開關電源的設計原理精選(九篇)

前言：一篇好文章的誕生，需要你不斷地搜集資料、整理思路，本站小編為你收集了豐富的開關電源的設計原理主題范文，僅供參考，歡迎閱讀并收藏。

第1篇：開關電源的設計原理范文

關鍵詞 電源管理系統(tǒng)；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(wěn)運轉具有很大的挑戰(zhàn)性。

流花11-1FPS電站電源管理系統(tǒng)（PMS）由發(fā)電機組PLC控制系統(tǒng)，與VSD PLC系統(tǒng)，鉆機SCR PLC和集成在FPS生產控制系統(tǒng)（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(tǒng)（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(xù)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(jié)能減排，提高能源效率。

油田電站安全可靠運行、提供優(yōu)質電能和提高電能經濟性，是PMS系統(tǒng)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(tǒng)按照以下原則進行設計：

1）符合國家標準、行業(yè)標準和相關規(guī)定，嚴格按照國家或者國際及行業(yè)最新規(guī)范和標準要求

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

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

4）系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠。PMS系統(tǒng)的PLC控制器、控制電源、I/O系統(tǒng)、HMI等都采用冗余的架構，重復利用率可達到99.99%，當某一節(jié)點發(fā)生故障時，可自動進行切換，電站系統(tǒng)安全、穩(wěn)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(tǒng)控制系統(tǒng)硬件采用A-BPLC的ControlLogix系統(tǒng)，ControlLogix系統(tǒng)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(tǒng)采用模塊化結構，使開發(fā)者能高效的進行設計、構建和修改，從而大幅節(jié)省培訓和工程設計成本。

2.1 過程信號采集

系統(tǒng)輸入信號：

1）發(fā)電機輸出功率。

2）發(fā)電機組出線斷路器狀態(tài)。

3）4160V A/B段母線頻率。

4）ESP，生產管匯及測試管匯運行優(yōu)先權數據。

5）鉆/修井工況時，SCR系統(tǒng)斜率控制和相位控制。系統(tǒng)輸出參數：

1）以百分比柱狀圖形顯示的發(fā)電機功率。

2）VSD/ESP運行功率。

3）發(fā)電機組接入和停機提示信號。

4）系統(tǒng)錯誤，事件及故障報警信號及打印。

5）鉆機SCR系統(tǒng)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(tǒng)的硬件要求配置如下：

1）ControlLogix系統(tǒng)采用雙環(huán)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(huán)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?？煽啃浴?/p>

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(fā)，上位機基于FactoryTalk View Studio開發(fā)。

3 系統(tǒng)功能（圖2）

3.1 電源管理及負荷分配

PMS系統(tǒng)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(fā)電機配置，PMS系統(tǒng)可與發(fā)電機的調速器和AVR協(xié)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(fā)生負荷波動時，為了防止個別發(fā)電機的頻率和電壓可能會接近其PQ圖的邊界，此時PMS系統(tǒng)將分配各發(fā)電機組之間的出力，以提高系統(tǒng)在擾動下的穩(wěn)定性。

2）功率需量和功率因數控制：PMS系統(tǒng)會實時各發(fā)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(fā)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(tǒng)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(fā)生變化時，系統(tǒng)調整發(fā)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(wěn)定。

3.2 負荷優(yōu)先脫扣

PMS系統(tǒng)會實時監(jiān)測電站電氣設備的狀態(tài)，如發(fā)電機的出力、負載消耗的功率以及斷路器的狀態(tài)。當系統(tǒng)檢測到發(fā)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(fā)電機平穩(wěn)運行。

優(yōu)先脫扣系統(tǒng)可設置多個優(yōu)先級，由運行人員預先定義。在系統(tǒng)中針對不同的優(yōu)先脫扣觸發(fā)條件，形成一個優(yōu)先級別卸載表，當優(yōu)先脫扣觸發(fā)后，將系統(tǒng)計算得到的卸載級別與優(yōu)先級別表對比后，發(fā)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(tǒng)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(fā)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(tǒng)之間通過硬接線，連接斷路器狀態(tài)、手車位置、分合閘指令等信號，實現包含基本的狀態(tài)監(jiān)視、控制等功能。當進行發(fā)電機并車時，系統(tǒng)會判斷邏輯條件，發(fā)出發(fā)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(fā)電機組自啟動控制

