技术分享：一款低压大电流开关电源的电路设计

低压大电流直流开关电源电磁兼容设计研究来源：| 作者：鲁莉，邹云屏| 发布时间：2010-01-11 16:20:06 | 浏览：153次【字体：大中小】摘要:文章提出了一种符合1}C要求的低压大电流直流开关电源的设计方法。

该方法运用12脉波整流器和zv sRRTM技术来减少卞电路的dU ldt( dildt)和电磁干扰。

另外，针对设备特性，在系统设计、PCB板布线、高频变压器上艺和结构设计等方而采用了一些必要的电磁兼容措施。

电磁兼容实验验证了这些方法的有效性。

关键词:12脉冲整流器;ZVS PWM控制;电力电子;电磁兼容设计0引言随着电力电了技术的发展，开关电源被广泛地应用于计算机及其外围设备、通信、自动控制、家用电器等各个领域。

但由于开关电源工作过程中LBT等开关元件的高频通断会产生很大的dU ldt( di /dt)，形成很强的电磁干扰(ELVI I)，其频率可从儿1}I Z直到数十MH;严重超出电磁兼容(EUI C)标准要求的极限值。

如何降低开关电源的ELVI I成为一个函待解决的热点问题。

本文论述一台10 kW低压大电流直流开关电源在研制过程中，从拓扑到工艺引入多种方法改善了装置的电磁兼容性，以满足客户要求。

10 kW开关电源的干扰源分析10}直流开关电源工作在高频、低压、大电流开关状态，并以占空比来控制输出电压值，其工作频率为20 1dI z。

产生电磁干扰最根本的原因，就是其在工作过程中电源线路内、IU ldt, di /dt很大，它们产生的浪涌电流和尖峰电压形成了干扰源。

整流滤波使用的大电容充电放电、开关管高频工作时的电压切换、输出整流二极管的反向恢复电流都是这类干扰源。

它们通过电源线以共模或差模方式向外传导，同时还向周围空问车nPI射，形成噪声。

2主电路拓扑结构分析本电源的输入为:380 V /50 H;对应输出为28V/350人是一个低压大电流的设备。

针对这样的功率电源，采用了2级变换器。

低压大电流开关电源的设计
低压大电流开关电源的设计
中心议题：
低压大电流开关电源电路的设计
解决方案：
采用磁复位电路有源钳位技术控制磁饱和
使用功率MOSFET整流
在栅极上接稳压管避免击穿
开关电源是利用现代电力电子技术，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。

从上世纪90年代以来开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，计算机、程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源。

