開關電源原理設計

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開關電源原理設計范文第1篇

關鍵詞：開關電源；TOP249Y；脈寬調制；TOPSwitch

1引言

隨著PWM技術的不斷發展和完善，開關電源得到了廣泛的應用，以往開關電源的設計通常采用控制電路與功率管相分離的拓撲結構，但這種方案存在成本高、系統可靠性低等問題。美國功率集成公司POWERIntegrationInc開發的TOPSwitch系列新型智能高頻開關電源集成芯片解決了這些問題，該系列芯片將自啟動電路、功率開關管、PWM控制電路及保護電路等集成在一起，從而提高了電源的效率，簡化了開關電源的設計和新產品的開發，使開關電源發展到一個新的時代。文中介紹了一種用TOPSwitch的第三代產品TOP249Y開發變頻器用多路輸出開關電源的設計方法。

2TOP249Y引腳功能和內部結構

2．1TOP249Y的管腳功能

TOP249Y采用TO－220－7C封裝形式，其外形如圖1所示。它有六個管腳，依次為控制端C、線路檢測端L、極限電源設定端X、源極S、開關頻率選擇端F和漏極D。各管腳的具體功能如下：

控制端C：誤差放大電路和反饋電流的輸入端。在正常工作時，利用控制電流IC的大小可調節占空比，并可由內部并聯調整器提供內部偏流。系統關閉時，利用該端可激發輸入電流，同時該端也是旁路、自動重啟和補償電容的連接點。

線路檢測端L：輸入電壓的欠壓與過壓檢測端，同時具有遠程遙控功能。TOP249Y的欠壓電流IUV為50μA，過壓電流Iav為225μA。若L端與輸入端接入的電阻R1為1MΩ，則欠壓保護值為50VDC，過壓保護值為225VDC。

極限電流設定端X：外部電流設定調整端。若在X端與源極之間接入不同的電阻，則開關電流可限定在不同的數值，隨著接入電阻阻值的增大，開關允許流過的電流將變小。

源極S：連接內部MOSFET的源極，是初級電路的公共點和電源回流基準點。

開關頻率選擇端F：當F端接到源極時，其開關頻率為132kHz，而當F端接到控制端時，其開關頻率變為原頻率的一半，即66kHz。

漏極D：連接內部MOSFET的漏極，在啟動時可通過內部高壓開關電流提供內部偏置電流。

2．2TOP249Y的內部結構

TOP249Y的內部工作原理框圖如圖2所示，該電路主要由控制電壓源、帶隙基準電壓源、振蕩器、并聯調整器／誤差放大器、脈寬調制器（PWM）、門驅動級和輸出級、過流保護電路、過熱保護電路、關斷／自動重起動電路及高壓電流源等部分組成。

3基于TOP249Y的開關電源設計

筆者利用TOP249Y設計了一種新型多路輸出開關電源，其三路輸出分別為5V／10A、12．5V／4A、7V／10A，電路原理如圖3所示。該電源設計的要求為：輸入電壓范圍為交流110V～240V，輸出總功率為180W。由此可見，選擇TOP249Y能夠滿足要求。

3．1控制電路設計

該電路將X與S端短接可將TOP249Y的極限電流設置為內部最大值；而將F端與S端短接可將TOP249Y設為全頻工作方式，開關頻率為132kHz。

圖2

在線路檢測端L與直流輸入Ui端連接一2MΩ的電阻R1可進行線路檢測，由于TOP249Y的欠壓電流IUV為50μA，過壓電流Iav為225μA，因此其欠壓保護工作電壓為100V，過壓保護工作電壓為450V，即TOP249Y在本電路中的直流電壓范圍為100～450V，一旦超出了該電壓范圍，TOP249Y將自動關閉。

3．2穩壓反饋電路設計

反饋回路的形式由輸出電壓的精度決定，本電源采用“光耦＋TL431”，它可以將輸出電壓變化控制在±1％以內，反饋電壓由5V／12A輸出端取樣。電壓反饋信號U0通過電阻分壓器R9、R11獲得取樣電壓后，將與TL431中的2．5V基準電壓進行比較并輸出誤差電壓，然后通過光耦改變TOP249Y的控制端電流IC，再通過改變占空比來調節輸出電壓U0使其保持不變。光耦的另一作用是對冷地和熱地進行隔離。反饋繞組的輸出電壓經D2、C2整流濾波后，可給光耦中的接收管提供電壓。R4、C4構成的尖峰電壓經濾波后可使偏置電壓即使在負載較重時，也能保持穩定，調節電阻R6可改變輸出電壓的大小。

