开关电源设计技术

利用PS223设计的ATX开关电源技术开关电源以安全、可靠为第一原则，高性能大功率ATX电源设计中应用电源管理监控芯片实现防浪涌软启动以及防过压、欠压、过热、过流、短路、过温等保护功能。

开关电源SPS(Switching Power Supply)利用现代电力电子技术，以小型、节能、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备。

1 ATX电源概述与电源管理监控保护功能Intel制定的大功率(350～900 W)ATX电源规范版本是ATXl2V 2．2，+12 V采用双路输出，其中一路+12 V(A)专为CPU供电，而另一路+12 V(B)则为其他设备供电，输出到主板的接头为24针脚，以输出两组+12 V。

高性能开关电源设计为主动式功率因素校正PFC(Power Factor Correction)，采用诸如Champion公司出品的CM6800G整合型PFC／PWM控制器，为电源提供PFC及PWM功率级电路整合控制，使用诸如PS223等电源管理监控芯片提供过压、过流、过功率、低电压和短路等多重保护。

温度是影响电源设备可靠性的最重要因素，根据有关资料分析表明，过热会导致功率器件造成损坏，需要设置过热保护电路。

保护设计中的短路保护(SCP)、过载保护(OPP)是ATXl2V强制标准，在短路和各路总负载过载时触发以保护电源；过电流保护(OCP)防止电源某路输出过载；过温保护(OTP)防止电源内部过热；过压／欠压保护(OVP／UVP)用于当输出电压超过／低于标准值20～25％时触发，电源若有异常便会立刻切断输出，各路电压全部没有输出。

在接通电源的瞬间，风扇动一下就停，电源即处于保护状态。

图l为开关电源转换流程方框图，开关电源转换流程为交流输入→EMI滤波电路→整流电路→功率因子修正电路→功率级一次侧(高压侧)开关电路转换成脉流→主要变压器→功率级二次侧(低压侧)整流电路→电压调整电路(DC-DC转换电路)→滤波电路→电源管理监控→输出。

课程设计任务书题目: 开关电源设计初始条件:输入交流电源: 单相220V, 频率50Hz。

要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求, 以及说明书撰写等具体要求）1、输出两路直流电压：12V, 5V。

2.直流最大输出电流1A。

3.完成总电路设计和参数设计。

时间安排:课程设计时间为两周, 将其分为三个阶段。

第一阶段: 复习有关知识, 阅读课程设计指导书, 搞懂原理, 并准备收集设计资料, 此阶段约占总时间的20%。

第二阶段：根据设计的技术指标要求选择方案, 设计计算。

第三阶段：完成设计和文档整理, 约占总时间的40%。

指导教师签名: 年月日系主任（或责任教师）签名: 年月日目录引言 (3)1设计意义及要求 (4)1.1设计意义 (4)1.2开关电源的组成部分 (4)1.3开关电源的工作过程 (5)1.4开关电源的工作方式 (5)1.5脉宽调制器的基本原理 (6)2方案设计 (7)2.1设计要求 (7)2.2方案选择 (7)2.3整流滤波部分 (9)2.4降压斩波电路 (10)2.5脉宽调制电路 (11)2.6MOSFET管的驱动电路 (12)2.7总电路图 (13)3主电路参数设定 (14)3.1变压器、二极管、MOSFET管选择 (14)3.2反馈回路的设计 (15)3.3MOSFET的驱动设计 (16)结束语 (17)参考文献 (18)附录一 (20)引言随着电力电子技术的高速发展, 电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切, 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, 远程控制交换机、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, 更促进了开关电源技术的迅速发展。

开关电源高频化是其发展的方向, 高频化使开关电源小型化, 并使开关电源进入更广泛的应用领域, 特别是在高新技术领域的应用, 推动了高新技术产品的小型化、轻便化。

精通开关电源设计的重要指南与技术原理开关电源是一种常见的电源设计方案，它能够将交流电转换为稳定的直流电，并广泛应用于各种电子设备中。

精通开关电源设计对于电子工程师来说非常重要，能够确保电源稳定性、效率和可靠性。

本文将为您介绍开关电源设计的重要指南和技术原理。

首先，了解开关电源的基本原理是掌握开关电源设计的关键。

开关电源主要由四个基本组成部分组成：输入滤波电路、整流电路、开关转换电路和输出滤波电路。

输入滤波电路用于去除输入交流电的噪声和干扰；整流电路将交流电转换为直流电；开关转换电路通过开关器件的开关动作实现电流的调整和电压的稳定；输出滤波电路用于去除输出直流电的纹波和噪声。

其次，了解开关电源设计中的关键参数和性能指标也是非常重要的。

其中，输出电压稳定性、负载调整率、效率、纹波和噪声等是评估开关电源质量的重要指标。

良好的输出电压稳定性可以确保电子设备正常工作；负载调整率描述了开关电源在负载变化时的稳定性；效率是指开关电源转换输入电能为输出电能的能力，高效率可以减少能量损耗；纹波和噪声是开关电源输出直流电中的波动和干扰，应尽量减小。

