则效率降低。

而开关电源交流输入电压在１３０～２６０Ｖ范围变化时都能达到很好的稳压效果。

现在三端、多端单片开关电源在８５～２６５Ｖ范围内均能正常工作。

（3）稳定性和可靠性高功耗小使得电子、通信设备内的温升也低，减小了周围元器件的高温损坏率，使设备的热稳定性和可靠性大大提高。

（4）体积小、重量轻开关电源可将电网交流电压直接输入整流，再通过高频变压器获得各种不同的交流电压，省去了笨重的变压器，使电源的重量减轻很多。

开关电源的功率密度（输出功率Ｐ与体积Ｖ之比，单位为Ｗ／ｃｍ３）很大，可达０．３７Ｗ／ｃｍ３，而相控型稳压电源的功率密度只能达到０．０４３Ｗ／ｃｍ３。

开关直流稳压电源设计设计原理：关键参数：开关直流稳压电源的关键参数包括输出电压精度、输出电流、纹波电压和负载调节率等。

输出电压精度表示开关直流稳压电源输出的电压与设定值之间的偏差。

输出电流表示电源能够提供的最大负载电流。

纹波电压表示输出电压的波动情况，是由开关器件的开关操作引起的。

负载调节率表示在负载变化时，输出电压的变化程度。

主要组成部分：一个典型的开关直流稳压电源由以下几个主要组成部分构成：1.输入端：输入端通常有一个交流电源或者一个整流电路，将交流电转换为直流电。

在输入端还可能包含一些滤波电容和短路保护电路。

2.开关电路：开关电路由各种开关器件组成，包括晶体管、场效应管和硅控整流元件等。

开关周期性地打开和关闭，调节输入电压的占空比，从而调节输出电压。

在开关电路中，还可能包含一些保护电路，如过流保护和过压保护等。

3.控制电路：控制电路是开关直流稳压电源中的重要组成部分。

它根据输出电压与设定值之间的偏差，生成控制信号，控制开关器件的开关操作。

控制电路通常由一个误差放大器、一个比较器和一个参考电压源组成。

4.输出端：输出端是开关直流稳压电源输出电压的终点。

它通常由一个输出电感、一个输出滤波电容和一个负载组成。

输出电感和输出电容起到滤波作用，减小输出电压的纹波。

负载则是电源供电的目标设备。

5.反馈回路：反馈回路起到监测输出电压并调整开关操作的作用。

它通常由一个反馈电阻和一个反馈电压比较器组成。

反馈电阻将输出电压分压为反馈电压，反馈电压比较器将反馈电压与设定值进行比较，生成控制信号。

总结：开关直流稳压电源是一种常用的电源设计，用于提供稳定的直流电压输出。

它通过开关器件的开关操作调节输入电压，并通过反馈机制保持输出电压稳定。

设计开关直流稳压电源需要考虑关键参数，包括输出电压精度、输出电流、纹波电压和负载调节率等。

主要的组成部分包括输入端、开关电路、控制电路、输出端和反馈回路。

开关直流稳压电源的设计涉及到多个领域的知识，包括电源电路、电子器件和控制理论等。

一、直流稳压电源现代电子设备使用的电源大致有线性稳压电源和开关稳压电源两大类。

所谓线性稳压电源是指起电压调整功能的器件始终在线性放大区的支流稳压电源。

将220V、50Hz的工频电压经过线性变压器降压以后，经过整流、滤波和稳压，输出一个直流电压。

开关稳压电源简称开关电源（Switching Power Supply）,它是指起电压调整作用的期间始终以开关方式工作的一种直流稳压电源。

下面我们对两种稳压电源进行分析。

线性稳压电源原理图如图2-1所示：工频电压器整流滤波电路基准放大器取样由50Hz工频变压器，整流器，滤波器，串联调整稳压器组成。

开关稳压电源其输入，输出隔离的开关电源原理框图：直流输出交流输入EMI滤波器整流滤波变换电路高频变压器整流滤波控制驱动采样比较放大开关电源原理框图50HZ 单相交流220V 电压或三相交流220V/380V 电压经EMI 防电磁干扰电源滤波器，直接整流滤波，然后将滤波后的直流电压经变换为数十或数百千赫的高频方波和准方波电压，通过高频变压器并降压（或升压）后，再经高频整流，滤波电路，最后输出直流电压。