3．3高頻變壓器設計

由于該電源的輸出功率較大，因此高頻變壓器的漏感應盡量小，一般應選用能夠滿足132kHz開關頻率的錳鋅鐵氧體，為便于繞制，磁芯形狀可選用EI或EE型，變壓器的初、次級繞組應相間繞制。

高頻變壓器的設計由于要考慮大量的相互關聯變量，因此計算較為復雜，為減輕設計者的工作量，美國功率公司為TOPSwitch開關電源的高頻變壓器設計制作了一套EXCEL電子表格，設計者可以方便地應用電子表格設計高頻變壓器。

3．4次級輸出電路設計

輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構成。整流二極管選用肖特基二極管可降低損耗并消除輸出電壓的紋波，但肖特基二極管應加上功率較大的散熱器；電容器一般應選擇低ESR等效串聯阻抗的電容。為提高輸出電壓的濾波效果，濾除開關所產生的噪聲，在整流濾波環節的后面通常應再加一級LCC濾波環節。

3．5保護電路設計

本電源除了電源控制電路TOP249Y本身所具備的欠壓、過壓、過熱、過流等保護措施外，其控制電路也應有一定的保護措施。用D3、R12、Q1可構成一個5．5V的過壓檢測保護電路。這樣，當5V輸出電壓超過5．5V時，D3擊穿使Q1導通，從而使光耦電流增大，進而增大了控制電路TOP249Y的控制端電流IC，最后通過內部調節即可使輸出電壓下降到安全值。

圖3

為防止在開關周期內，TOP249Y關斷時漏感產生的尖峰電壓使TOP249Y損壞，電路中設計了由箝壓齊納管VR1、阻斷二極管D1、電容C5、電阻R2、R3組成的緩沖保護網絡。該網絡在正常工作時，VR1上的損耗很小，漏磁能量主要由R2和R3承擔；而在啟動或過載時，VR1即會限制內部MOSFET的漏極電壓，以使其總是處于700V以下。

4電源性能測試及結果分析

根據以上設計方法，筆者對采用TOP249Y設計的多路輸出開關電源的性能進行了測試。實測結果表明，該電源工作在滿載狀態時，電源工作的最大占空比約為0．4，電源的效率約為90％，紋波電壓控制、電壓調節精度及電源工作效率都超過了以往采用控制電路與功率開關管相分立的拓撲結構形式的開關電源。

開關電源原理設計范文第2篇

關鍵詞 電源管理系統；PMS；安全生產

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）172-0211-03

流花11-1油田位于南中國海珠江口外海海域，距香港東南約220km，水深約310m左右。平臺電站由3臺進口小功率機組和一臺大功率國產機組并網供電，對運維人員來說，保持電站平穩運轉具有很大的挑戰性。

流花11-1FPS電站電源管理系統（PMS）由發電機組PLC控制系統，與VSD PLC系統，鉆機SCR PLC和集成在FPS生產控制系統（FCS）的電源管理PLC組成，實現對平臺現有電源管理功能。

電站電源管理系統（PMS）要切實保障油田電站正常生產和生活用電的需求，所以必須滿足以下條件：

1）確保人身安全和設備安全。

2）確保持續供電和可靠性供電。

3）確保電能質量和減少能源浪費。

4）盡可能做到節能減排，提高能源效率。

油田電站安全可靠運行、提供優質電能和提高電能經濟性，是PMS系統建設和運營的一項最基本任務。

1 設計原則

流花11-1FPS電站PMS系統按照以下原則進行設計：

1）符合國家標準、行業標準和相關規定，嚴格按照國家或者國際及行業最新規范和標準要求

2）性價比高，系統具有較高的性能價格比，使管道以最低的運行成本、最優的工況正常運行。

3）技術先進，功能強大，系統采用羅克韋爾自動化公司軟硬件產品進行開發，其產品在工業應用中已被證明是成熟的產品。系統具有強大的人機對話能力，能滿足各種現場復雜環境下的連續監控的功能。