随着电源技术的发展，低电压，大电流的开关电源因其技术含量高，应用广，越来越受到人们重视。

在开关电源中，正激和反激式有着电路拓扑简单，输入输出电气隔离等优点，广泛应用于中小功率电源变换场合。

跟反激式相比，正激式变换器变压器铜损较低，同时，正激式电路副边纹波电压电流衰减比反激式明显，因此，一般认为正激式变换器适用在低压，大电流，功率较大的场合。

有源钳位技术
正激DC／DC变换器其固有缺点是功率晶体管截止期间高频变压器必须磁复位。

以防变压器铁心饱和，因此必须采用专门的磁复位电路。

通常采用的复位方式有三种，即传统的附加绕组法、RCD钳位法、有源钳位法。

三种方法各有优缺点：磁复位绕组法正激变换器的优点是技术成熟可靠，磁化能量可无损地回馈到直流电路中去，可是附加的磁复位绕组使变压器结。

用于通信系统的低电压、大电流电源及其设计实例为了处理日益复杂的实时计算问题，当今的通信系统采用了大量的高性能计算芯片，包括各种CPU，FPGA和存储器。

对更高计算速度的需求促使人们相应地提高时钟频率，电源电流也随之增加。

有些器件所要求的电源电流已超过了100A。

在电源电流增加的同时，电压已经降至1V左右，这主要是因为计算芯片的特征线宽越来越细。

低电压、大电流容易导致功率损耗，此时线性调压器电路已经很难适应电源设计的要求。

不过，采用高性能的开关型电源结构，则可以获得高效率的电源。

面临的挑战与当今许多类型的系统一样，通信系统中电路板的面积非常宝贵。

尺寸限制，连同降低成本的压力和其他一些新的技术方面的挑战，使低电压、大电流的电源设计成为通信系统设计中最困难的设计任务之一。

对电压调节能力的挑战随着电源电压降低到1V, 即使小到50mV的电压摆动，也会使计算电路性能发生剧烈的波动。

因此必须对直流输出电压进行严格的调控。

大的输出电流是电压波动的一个主要诱因，包括PCB导线或电源输出与CPU电源引脚间的连接器引入的10mV～50mV压降。

当电源电压为1~1.5V时，这些压降会产生显著影响。

因此，要求对正向和负向电压输出轨都实现远程电压监测。

另一个问题是，先进的计算芯片能根据系统指令瞬时地改变电源电流，变化幅度超过20A。

这样大的负载阶跃，再加上电流的快速换向，将使电源电压下降或超调。

要处理这类动态变化的负载并减小输出电容的尺寸，电源就必须具有很快的瞬态响应能力。

传热学方面的挑战由于系统封装密度随系统复杂程度的增加而增加，散热已成为系统硬件设计人员要面对的一个愈发严峻的挑战。

同时，对电压稳定有严格要求的高性能计算芯片要求电源就位于其附近。

因此，重要的是要减小电源的功率损耗，并消除PCB上的过热点和功率元件，以避免让计算芯片热上加热。

输入噪声带来的挑战由于在许多通信子系统中，主要的负载驱动电源大多为3.3V, 因此必须抑制3.3V汇流排的噪声，以确保所驱动的逻辑器件能正常工作。

一、工作原理我们先熟悉一款开关电源的工作原理，该电源可输出5V电压，如图1所示。

1. 抗干扰电路在电网输入端首先设置一个NTC5D-9负温度系数热敏电阻，作用是保护后面的整流桥，刚开机时热敏电阻处于冷态，阻值比较大，可以限制输入电流，正常工作时，电阻比较小。

这样对开机时的浪涌电流起到有效的缓冲作用。

电容CY1、CY2、CY3、CY4用以滤除从工频电网上进入开关稳压电源和从开关稳压电源进入工频电网的不对称杂散信号，电容CX1、CX2用以滤除从工频电网上进入开关稳压电源和从开关稳压电源进入工频电网的对称杂散信号，用电感L1抑制从工频电网上进入开关稳压电源和从开关稳压电源进入工频电网的频率相同、相位相反的杂散干扰电流信号。

采用高频特性好的瓷片电容和铁芯电感，实现开关稳压电源电路中的高频辐射不污染工频电网和工频电网上的杂散电磁波不会窜入开关稳压电源电路中而干扰和影响其工作，对高频分量或工频的谐波分量具有急剧阻止通过功能，而对于几百赫兹以下的低频分量近似一条短路线。

图1 开关电源的工作原理图2. 整流滤波电路在电路中D1、D2、D3、D4组成全桥整流电路，把输入的交流电压进行全波整流，然后用C1进行滤波，最后变成直流输出供电电压，为后级的功率变换器供电，整流滤波后的电压约为300V。

3. UC3842供电与振荡300V的脉动直流电压，此电压经R12降压后给C4充电，供电UC3842的7脚，当C4的电压达到UC3842的启动电压门槛值时，UC3842开始工作并提供驱动脉冲，由6脚输出推动开关管工作。

一旦开关管工作，反馈绕组的能量经过D6整流，C4滤波，又供电到UC3842的7脚，这时可以不需要R12的启动了。

C9、R11接UC3842的定时端，和内部电路构成振荡电路，振荡的工作频率计算为：f=1.8/（Rt*Ct）代入数据可计算工作频率：f=68.18K4. 稳压电路该电路主要由精密稳压源T L 4 3 1 和线性光耦P C 8 1 7 组成，假设输出电压↑→经过R 1 6 、R 1 9 、R20、RES3的取样电压↑→TL431的1脚电压↑，当该脚电压大于TL431的基准电压2.5V时，TL431的2、3脚导通，→通过光电耦合到UC3842的2脚，于是UC3842的6脚驱动脉冲的占空比↓→开关变压器T1绕组上的能量↓→输出电压↓，达到稳压作用；反之，假设输出电压下降，则稳压过程与上相反。