通过采样，比较，放大或控制，驱动电路，控制变换器中功率开关管的占空比，便得到稳定的输出电压。

两类电源的选择:线性稳压源的优点是：电源稳定度及负载稳定度较高；输出纹波电压小；瞬态响应速度快；线路结构简单，便于维修；没有开关干扰。

缺点是：功耗大、效率低，其效率一般只有35~60%；体积大、质量重、不能微小型化；必须有较大容量的滤波电容。

其中，交换效率低下是线性稳压电源的重要缺点，造成了资源的严重浪费。

在这种背景下，开关稳压电源应运而生。

任何电子设备均需直流电源来供给电路工作，特别是采用电网供电的电子产品，为了适应电网电压波动和电路的工作状态变化，更需要具备适应这种变化的直流稳压电源。

但开关稳压电源的主要缺点是电路比较复杂。

输出纹波电压较高，瞬态响应差，并且存在较为严重的开关干扰。

开关型直流稳压电路稳压电源属于线性稳压电路，电路中的调整管工作在放大区。

而开关型稳压电路的调整管工作在开关状态，一般以(10～100)kHz的调制频率快速地工作于饱和区和截止区。

当管子截止时，尽管电压较高，而电流为零；当管子饱和时，尽管电流较大，而管压降很小。

通常只要考虑管子的高频开关损耗。

因此，管子功耗小，其效率很高(80％～90％以上)。

串联型开关电源：电路由开关调整管(T)、续流滤波环节D和L-C2、掌握环节(A、R1-R2、VREF)三个部分组成。

续流滤波环节的作用是将调整管输出的开关脉冲电压波形加以平滑，变成平稳的直流输出电压。

由于这个电压是不稳定的，因而必需通过输出取样，反馈掌握调整管的饱和与截止时间，使输出电压自动进行调整。

设比较放大器输出电压VF＜0。

在三角波信号电压VS＞VF期间，比较器输出负电位，VB=-Vom。

反之，在VS＜VF期间，VB=+Vom，由此可得VB为矩形脉冲。

当VF变动时，VB波形的脉宽ton和占空比q(=ton/T)随着转变。

当VB=+Vom时，调整管T饱和导通，iL=iE，并在L中储能。

T的放射极电位为VE=VI-VCES≈VI,而当VB=-Vom时，调整管T截止，iE=0。

此时，电感L释放储能，其反电势使二极管D导通，iL=iD，所以负载上连续有电流通过，续流二极管D的名称由此而得。

此时，T的放射极电位VE=-VD≈0。

若忽视L中的直流电阻，则输出直流电压Vo即为VE的平均重量。

，q为放射极脉冲占空比。

当VI肯定时，Vo与占空比q成正比。

当滤波器的参数L和C不是足够大时，输出电压将消失肯定的纹波，其基波频率与三角波的频率相同。

稳压过程如下：当输出直流电压Vo下降时，取样电压FVo随着减小，所以｜VF｜减小。

由图(a)可见，此时调整管T的导通时间ton增加，所以VB波形的占空比q增大，这使Vo增大，由此可弥补Vo的减小。

而当Vo因某种缘由增大时，反馈掌握的结果将使VB波形的占空比q减小，从而使Vo下降，以弥补Vo的增大。

开关电源基础知识介绍开关电源基础知识介绍现在电器化中常用的稳压电源有两大类：线性稳压电源和形状型稳压电源。

线性稳压电源亦称串联调整式稳压电源。

它的优点是成本较低、稳压性能好、输出纹波小，它的缺点是工作效率较低，在中小功率应用场合用得较多。

形状型稳压电源是指开关电源中的调整管工作在截止区和饱和区。

它的工作状态就象普通机械开关一样，当调整管截止时相当开关断开，而调整管饱和导通时相当于开关接通。

这种起着开关作用的三极管我们就把它称为开关管，用开关管来稳定输出电源，我们就把它称为开关型稳压电源。