4）系統安全、穩定、可靠。PMS系統的PLC控制器、控制電源、I/O系統、HMI等都采用冗余的架構，重復利用率可達到99.99%，當某一節點發生故障時，可自動進行切換，電站系統安全、穩定、可靠的運行。

5）可擴展性強，硬件是模塊化的，允許將來在容量和功能上的擴展。

2 硬件架構（圖1）

流花11-1FPS電站PMS系統控制系統硬件采用A-BPLC的ControlLogix系統，ControlLogix系統封裝外形小，不僅可提供離散、驅動、過程和安全控制，還具有可靠的通信功能和最先進的I/O，系統采用模塊化結構，使開發者能高效的進行設計、構建和修改，從而大幅節省培訓和工程設計成本。

2.1 過程信號采集

系統輸入信號：

1）發電機輸出功率。

2）發電機組出線斷路器狀態。

3）4160V A/B段母線頻率。

4）ESP，生產管匯及測試管匯運行優先權數據。

5）鉆/修井工況時，SCR系統斜率控制和相位控制。系統輸出參數：

1）以百分比柱狀圖形顯示的發電機功率。

2）VSD/ESP運行功率。

3）發電機組接入和停機提示信號。

4）系統錯誤，事件及故障報警信號及打印。

5）鉆機SCR系統模擬相控信號。

6）ESP/VSD 速度降低至預設低頻信號。

2.2 軟硬件配置

PMS系統的硬件要求配置如下：

1）ControlLogix系統采用雙環ControlNet網絡。

2）CPU采用冗余配置。

3）各控制子站的交換機網絡采用冗余環網架構。

4）由不間斷電源供電（即UPS），信號電源采用獨立的DV24V電源供電。

5）DO信號輸出的繼電器需確保可靠性。

6）HMI服務器由主服務器和備用服務器構成。

7）PLC程序基于RSLogix5000開發，上位機基于FactoryTalk View Studio開發。

3 系統功能（圖2）

3.1 電源管理及負荷分配

PMS系統與5臺機組通過以太網通訊交換數據，包括有功功率、無功功率、頻率、電壓等。并根據不同的在線發電機配置，PMS系統可與發電機的調速器和AVR協調工作，并實現以下功能。

1）有功功率和無功功率分配控制：在電站中發生負荷波動時，為了防止個別發電機的頻率和電壓可能會接近其PQ圖的邊界，此時PMS系統將分配各發電機組之間的出力，以提高系統在擾動下的穩定性。

2）功率需量和功率因數控制：PMS系統會實時各發電機相對于母線的輸入/輸出功率，并計算功率差額。然后根據功率因數的范圍，在滿足發電機基本出力的前提下，調整AVR控制無功功率輸出，以維持系統的功率因數在合理范圍內。

3）母線頻率和電壓控制：當電站負荷發生變化時，系統調整發電機輸出的有功功率和無功功率，以維系電站的頻率和電壓穩定。

3.2 負荷優先脫扣

PMS系統會實時監測電站電氣設備的狀態，如發電機的出力、負載消耗的功率以及斷路器的狀態。當系統檢測到發電機斷路器跳閘，則會根據預計算的能量平衡結果，如果超過了電站所能承受的最大出力，則切除部分負荷，以確保電站發電機平穩運行。

優先脫扣系統可設置多個優先級，由運行人員預先定義。在系統中針對不同的優先脫扣觸發條件，形成一個優先級別卸載表，當優先脫扣觸發后，將系統計算得到的卸載級別與優先級別表對比后，發出卸載指令，卸載時間在80ms以內。

3.3 重載啟動時負荷的保證及分配

一些重載設備（大負載）都可在HMI上設定額定負載及啟動沖擊系數。系統根據機組剩余功率、要啟動的重載設備額定功率及啟動沖擊系數，實時計算發電機功率余量，以判斷此重載能否啟動。重載啟動后，機組按照前述負荷分配模式自動分配負荷。

3.4 斷路器的控制及自動同步控制

斷路器與控制系統之間通過硬接線，連接斷路器狀態、手車位置、分合閘指令等信號，實現包含基本的狀態監視、控制等功能。當進行發電機并車時，系統會判斷邏輯條件，發出發電機斷路器合閘指令，并最終由同期裝置完成并車。