低压大电流开关电源的研制发布时间：2021-05-28T12:08:03.923Z 来源：《科学与技术》2021年第5期作者：邢变丽[导读] 文中针对一种微电路模块宽电压输入、低压大电流输出开关电源电路进行了理论分析邢变丽陕西华经微电子股份有限公司，陕西省西安市 710065摘要：文中针对一种微电路模块宽电压输入、低压大电流输出开关电源电路进行了理论分析，并对调试过程中出现的技术问题进行总结。

介绍了该产品的电路原理以及产品特点，并进一步论证低压大电流开关电源在调试过程中出现的问题和解决方案。

关键词：宽输入电压；低压大电流开关电源；同步整流电路；1 概述近年来，随着开关电源技术的不断发展，模块电源功率越做越大、效率越来越高、体积越来越小，对我们研发提出了更高的要求。

该模块电源是将9V～36V的输入电压隔离转换为+5V/30A的电源模块，同时具有欠压、过压、过流、短路等功能，满足市场需求。

2 设计原理该产品采用有源钳位同步整流正激式DC/DC的拓扑结构，由输入滤波电路、倍压整流电路、功率变换电路、同步整流滤波电路、PWM 控制电路、取样和反馈稳压电路、辅助电源供电电路和保护电路。

电路原理图如图1所示。

结合本次设计低压输入时，输入电流大以及输出电流大的特点，产品采用有源钳位控制芯片U1(LM5025A)产生PWM脉冲波形，为了保证MOS有足够的驱动能力，输出A采用功率MOSFET 驱动器提高输出能力，保证有足够的驱动能力，使MOS管及时导通；输出端采用同步整流输出方式的结构形式，来降低损耗；辅助电路采用在输出电感上反馈供电来关断U1内部7.6V，减少芯片功耗，根据MOS管的最佳栅源工作电压和实际调试结果，该辅助供电电压一般设定在11V左右。

由于该电路的输入电压范围宽，要使产品在三温情况下，整个输入电压范围内可靠稳定性工作，同步整流采用外加控制驱动电路，提供高质量的驱动波形，减少驱动损耗。

该产品用LM5025A作为控制IC，LM5025的最低工作电压为13V，而产品的最低工作电压为9V，为了保证在9V控制IC能正常工作，我们专门增加了倍压电路如图1 所示；经过调整倍压电路参数，输入电压8V时，供给U1的电压为13.5V，确保IC能正常工作。

ZVS移相全桥低压大电流开关电源的设计∗徐平凡;肖文勋;刘承香【摘要】设计制作了一款ZVS移相全桥变换器的低压大电流开关电源，详细阐述了部分电路的设计过程和参数计算，并通过抑制桥式变换器中超前/滞后桥臂功率管的高频谐振，降低主电路中上下桥臂的直通风险。

最后设计制作的3 kW(15V/200 A)低压大电流电源验证了设计的可行性，给出了详细的实验结果，整机效率达90%以上，对电源开发者有一定的借鉴作用。

%A low voltage and high current switching power supply based on ZVS Phase-shifted Full-bridge converter is proposed. And the design process and parameters of power supply are introduced. In order to solve the short cir-cuit problem of bridge arms generated by the oscillation of the MOSFET gate,an improved design of driving circuit is proposed,which can eliminate the parasitic oscillation and voltage spikes effectively. Finally,a 3 kW( 15 V/200 A) prototype converter is built and the experimental results verify the effectiveness of design.【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】4页(P790-793)【关键词】ZVS移相全桥;高频谐振;桥臂直通问题;低压大电流【作者】徐平凡;肖文勋;刘承香【作者单位】中山职业技术学院，电子信息工程学院，广东中山528404;华南理工大学，电力学院，广州510640;深圳艾默生网络能源有限公司，广东深圳518000【正文语种】中文【中图分类】TM46零电压开关移相全桥(FB-ZVSPWM)变换器利用变压器的漏感和功率管的寄生电容来实现零电压开关，大大降低了电源的开关损耗，在大功率DC/DC变换电路中得到了广泛的应用［1－3］。