在开关电源设计中，选择合适的开关器件和控制策略也是至关重要的。

开关管、整流二极管等器件的选择需要考虑其耐压、导通压降和开通速度等因素。

对于控制策略，常见的有连续导通模式和间断导通模式，选择合适的模式可以在保证稳定性的前提下提高效率。

此外，良好的散热设计也是开关电源设计中的重要环节。

高功率的开关电源在工作过程中会产生大量的热量，正确的散热设计可以确保温度不过高，延长器件的使用寿命。

另外，开关电源设计过程中应注重EMC(电磁兼容性)的考虑。

开关电源会在工作过程中产生较大的电磁干扰，因此需要采取合适的措施来减小干扰，例如采用合适的滤波电路、屏蔽罩等。

最后，不断学习和积累实践经验也是精通开关电源设计的关键。

学习相关的理论知识和实践经验，参与实际项目的设计和调试都可以提高开关电源设计的能力。

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5、了解电源各项指标的意义并掌握如何测试的方法6、会使用仪器对装配后的电源进行正确的调试，优化和折中7、会对获得的实验结果进行分析，并进行总结8、会从不同渠道不断地学习电源知识并能够和别人交流开发一个开关电源产品所需要的专业理论知识：1、有源PFC的拓扑分析，控制与设计2、DC/DC功率变换器的拓扑与稳态分析3、开关电源的功率级参数设计4、开关电源的控制与动态分析5、开关电源的小信号分析与设计6、开关电源的大信号分析与设计7、开关电源的EMI分析与设计8、开关电源的热分析与设计9、开关电源的容差分析与设计10、开关电源的各种保护技术11、开关电源的同步整流技术12、开关电源的模块均流控制技术有些技术很成熟了，只要查表或者使用现成电路或专用芯片就可以做好。

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 -第1章绪论1.1课题背景随着大规模和超大规模集成电路的快速发展，特别是微处理器和半导体存储器的开发利用，孕育了电子系统的新一代产品。

开关电源工作原理与设计1. 概述开关电源是一种将电能从一种形式转换成另一种形式的电源装置。

它通过开关器件（如晶体管、MOSFET等）来精确控制电路的通断，从而实现对电能的高效调节和转换。

本文将详细介绍开关电源的工作原理和设计。

2. 开关电源工作原理2.1 输入电路开关电源的输入电路通常包括输入滤波电路、整流电路和功率因数校正电路。

-输入滤波电路用于去除输入电源中的高频噪声和杂散信号。

- 整流电路将交流输入转换为直流信号，常见的整流方式有单相整流桥和三相整流桥。

- 功率因数校正电路主要用于改善电源对电网的功率因数，提高电能的利用率。

2.2 PFC控制电路功率因数校正（PFC）是开关电源中的一个重要环节，通过控制输入电流和输入电压之间的相位关系，提高整体效率和功率因数。

常见的PFC控制技术有边界模式控制和谐振模式控制。

2.3 DC-DC变换器DC-DC变换器是开关电源的核心部分，它将输入的直流电压转换为需要的输出电压。

常见的DC-DC变换器包括降压、升压、降压升压和反激式变换器。

2.4 控制电路开关电源中的控制电路主要负责检测输出电压和输出电流，并通过反馈回路对开关器件的导通和断开进行精确控制。

常见的控制技术有电压模式控制和电流模式控制。

3. 开关电源的设计要点3.1 选型与设计在开关电源的设计过程中，需要根据实际需求选择合适的开关器件、电容和电感等元件，并进行适当的参数计算和仿真分析，以保证整体性能和稳定性。

3.2 效率和功率因数开关电源的效率和功率因数是评估其性能的重要指标。

通过合理的拓扑结构设计、优化控制算法和合适的滤波电路，可以提高开关电源的效率和功率因数。

3.3 温度管理由于开关电源中包含许多功率器件，温度管理是开关电源设计中需要重点考虑的问题。

合理的散热设计和温度保护措施可以提高开关电源的可靠性和寿命。

3.4 EMI/EMC设计开关电源可能会产生电磁干扰和接收外部干扰，因此应进行合适的EMI/EMC设计，包括滤波、屏蔽和接地等，以满足相关标准和要求。

开关电源设计方案开关电源的特征就是产生强电磁噪声，若不加严格控制，将产生极大的干扰。

下面介绍的技术有助于降低开关电源噪声，能用于高灵敏度的模拟电路。

1电路和器件的选择一个关键点是保持dv/dt和di/dt在较低水平，有许多电路通过减小dv/dt和/或di/dt来减小辐射，这也减轻了对开关管的压力，这些电路包括ZVS(零电压开关).ZCS(零电流开关).共振模式。

(ZCS的一种).SEPIC(单端初级电感转换器).CK(一套磁结构，以其发明者命名)等。

减小开关时间并非一定就能引起效率的提高，因为磁性元件的RF振荡需要强损耗的缓冲，最终可以观察到不断减弱的回程。

使用软开关技术，虽然会稍微降低效率，但在节省成本和滤波/屏蔽所占用空间方面有更大的好处。

2阻尼为了保护开关管免受由于寄生参数等因素引起的振荡尖峰电压的冲击常需要阻尼，阻尼器连到有问题的线圈上，这也可以减小发射。

阻尼器有多种类型：从EMC角度看，RC阻尼器通常在EMC上是最好的，但比其他的发热多一些。

权衡各方面的利弊，在缓冲器中应谨慎使用感性电阻。

3散热器散热器与集电极或TO247功率器件的漏极之间有50pF的电容，因此可以产生很强的发射。

仅仅直接地把散热片连到机壳，这只是把噪声引向大地，很可能不能减小总体发射水平。

较好的做法是：把它们连到一恰当的电路结点——一次整流输出端，但要注意安全要求。

具有屏蔽作用的绝缘隔离片可以连接到开关管上，把它们屏蔽内层接至一次整流端，散热片要么悬浮要么连到机壳。

散热片也可以通过电容连到有危险电压的线上，电容的引线和PCB轨线构成的电感可能会与电容“谐振”，这可对解决某些特殊频率上的问题特别有效。

应该在样机上多次试验，最终找到散热片的最佳安装方法。

4整流器件用于一次电源上的整流器和二次整流器，因为其反向电流，可以引起大量的噪声，最好使用快速软开关型号的器件。

5磁性元件有关问题及解决方案特别需注意的是电感和变压器的磁路要闭合。