3.5 備用發電機組自啟動控制

當在線機組發生故障停機，或過載，過流，過壓，低頻等極限情況時，處于備用狀態的機組自動啟動。

3.6 電站監控和報警系統

系統監視整個電站主要電氣設備的狀態和運行參數，當出現報警時，會有多種報警提醒方式，包括蜂鳴器，指示燈，旋轉報警燈，同時HMI上會有詳細的報警信息文字。

4 關鍵技術問題介紹

4.1 發電機轉速控制技術

發電機的調速系統中調頻器的作用在于，當發電機的負荷發生改變時，手動或者自動的操作調頻器，使發電機的靜態特性發生改變。如果負荷變動時，調速系統使原動機的轉速保持不變，則稱之為無差調節（Isoch）；而如果負荷變動時，原動機的轉速隨著負荷增大而降低，則稱之為有差調節（Droop）。多臺發電機并列運行時，為了實現對其調節的有效性及避免系統震蕩，都會采用單機Droop模式運行，調速系統完成部分調速任務，剩下的由機組控制系統來實現轉速無差調整。

4.2 發電機頻率調整策略

區域發電機組頻率調節時，可分為按頻率偏差調整、按交換頻率偏差調整和按頻率和交換功率偏差調整三種。按頻率偏差調整時，只能保證系統頻率不變，不能控制聯絡線上流通的功率；按交換功率偏差調整時，只能保證聯絡線上的交換功率不變，而不能控制系統的頻率。只有按頻率和交換功率偏差調整時，才可以保證區域范圍內功率的就地平衡。在PMS系統，對影響發電機頻率的各個調整因素進行邏輯排序，當發電機的頻率和對電站的有功貢獻發生偏差時，便對其進行相應調整。

5 結論

流花11-1FPS電站PMS系統自投入運行以來，系統運行效果良好，給整個電站提供了完整的安穩策略，極大地減少了故障停產的損失，取得了顯著的經濟效益，為整個油田安全穩定生產提供了可靠的保障。

參考文獻

[1]高健.淺談海上電網優先脫扣系統控制方法[J].通訊世界，2016（1）：174-175.

[2]劉新天.電源管理系統設計及參數估計策略研究[D].合肥：中國科學技術大學，2011.

開關電源原理設計范文第3篇

關鍵詞：繼電保護裝置；工作原理；故障分析；驗證

本文從開關電源的原理入手，以測試的角度，對兩種有故障的電源模塊通過試驗再現其故障現象，并分析了其故障原因，最后對改進后的開關電源進行了對比驗證。

1開關電源工作原理

用半導體功率器件作為開關，將一種電源形態轉變為另一形態，用閉環控制穩定輸出，并有保護環節的模塊，叫做開關電源。

高壓交流電進入電源，首先經濾波器濾波，再經全橋整流電路，將高壓交流電整流為高壓直流電；然后由開關電路將高壓直流電調制為高壓脈動直流；隨后把得到的脈動直流電，送到高頻開關變壓器進行降壓，最后經低壓濾波電路進行整流和濾波就得到了適合裝置使用的低壓直流電。

電源工作原理框圖如圖1所示。

圖1開關電源原理圖

2故障現象分析

由于繼電保護用開關電源功能要求較多，需考慮時序、保護等因素，因此開關電源設計中的故障風險較高。另外供電保護裝置又較民用電器工作條件苛刻，影響繼電保護開關電源的安全運行。本文著重分析了兩種因設計缺陷而造成故障的開關電源。

2.1輸入電源波動，開關電源停止工作

1）故障現象：外部輸入電源瞬時性故障，隨后輸入電壓恢復正常，開關電源停止工作一直無輸出電壓，需手動斷電、上電才能恢復。

2）故障再現：用繼電保護試驗儀，控制輸入電壓中斷時間，通過便攜式波形記錄儀記錄輸入電壓和輸出電壓的變化。控制輸入電壓中斷時間長短，發現輸出存在如下三種情況：

a）輸入電源中斷一段時間（約100～200ms）后恢復，此后輸入電壓恢復正常，開關電源不能恢復工作。（此過程為故障情況），具體時序圖見圖2所示。

圖2輸入電源中斷一段時間后恢復

b）輸入電壓長時中斷（大于250ms）后恢復，+5V、+24V輸出電壓均消失，此過程與開關電源的正常啟動過程相同。具體時序圖見圖3所示。

c）輸入電壓短暫中斷（小于70ms）后恢復，+5V輸出電壓未消失，而+24V輸出電壓也未消失，對開關電源正常工作沒有影響。具體時序圖見圖4所示。輸入電壓消失時間短暫，由于輸出電壓未出現欠壓過程，電源欠壓保護也不會動作。