大电流低电压开关电源拓扑结构和总体设计-设计应用1、电源总体设计电源为恒流源工作方式，其输出电流可在45~90A连续可调，并稳定工作，输出功率1.35kW，采用PWM控制，开关频率30kHz。

图1是电源框架图，图中未画出保护电路框图。

单相220V交流输入经工频整流、滤波后向DC/DC全桥变换器供电。

在电源合闸接入电源电压瞬间，由于电容器上的初始电压为零，电容器初始充电会形成很大的瞬间冲击电流，软启动电路用于防止该瞬间冲击电流，改善电源启动性能，保护EMI滤波器、工频整流器件及电容器等，以保证开关电源正常而可靠运行。

DC/DC全桥变换器主要由四个开关管组成的桥式逆变电路、高频变压器、输出高频整流及滤波电路组成，桥式逆变电路在控制及驱动电路作用下，将直流转换成高频方波交流，再经高频变压器降压以及副边高频整流、滤波后输出直流。

电源控制电路由专用集成芯片SG3525及其外围电路构成PWM调制，经光电隔离、功率放大后直接驱动全桥变换器开关管，由于电源工作在恒流方式，且电流较大，所以应用电流传感器采样输出直流电流作为控制信号，反馈到控制电路，以实现PWM调制，达到稳定输出电流的目的。

2、主电路设计本电源主电路拓扑结构如图2所示，由于该电源具有大电流低电压的特点，对高频干扰信号以及合闸瞬间的浪涌电流非常敏感，因此220VAC/50Hz交流电整流前先经EMI滤波器滤波，大大减小了交流电源输入的电磁干扰，同时防止开关电源产生的谐波串扰到输入电源端。

高频变压器是DC/DC全桥变换器的磁性元件，许多其它主电路元器件的参数设计都依赖于变压器的参数，对其进行合理优化设计非常重要。

本电源的高频变压器设计采用AP法，AP就是指磁芯有效截面积和线圈有效窗口面积的乘积。

磁芯选用一对E型软磁铁氧体，考虑到变换器工作频率，磁芯工作磁感应强度BW设计为0.16T，根据电源主电路拓扑结构，高频变压器的计算功率为：式中AW为磁芯窗口面积；Ae为磁芯有效截面积；K0为窗口使用系数，一般典型值取0.4；Kf为波形系数，本变压器原副边绕组波形为方波，取Kf=4；fs为变压器工作频率（Hz）；J为绕组导线电流密度，设计为400A/cm2。

０引言开关电源是利用现代电力电子技术，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，一般由脉冲宽度调制（ＰＷＭ）控制ＩＣ和ＭＯＳＦＥＴ构成［１］。