當在線機組發(fā)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(tài)的機組自動啟動。

3.6 電站監(jiān)控和報警系統(tǒng)

系統(tǒng)監(jiān)視整個電站主要電氣設備的狀態(tài)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(fā)電機轉速控制技術

發(fā)電機的調速系統(tǒng)中調頻器的作用在于，當發(fā)電機的負荷發(fā)生改變時，手動或者自動的操作調頻器，使發(fā)電機的靜態(tài)特性發(fā)生改變。如果負荷變動時，調速系統(tǒng)使原動機的轉速保持不變，則稱之為無差調節(jié)（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(jié)（Droop）。多臺發(fā)電機并列運行時，為了實現對其調節(jié)的有效性及避免系統(tǒng)震蕩，都會采用單機Droop模式運行，調速系統(tǒng)完成部分調速任務，剩下的由機組控制系統(tǒng)來實現轉速無差調整。

4.2 發(fā)電機頻率調整策略

區(qū)域發(fā)電機組頻率調節(jié)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(tǒng)頻率不變，不能控制聯(lián)絡線上流通的功率；按交換功率偏差調整時，只能保證聯(lián)絡線上的交換功率不變，而不能控制系統(tǒng)的頻率。只有按頻率和交換功率偏差調整時，才可以保證區(qū)域范圍內功率的就地平衡。在PMS系統(tǒng)，對影響發(fā)電機頻率的各個調整因素進行邏輯排序，當發(fā)電機的頻率和對電站的有功貢獻發(fā)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(tǒng)自投入運行以來，系統(tǒng)運行效果良好，給整個電站提供了完整的安穩(wěn)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(wěn)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(yōu)先脫扣系統(tǒng)控制方法[J].通訊世界，2016（1）：174-175.

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

第2篇：開關電源的設計原理范文

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(tài)轉變?yōu)榱硪恍螒B(tài)，用閉環(huán)控制穩(wěn)定輸出，并有保護環(huán)節(jié)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?？刂戚斎腚妷褐袛鄷r間長短，發(fā)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(huán)節(jié)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(tài)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(fā)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(wěn)態(tài)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(fā)現輸入電壓為60V時，電源啟動，此時啟動瞬態(tài)電流約為200mA，穩(wěn)態(tài)電流為600mA，啟動時穩(wěn)態(tài)電流和瞬態(tài)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(tài)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(wěn)態(tài)電流降低到200～220mA，穩(wěn)態(tài)電流大約為200±100mA，因而啟動時穩(wěn)態(tài)電流和瞬態(tài)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(huán)節(jié)，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(lián)系的，當其中的某一環(huán)節(jié)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(tài)突增的現象。

第3篇：開關電源的設計原理范文

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(tǒng)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(fā)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(jié)輸出功率。

第4篇：開關電源的設計原理范文

關鍵詞： 直流開關電源；開關電源；設計

1 直流穩(wěn)壓電源概述

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

1.1 線性穩(wěn)亞電源

線性穩(wěn)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(qū)的直流穩(wěn)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(lián)調整穩(wěn)壓器組成。

線性穩(wěn)壓電源的優(yōu)點是具有優(yōu)良的紋波及動態(tài)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(qū)內，損耗大，效率低；過載能力差。

線性電源主要應用在對發(fā)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(tǒng)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(wěn)壓電源

一般將開關穩(wěn)壓電源簡稱開關電源，開關電源與線性穩(wěn)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(tài)。開關電源主要采用脈寬調制技術。

開關電源的優(yōu)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(tài)，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(wěn)壓范圍寬。開關電源的輸出電壓由占空比來調節(jié)，輸入電壓的變化可以通過調節(jié)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(wěn)定的輸出電壓。

4）電路形式靈活多樣。設計者可以發(fā)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(tài)，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(tǒng)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(fā)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(wěn)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(huán)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(yè)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(huán)境、降低諧波污染的要求越來越高，許多國家和地區(qū)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(guī)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(wěn)壓精度、穩(wěn)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(jié)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(wěn)流要求的電源還會指定調節(jié)范圍。有的電源不允許空載，此時應指定電流下限。