圖3輸入電源長時中斷后恢復

圖4輸入電源短時中斷后恢復

3）故障分析：要分析此故障，應先了解該開關電源的正常啟動邏輯和輸出電壓保護邏輯。

輸入工作電壓，輸出電壓+5V主回路建立，然后由于輸出電壓時序要求，經延時約50ms，+24V輸出電壓建立。

輸出電壓欠壓保護邏輯為：當輸出電壓任何一路降到20％Un以下時，欠壓保護動作，且不能自恢復。

更改邏輯前，因輸入電壓快速通斷而引起的電源欠壓保護誤動作，其根本原因是延時電路沒有依據輸入電壓的變化及時復位，使得上電時的假欠壓信號得不到屏蔽，從而產生誤動作，如圖2所示。

4)解決措施：采取的措施是在保護環節上增加輸入電壓檢測電路，并在延時電容上并接一個電子開關，只要輸入電壓低于定值（開關電源停止工作前的值），該電子開關便閉合，延時電路復位，若輸入電壓重新上升至該設定值，給保護電路供電的延時電路重新開始延時，電源重啟動時的假欠壓信號被屏蔽，徹底解決了由于輸入電壓快速波動所產生的電源誤保護。從而避免了圖2的情況，直接快速進入重新上電邏輯，此時的輸出電壓建立過程見圖3所示。邏輯回路見圖5所示。

圖5增加放電回路后原理圖

5)試驗驗證：用繼電保護試驗儀狀態序列模擬輸入電源中斷，用便攜式波形記錄儀記錄輸出電壓隨輸入電壓的變化波形。調整輸入電壓中斷時間，發現調整后的電源僅出現b）、c）兩種情況，不再出現a）即故障情況。

2.2啟動電流過大，導致供電電源過載告警

1）故障現象：電源模塊穩態工作電壓為220V，額定功率為20.8W，額定輸出時輸入電流約為130mA。當開關電源輸入電壓緩慢增大時，導致輸入電流激增，引起供電電源過載告警。

2）故障分析：經查發現輸入電壓為60V時，電源啟動，此時啟動瞬態電流約為200mA，穩態電流為600mA，啟動時穩態電流和瞬態電流將為600±200mA，造成輸出電流激增。而由于條件限制，此電源模塊的供電電源輸出僅為500mA，因此造成供電電源過載。

由于開關電源工作需要一定的功率，設計中由于未考慮到電源啟動時，輸出回路的啟動需要一定的功率，而啟動電壓比較低，所以功率的突增，必然帶來開關電源啟動瞬態電流的激增，電流的激增對供電電源有較大的沖擊。

3）解決措施：啟動需要的功率一定，如果要減小啟動電流，可以考慮增加啟動電壓的門檻。將開關電源的啟動電壓提高到130～140V。

4）試驗驗證：調整開關電源的啟動電壓后，通過試驗儀模擬輸入電壓緩慢啟動。當開關電源在滿載情況下，試驗中緩慢上升輸入電壓（上升速率5V/s或10V/s），從0～130V啟動，啟動時穩態電流降低到200～220mA，穩態電流大約為200±100mA，因而啟動時穩態電流和瞬態電流將為400±100mA，啟動電流較改進前減小300mA，不會對供電電源造成太大的沖擊。可有效避免輸入電壓瞬間降低時，給整個供電回路造成較大的電流沖擊。

3結束語

從以上問題分析可知，開關電源設計時，需要關注電能變換的各個環節，開關電源的輸出電壓建立和消失時序和電源的保護功能，是緊密聯系的，當其中的某一環節存在缺陷時，開關電源就不能正常工作。因此在開關電源設計前，應重點進行兩種工作：

1)考慮諸如此類的問題，如啟動功率一定時，啟動電壓門檻過低，會產生輸出電流瞬態突增的現象。

開關電源原理設計范文第4篇

關鍵詞：PWM；OP227Y；開關電源;高頻變壓器

Design of Pulse witch Power upply Based on OP227Y

ZANG Yuanmin,U Wanqiang

(College of Electrical and Information Engineering,Xuchang University,Xuchang,461000,China)[J12/3]