开关型稳压电源具有体积小、抗干扰能力强、损耗小、效率高、具有保护能力等优点。

计算机及其外部设备中，如计算机、打印机和显示器等都使用开关型稳压电源。

开关电源就其与负载联接的形式不同，可分为并联型和串联型两种。

并联型开关电源与串联型开关电源工作原理基本相同，电压调整范围也差不多。

它们主要区别在于：并联型开关电源，其电压输出端与电网间有开关变压器进行电路上的隔离，因此，机板上除与开关变压器初级相连的部分电路外，其余均不与市电相连，因此并联型号开关电源安全性好，容易与外界接口；而串联型号开关电源由于没有隔离变压器，整机的“地“有可能与电网火线相连，致使整机安全性差，不利于与外界接口。

并联型开关电源电路复杂，对开关管要求高，而串联型开关电源电路相对简单得多，成本也低。

开关电源就其开关管的被激励方式的不同，可分为自激式和他激式两种。

自激式开关电源由开关管、启动电路、反馈电路、稳压电路等组成，这种方式电路简单，稳压精度不高。

他激式开关电源中的开关管的工作状态是通过脉宽调制组件来完成的，这种方式虽然电路复杂，但具有稳压精度高、负载能力强等许多优点，现在电器设备中大多使用它源程序式开关电源。

在他激式开关电源中又可分为电压驱动型和电流驱动型两种。

电压驱动型是指通过电压驱动型脉宽调制组件驱动晶体开关管工作。

电流驱动型芯片有TL494、MC494等，在计算机电源中多使用电压驱动型脉宽调制组件。

TF-1型开关电源研究摘要:本文叙述了tf-1型开关电源的设计思想;有关电路工作特点和设计过程;并对开关电源的发展前途作了必要的阐述。

关键词:tf-1开关电源稳压滤波逆变随着电子产业的飞速发展,电子电讯设备对滞留稳压电源的要求越来越高,传统的使用工频变压器的线性调节稳压电源由于体积大、效率低、抗干扰能力差,正逐步被淘汰。

取而代之的是开关型直流稳压电源。

开关型稳压电源是一种高性能的直流稳压电源。

由于其功率调整工作在高频开关状态,使得整机的效率高、抗干扰能力强。

随着大规模集成电路的快速发展,开关电源体积越来越小、价格越来越低,因此,用开关稳压电源是大势所趋。

1 设计思想开关电源的基本原理是,电网电压整流、滤波后,转换成直流电输入高频变换电路。

高频变换电路则把输入的直流电转变为高频脉冲电压,该脉冲电压经整流、滤波后变为所需的直流电压。

通过改变脉冲电压的宽度,来稳定输出电压。

在进行了广泛的市场调研和查阅了大量资料的基础上,结合一些企业的实际情况,形成了研制这种高性能开关电源的总体思路:1.1 由于开关电源工作在高频开关状态,具有极强的抗干扰能力。

为了防止开关电源本身对电网产生射频干扰(rfi),应在开关电源的输入电路中加入lc滤波器。

整个开关电源的外壳要采用铝合金罩,进行电磁屏蔽,以便有效地抑制开关电源对外产生的辐射干扰。

1.2 高频变换电路采用它激式工作方式。

在它激式工作方式中,高频脉冲电压为脉冲方波,整流、滤波以后的纹波电压很小。

1.3 采用必要的保护措施。

为了防止由于负载发生故障而开关电源,因此,应设计过载、短路保护,提高整机的工作可靠性。

2 实施方案及具体设计过程根据以上构思,我们设计出了tf-1型开关稳压电源。

其工作原理框图如图1所示。

tf-1型开关电源的工作过程为:电网电压经工频变压器隔离和降压后,由开关电源的交流输入端输入,经射频干扰(rfi)滤波器滤波后输入整流滤波电路,变为含有一定脉动电压的直流电压,然后进入高频逆变电路。