针对目前矿灯充电架电源等存在的一些缺点和不足，文中研制了一种可用于矿灯充电架的低电压大电流开关电源，对节能降耗、提高充电效率有着重要的意义。

同时可满足工业及其它领域多种设备的充电要求。

制作时采用ＭＯＳＦＥＴ作为功率开关器件，构成半桥式开关变换器，利用脉宽调制技术。

ＰＷＭ控制信号由集成控制器ＳＧ３５２５产生，反馈信号取自对输出的实时采样电压，从而控制输出电压的变化，达到稳定输出电压的目的。

控制电路与主电路之间通过变压器进行隔离，并设计了软启动和过流保护电路。

１开关电源的设计［２，３］１．１开关电源结构框图开关电源的结构框图如图１所示。

主要由七部分组成：ＥＭＩ滤波器、输入整流滤波电路、高频开关变换器、高频整流滤波输出电路、控制电路和保护电路、辅助电源以及显示电路。

１．２主电路的实现文中介绍的开关电源电路，其主电路采用ＡＣ－ＤＣ的变换方式，由输入整流滤波电路、全桥逆变电路、高频脉冲变压器以及输出整流滤波电路组成。

该大功率开关电源具有低电压大电流的特点，对高频干扰信号以及合闸瞬间的浪涌电流非常敏感，为大电流低电压开关电源的设计＊周德泰１，２，杨志民１，郭海涛１，２，马胜前１（１．西北师范大学，兰州７３００７０；２．大连测控技术研究所，辽宁大连１１６０１３）摘要：提出了大电流低电压的大功率开关电源的设计方案，研制了整流滤波电路，分析确定了ＤＣ／ＤＣ变换模块作为主电路功率元件，并设计了ＰＷＭ控制电路、软启动及过压过流保护电路。

实验测试证明输出稳定，可对矿灯充电架等多种设备进行充电，有着广泛的应用前景。

关键词：开关电源；大功率；脉宽调制；变换器；功率管中图分类号：ＴＭ９３０文献标识码：Ｂ文章编号：１００１－１３９０（２００８）０６－００４３－０３ＺＨＯＵＤｅ－ｔａｉ１，２，ＹＡＮＧＺｈｉ－ｍｉｎ１，ＧＵＯＨａｉ－ｔａｏ１，２，ＭＡＳｈｅｎｇ－ｑｉａｎ１（１．ＮｏｒｔｈＷｅｓｔＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００７０，Ｃｈｉｎａ．２．ＤａＬｉａｎＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＴｅｓｔａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｄａｌｉａｎ１１６０１３，Ｌｉａｏｎｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｓｃｈｅｍｅｆｏｒｔｈｅｃｈａｒｇｉｎｇｓｗｉｔｃｈｐｏｗｅｒｗｈｉｃｈｈａｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｌｏｗｖｏｌｔａｇｅ，ｂｉｇｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｌａｒｇｅｐｏｗｅｒ，ａｎｄｔｈｅｒｅｃｔｉｆｉｅｒｃｉｒｃｕｉｔｉｓｄｅｖｅｌ－ｏｐｅｄ．Ｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｓｗｉｔｃｈｐｏｗｅｒｆｅａｔｕｒｅｓ，ｔｈｅｂｉｇｐｏｗｅｒＤＣ／ＤＣｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｓｃｈｏ－ｓｅｎａｓｐｏｗｅｒｃｅｌｌｏｆｍａｉｎｅｌｅｃｔｒｉｃｃｉｒｃｕｉｔ．ＴｈｅＰＷＭｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔ，ｓｏｆｔ－ｓｔａｒｔｕｐｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｆｏｒｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｏｕｔ－ｐｕｔｏｆｔｈｅｓｗｉｔｃｈｐｏｗｅｒｉｓｓｔａｂｌｅ．Ｔｈｅｓｗｉｔｃｈｐｏｗｅｒｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｃｈａｒｇｅｆｏｒｍａｎｙｅｑｕｉｐ－ｍｅｎｔｓｉｎａｇｏｏｄｍａｎｙｆｉｅｌｄｓ，ｓｕｃｈａｓｔｈｅｃｈａｒｇｅｒｏｆａｍｉｎｅｒ＇ｓｌａｍｐ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｗｉｔｃｈｐｏｗｅｒ，ｂｉｇｐｏｗｅｒ，ＰＷＭ，ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ＩＢＧＴＤｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｓｗｉｔｃｈｐｏｗｅｒｗｉｔｈｂｉｇｅｌｅｃｔｒｉｃｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｌｏｗｅｌｅｃｔｒｉｃｖｏｌｔａｇｅ＊甘肃省科技攻关资助项目（２ＧＳ０４７－Ａ５２－００２－０７）４３－－了保证电路稳定工作，输入２２０Ｖ、５０Ｈｚ的市电首先经Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｌ１组成的高频滤波电路，如图２所示，滤除高频干扰信号并对合闸瞬间的浪涌电流进行抑制［４］。