Abstract：A pulse switch power supply based on OP227Y is introduced in the paper,after analsing its working principle,the whole structure of switch power supply is also designed,the main design content consists of the high frequency trans[CD2]former,the main circuit and the control circuit,then the working principle and the main action of each function module of OP227Y are introduced in the paper,finally the whole circuit of system is designed

Keywords：PWM;OP227Y;switch power supply;high frequency transformer[J12/3]

脈沖電源是各種電源設備中比較特殊的一種，它的電壓或電流波形為脈沖狀。其實質上是一種通斷的直流電源，其基本工作原理是首先經過慢儲能，使初級能源具有足夠的能量，然后向中間儲能和脈沖成形系統放電（或流入能量），能量經過儲存、壓縮形成脈沖或轉化等復雜過程之后，形成脈沖電源。

隨著開關電源的發展,電源的小型化、模塊化、智能化越來越受到人們的關注。各種電源控制芯片如雨后春筍紛紛涌現，美國電源集成（PI）公司相繼推出OP系列芯片，這些芯片集脈沖信號控制電路和功率開關器件MOEF于一體，具有高集成度、最簡電路、最佳性能指標等特點，能組成高效率無工頻變壓器的隔離式開關電源。所以，本文設計基于OP227Y芯片控制的開關電源。

1 總體結構

本文設計的脈沖開關電源總體結構如圖1所示。

由圖1可知，輸入220 V交流電流，先由4個二極管的全橋整流，然后通過OP227Y開關和高頻變壓器變壓，再經過二次整流、電容濾波和電感平波，輸出10 W的直流電。高頻變壓器二次側有3個繞組，2路輸出功率，另一路為反饋回路提供電源。反饋回路從輸出端進行電壓取樣，通過光耦來控制脈沖控制開關的通斷，調節輸出功率。

開關電源原理設計范文第5篇

關鍵詞： 直流開關電源；開關電源；設計

1 直流穩壓電源概述

直流穩壓電源在一個典型系統中擔當著非常重要的角色。從某種程度上可以看成是系統的心臟。電源的系統的電路提供持續的、穩定的能源，使系統免受外部的干擾，并防止系統對其自身產生的傷害。如果電源內部發生故障，不應造成系統的故障，而確保系統安全可靠運行。因此，人們非常重視系統直流電源的設計或選用。直流穩壓電源通常分為線性穩壓和開關穩壓兩種類型。

1.1 線性穩亞電源

線性穩壓電源是指起電壓調整功能作用的器件始終工作在線性放大區的直流穩壓電源，期工作原理如圖1。

它由50 工頻變壓器、整流器、濾波器以及串聯調整穩壓器組成。

線性穩壓電源的優點是具有優良的紋波及動態響應特性。但同時存在以下缺點：輸入采用50 工頻變壓器，體積龐大且和很重；電壓調整器件工作在線性放大區內，損耗大，效率低；過載能力差。

線性電源主要應用在對發熱和效率要求不高的場合，或者要求成本及設計周期短的情況。線性電源作為板載電源廣泛應用于分布電源系統中，特別是當配電電壓低于40V時。線性電源的輸出電壓只能低于輸入電壓，并且每個線性電源只能產生一路輸出。線性電源的效率在百分之三十五到百分之五十之間，損耗以熱的形式耗散。

1.2 PWM開關穩壓電源

一般將開關穩壓電源簡稱開關電源，開關電源與線性穩壓電源不同，它是起電壓調整功能作用的器件，始終工作在開關狀態。開關電源主要采用脈寬調制技術。

開關電源的優點；

1）功耗小、效率高。電源中開關器件交替地工作在導通-截止和截止-導通的開關狀態，轉換速度快，這使得開關管的功耗很小，電源的效率可以大幅度提高，可達到百分之九十到百分之九十五。

2）體積小、重量輕。開關電源效率高，損耗小，則可以省去較大體積的散熱器；隔離變壓用高頻變壓器取代工頻變壓器，可大大減小體積，降低重量；因為開關頻率高，輸出濾波電容的容量和體積大為減小。