3）穩(wěn)壓、穩(wěn)流精度：通常以正負誤差帶的形式給出。影響電源穩(wěn)壓、穩(wěn)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(jié)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(fā)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(guī)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(yōu)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(jié)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；

第5篇：開關電源的設計原理范文

【關鍵詞】開關電源節(jié)能 現網節(jié)能改造 通信

一、前言

改革開放以來，我國的經濟成就舉世矚目，但環(huán)境問題也越來越嚴重，引起大家的高度重視 ，2007年世界經濟論壇《全球風險報告》 中指出：21世紀全球面臨的最嚴重挑戰(zhàn)之一就是氣候變化。2014年11月12日中美兩國在京共同《中美氣候變化聯(lián)合聲明》，中國計劃到2030年將非化石能源比重提高到20%左右。十一五 期間，中國政府在節(jié)能減排上要求國內能耗降低20%，主要污染物排放總量減少10%。同樣在嚴峻的節(jié)能減排壓力下，各通信行業(yè)運營商越來越重視設備的節(jié)能，將節(jié)能作為首要的發(fā)展方向。在這個背景下，對開關電源提出了極高的節(jié)能要求，努力開發(fā)節(jié)能的產品和尋找現網設備的節(jié)能改造方法。

二、開關電源節(jié)能原理分析

（一）開關節(jié)能的原理

通信開關電源節(jié)能的關鍵是要提高系統(tǒng)的整體效率。通常開關電源的節(jié)能主要在兩個原理：第一個最直接的節(jié)能原理是提高整流器的效率。通過技術改進提高整流模塊的整體效率特性、降低模塊功耗等措施，從最初至今，整流器的效率已經在原有的基礎之上提高了百分之十，達到96%。隨著技術的進一步成熟和器件成本的下降，相信不久以后，規(guī)模應用將成為現實。開關電源節(jié)能的另一個節(jié)能原理是通過電源模塊的休眠管理，提高運行模塊的負載率可以提升系統(tǒng)實際的工作效率。

（二）開關節(jié)能的具體方法

如今，越來越多的行業(yè)開始廣泛應用開關電源，其具體發(fā)展要求是，輕量化、小型化、高頻化等。但是，隨著開關電源的頻率迅速提高，所產生的損耗也逐漸加大，因此需要考慮相關節(jié)能的方法。首先應該對開關電源的損耗進行系統(tǒng)的分析，要想達到上述發(fā)展要求，需要將開關電源的工作頻率由低頻轉向高頻。例如采用硬開關技術，這種技術損耗量小于線性電源采用串聯(lián)電阻改變電壓的方式，但隨著工作頻率的提高，相應的損耗依然會增加。其次，采用軟開關技術，能有效提高開關電源的頻率，也能降低開關電源的損耗，提高整體效率。軟開關技術是使用電感諧振及電容，將變壓器中的開關器件中電壓按照準正弦規(guī)律進行變換，讓開關管在電流為零的情況下立即關斷，在電壓為零的情況下立即開通的方法。最后，采用零開關技術，其主要在電路中增加電容或電感等相關儲能元件，具體分為零電流、零電壓開關。零電流開關指的是當開關管關斷或開通的時候，讓電流為零。零電壓開關指的是當開關管關斷或開通的時候，讓電壓為零。這樣可以最大程度降低開關損耗，起到節(jié)能的作用。