3）穩壓范圍寬。開關電源的輸出電壓由占空比來調節，輸入電壓的變化可以通過調節占空比的大小來補償，這樣在工頻電網電壓變化較大時，它仍然能保證有較穩定的輸出電壓。

4）電路形式靈活多樣。設計者可以發揮各種類型電路的特長，設計出能滿足不同的應用場合的開關電源。

開關電源的缺點主要是：存在開關噪聲大。在開關電源中，開關器件工作在開關狀態，它產生的交流電壓和電流會通過電路中的其他元器件產生尖峰干擾和諧振干擾，這些干擾如果不采用一定的措施進行抑制、消除和屏蔽，就會嚴重影響整機的正常工作。此外，這些干擾還會串入工頻電網，使附近的其他電子儀器、設備、和家用電器收到干擾。因此設計開關電源時，必須采取合理的措施來抑制其本身產生的干擾。

PWM開關電源在使用時比線性電源具有更高的效率和靈活等特點。因此，在便攜式產品、航空和自動化產品、儀器儀表以及通訊系統等，要求高效率、體積小、重量輕和多組電源電源輸出的場合，得到了廣泛的應用。但是開關電源的成本高，而且需要開發周期較長。

2 開關電源的設計

2.1 開關電源的工作原理

開關電源主要采用直流斬波技術，即降壓變換、升壓變換、變壓器隔離的DC/DC變換電路理論和PWM控制技術來實現的。具有輸入、輸出隔離的PWM開關電源工作原理框圖，如圖2所示。

50Hz單相交流220V電壓或三相交流220V/380V電壓經EMI防電磁干擾電源濾波器，直接整流濾波；然后再將濾波后的直流電壓經變換電路變換為數十千赫或數百千赫的高頻方波或準方波電壓，通過高頻變壓器隔離并降壓（或升壓）后，再經高頻整流、濾波電路；最后輸出直流電壓。通過取樣、比較、放大及控制、驅動電路，控制變換器中功率開關管的占空比，便能得到穩定的輸出電壓。在直流斬波控制中，有定頻調寬、定寬調頻和調頻調寬3種控制方式。定頻調寬是保持開關頻率（開關周期T）不變，波形如圖3所示。

通過改變導通時間高。而定寬調頻則是保持導通時間T on不變，通過改變開關頻率，來達到改變占空比的一種控制方式。由于調頻控制方式的工作頻率是不固定的，造成濾波器設計困難，因此，目前絕大部分的開關電源均采用PWM控制。

2.2 開關電源的主要性能指標

開關電源的質量好壞主要由其性能指標來體現。因此，對于設計者或使用者來講，都必須對其內容有一個較全面的了解。一般性能指標包括電氣指標、機械特性、適用環境、可靠性、安全性以及生產成本等。這里僅介紹常見的電氣指標。

2.2.1 輸入參數

輸入參數包括輸入電壓、交流或直流、頻率、相數、輸入電流、功率因數以及諧波含量等。

1）輸入電壓：國內應用的民用交流電源電壓三相為380V，單相為220V；國外的電源需要參出口國電壓標準。目前開關電源流行采用國際通用電壓范圍，即單相交流85～265V，這一范圍覆蓋了全球各種民用電源標準所限定的電壓，但對電源的設計提出了較高的要求。輸入電壓范圍的下限影響變壓器設計時電壓比的計算，而上限決定了主電路元器件的電壓等級。輸入電壓變化范圍過寬，使設計中必須留過大裕量而造成浪費，因此變化范圍應在滿足實際要求的前提下盡量小。

2）輸入頻率：我國民用和工業用電的頻率為50Hz，航空、航天及船舶用的電源經常采用交流400Hz輸入，這時的輸入電壓通常為單相或三相115V。

3）輸入相數：三相輸入的情況下，整流后直流電壓約是單相輸入時的1.7倍，當開關電源的功為3～5kW時，可以選單相輸入，以降低主電路器件的電壓等級，從而可以降低成本；當功率大于5kW時，應選三相輸入，以避免引起電網三相間的不平衡，同時也可以減小主電路中的電流，以降低損耗。