二、現網設備節(jié)能的必要性

隨著世界經濟特別是發(fā)展中國家經濟的快速發(fā)展，全球能源消耗總量不斷攀升。根據全球能源機構統(tǒng)計，近些年來，全球能耗高達82%，造成二氧化碳排放量高達80%，遠遠超過預想的估計，因此，節(jié)能是現階段的主要任務。如何采取有效的方法使現網設備最大程度的節(jié)能非常必要。能源的消耗一方面導致了溫室效應和一系列的自然災害，另一方面其與制造業(yè)、工業(yè)等成本的價格息息相關。所以，環(huán)境問題及氣候變化問題成了人類面臨的重要的挑戰(zhàn)，全社會也越來越重視節(jié)能。從全球范圍來看，通信行業(yè)與煤炭、有色、鋼鐵等行業(yè)相比，雖然不是能耗、排放問題最突出的行業(yè)。但一些數據顯示，一些通信行業(yè)的能耗也很大，某些運營商在全國企業(yè)能耗排行榜中排名靠前。政府在國際組織上的節(jié)能承諾，社會、公眾的重視形成對運營商的節(jié)能壓力越來越大。由于全球資源價格持續(xù)上漲，新的市場逐漸開闊繼而大大提高了網絡的擴容性。而我國通信企業(yè)整體仍處于發(fā)展階段，在增大網上運行設備容量的時候必然導致能耗需求也擴大，給運營商帶來了長期的財務壓力。為了應對氣候及能耗的挑戰(zhàn)，電信行業(yè)各主流運營商、設備商先后啟動節(jié)能減排計劃。近10年來已經取得了很大的進步，技術的進步與產品的更新?lián)Q代使單位能耗持續(xù)下降，領先的運營商取得了超過50%的節(jié)約。

三、現網設備節(jié)能手段

（一）通信網絡中基站設備節(jié)能

基站設備分基帶、射頻和饋線三部分，其中能源消耗量占首位的是射頻部分，超過能源消耗量的百分之八十。但是，在射頻部分中，功放耗能幾乎占射頻部分的一半，因此，提升基站設備能效的關鍵點就是提高功放效率。而提高功放效率的方式有多種，比如，有智能減壓、智能匹配、新型高效功放等，但多載波技術是提高功放效率的最直接的辦法之一。

（二）通信網絡中站點節(jié)能

一般來說，通信網絡的節(jié)能主要是站點的節(jié)能。站點的節(jié)能可以從兩方面來分析：網絡拓撲和網元。網絡拓撲的節(jié)能就是通過減少站點來提升單位話務量能效。以下為通信領域中減少站點兩個有效的手段：⑴規(guī)劃網絡，降低無效的系統(tǒng)開銷，以最少的站點服務最多的用戶來提高覆蓋效率。⑵使用Transmitting Diversity、High Receive Sensitivity及 PBT等關鍵技術增加設備本身的覆蓋半徑提高，從而提升基站設備本身的覆蓋能力。在現實中，將適宜的網絡規(guī)劃和較強覆蓋能力的設備配合使用通常能大幅度實現廣覆蓋場景下四分之一以上的能源消耗節(jié)約，無疑不是一種進步。

（三）通信網絡中新能源節(jié)能

減少碳排放最直接方法就是開發(fā)新能源。如：太陽能、核能、風能、潮汐能、生物能源等。企業(yè)減少碳排放的最有效途徑就是選擇無排放能源或者低排放能源。通常在一些邊遠地區(qū)，風能、光能資源比較豐富，可以根據當地氣候因素建一些風、光能源的小型站點。這些新能源小型站點也可能在市電不穩(wěn)定的城區(qū)作為補充能源使用。而對于這些偏遠的小型站點來講，通常面臨的問題有以下三個方面：第一是引電困難；第二是電網公司引電價格可能過高；第三是小型站點本身的能耗不高，因此，通信運營商往往使用油機系統(tǒng)來解決能耗問題。

只有重視開關電源節(jié)能及現網設備節(jié)能的改造，才能有效的利用固有的能源材料，開創(chuàng)新的可再生能源。才能與環(huán)境和諧相處，共同促進社會經濟的發(fā)展。繼而帶動了通信網絡的節(jié)能開拓，發(fā)展新用戶、開拓新市場。使用新領域的節(jié)能設計補充帶網絡建設的需求，減少開關電源、現設備帶來的排放壓力。同時設備廠商及運營需要積極的投入到可持續(xù)發(fā)展、高效節(jié)能的研究當中。

參考文獻：

[1]郭忠銀.一種綠色模式開關電源的研究與設計[D].南華大學，2010.