4）輸入電流：輸入電流通常包含額定輸入電流和最大電流2項，是輸入開關、接線端子、熔斷器和整流橋等元器件的設計依據。

5）輸入功率因數和諧波：目前，對保護電網環境、降低諧波污染的要求越來越高，許多國家和地區都已出臺相應的標準，對用電裝置的輸入諧波電流和功率因數做出較嚴格的規定，因此開關電源的輸入諧波電流和功率因數成為重要指標，也是設計中的一個重點之一。目前，單相有源功率因數校正（FPC）技術已經基本成熟，附加的成本也較低，可以很容易地使輸入功率因數達到0.99以上，輸入總諧波電流小于5%。

2.2.2 輸出參數

輸出參數包括輸出功率、輸出電壓、輸出電流、紋波、穩壓精度、穩流精度、輸出特性以及效率等。

1）輸出電壓：通常給出額定值和調節范圍2項內容。輸出電壓上限關系到變壓器設計中電壓比的計算，過高的上限要求會導致過大的設計裕量和額定點特性變差，因此在滿足實際要求的前提下，上限應盡量靠近額定點。相比之下，下限的限制較寬松。

2）輸出電流：通常給出額定值和一定條件下的過載倍數，有穩流要求的電源還會指定調節范圍。有的電源不允許空載，此時應指定電流下限。

3）穩壓、穩流精度：通常以正負誤差帶的形式給出。影響電源穩壓、穩流精度的因素很多，主要有輸入電壓變化、輸出負載變化、溫度變化及器件老化等。通常精度可以分成。3項考核：① 輸入電壓調整率；② 負載調整率；③ 時效偏差。同精度密切相關的因素是基準源精度、檢測元件精度、控制電路中運算放大器精度等。④ 電源的輸出特性：與應用領域的工藝要求有關，相互之間的差別很大。設計中必須根據輸出特性的要求，來確定主電路和控制電路的形式。⑤ 紋波：開關電源的輸出電壓紋波成分較為復雜，通常按頻帶可以分為3類： 高頻噪聲，即遠高于開關頻率 的尖刺；開關頻率紋波，指開關頻率 附近的頻率成分； 低頻紋波，頻率低于的 成分，即低頻波動。

對紋波有多種量化方法，常用的有紋波系數、峰峰電壓值、按3種頻率成分分別計量幅值以及衡重法。⑥ 效率：是電源的重要指標，它通常定義為η=Po/Pi×100%。式中，Pi為輸入有功功率；Po為輸出功率。通常給出在額定輸入電壓和額定輸出電壓、額定輸出電流條件下的效率。對于開關電源來說，效率提高就意味著損耗功率的下降，從而降低電源溫升，提高可靠性，節能的效果明顯，所以應盡量提高效率。一般來說，輸出電壓較高的電源的效率比輸出低電壓的電源高。

2.2.3 電磁兼容性能指標

電磁兼容也是近年來備受關注的問題。電子裝置的大量使用，帶來了相互干擾的問題，有時可能導致致命的后果，如在飛行的飛機機艙內使用無線電話或便攜式電腦，就有可能干擾機載電子設備而造成飛機失事。電磁兼容性包含2方面的內容：

電磁敏感性、電磁干擾分別指電子裝置抵抗外來干擾的能力和自身產生的干擾強度。通過制定標準，使每個裝置能夠抵抗干擾的強度遠遠大于各自發出的干擾強度，則這些裝置在一起工作時，相互干擾導致工作不正常的可能性就比較小，從而實現電磁兼容。

因此，標準化對電磁兼容問題來說十分重要。各國有關電磁兼容的標準很多，并且都形成了一定的體系，在開關電源設計時應考慮相關標準。

3 開關電源的設計步驟

開關電源的設計一般采用模塊化的設計思想，其設計步驟是：

1）首先從明確設計性能指標開始，然后根據常規的設計要求選擇一種開關電源的拓撲結構、開關工作頻率確定設計的難點，依據輸出功率的要求選擇半導體器件的型號；

2）變壓器和電感線圈的參數計算，磁性材料設計是一個優質的開關電源設計的關鍵，合理的設計對開關電源的性能指標以及工作可靠性影響極大；

3）設計選擇輸出整流器和濾波電容；

4）選擇功率開關的驅動控制方式，最好選用能實現PWM控制的集成電路芯片，也可利用單片機實現PWM控制；

5）設計反饋調節電路；

6）根據設計要求設計過電壓、過電流和緊急保護電路；

7）根據熱分析設計散熱器；

8）設計實驗電路的PCB板和電源的結構，組裝、調試，測試所有的性能指標；