第6篇：開關電源的設計原理范文

開關電源是一種高效節(jié)能的優(yōu)質電源。然而在電子設備工作過程中，開關電源會產生比較嚴重的電磁干擾。本文根據高中物理所學知識，在與老師的溝通和指導下，研究開關電源電磁干擾的產生原因，并從屏蔽、濾波、接地以及電路等方面簡要分析了干擾抑制措施。

【關鍵詞】高中物理 開關電源 電磁干擾 抑制

開關電源的應用十分廣泛，其小型化和高頻化雖然為電子設備的發(fā)展帶來了很多便利，但所產生的電磁干擾也愈發(fā)嚴重，對功能發(fā)揮的影響越來越大。因此，必須采取有效的電磁干擾抑制措施，削弱甚至消除電磁干擾，保證電子設備能夠正常運行。

1 開關電源電磁干擾的產生原因

根據高中物理的知識學習，我們知道在電子設備的工作過程中通電電流的傳導會出現一些無用信號或電磁噪聲等，會對電路器件設備、傳輸通道以及系統(tǒng)的性能造成干擾，這種干擾就是電磁干擾。電磁干擾的出現有很多可能的原因，電磁干擾的的干擾源一般都是電壓電流變化比較大的元器件，包括開關管、二極管及變壓器等。

通過總結經驗，并學習資料，開關電源電磁干擾產生的主要因素包括下面一些內容：

1.1 開關管產生電磁干擾

開關電源中原邊主電路的開關管大多采用MOSFET功率管，這種開關管具有小電荷存儲效應，開關速度快，在開通、斷開時，電磁干擾易于產生。對于這種電磁干擾，通常的做法是通過吸收電路進行削弱，但加裝吸收電路會對電源效率造成一定影響。

1.2 高頻變壓器產生電磁干擾

在開關電源的功率變換電路中，開關管的負載是高頻電壓器的初級線圈，呈感性，在開關管開通的瞬間，初級線圈中會出現很大的電流，相應的線圈會產生很高的電壓；在開關管斷開的瞬間，初級線圈的部分能量停留在初級線圈中，無法導入次級線圈，這部分能量會在原邊電路中的電容和電阻上產生衰減震蕩。如果高頻變壓器兩端的濾波電容容量不夠大，或者高頻特性較差，電容上的高頻阻抗就會導致高頻電流以差模的方式傳導到交流電源中，從而產生傳導干擾。

1.3 整流電路產生電磁干擾

工頻交流電需要通過整流變成單向脈動電流，轉換的結果除了直流分量外，還存在著一些高頻諧波分量，這些高頻諧波分量會導致輸入功率因數變小，同時還會附帶較大的THD，這不僅會對電網產生很嚴重的干擾，還會通過電源線造成射頻干擾。

2 開關電源的電磁干擾抑制措施

2.1 屏蔽技術

屏蔽是我們日常生活中都能接觸到的物理原理，包括中央一套《加油！向未來》的節(jié)目中驗證了特斯拉線圈的實驗。電磁屏蔽的原理是通過加裝屏蔽體來削弱甚至完全阻擋電磁能量。在開關電源的電磁屏蔽中，分為兩個部分：

（1）對產生電磁干擾的元器件進行屏蔽；

（2）對容易受到電磁干擾的元器件進行屏蔽。

開關電源中，產生電磁干擾的元器件一般是變壓器、電感器以及各種功率器件，對于這些元器件的電磁屏蔽，可以使用銅板或者鐵板圍繞起來，從而削弱其產的電磁干擾。對于容易受到電磁干擾的元器件也可以采用相同的辦法進行屏蔽。另外，還可以通過整體屏蔽的方法，使用強導電性的材料把開關電源整體都圍繞起來，從而防止其中產生的電磁干擾向外擴散。在應用整體屏蔽時，需要注意以下兩點問題：

（1）屏蔽材料的接縫、電線以及輸出端子的接口都很容易發(fā)生電磁泄漏，在應用整體屏蔽時需要著重處理；

（2）整體屏蔽需要將開關電源整體圍繞在屏蔽體中，這就會導致散熱出現阻礙，相應的，設備成本也會增加。

2.2 濾波技術

通過《整流和濾波》部分的學習，我們可以知道濾波技術可以應用到開關電源傳導干擾的抑制中。通過學習其他資料了解到開關電源的傳導干擾包括共模干擾和差模干擾兩種，共模干擾出現在相線和地線以及中線和地線之間，共模干擾的電流會在相線和中線內部同時出現，大小和方向都相同。差模干擾出現在相線和中線之間，差模干擾的電流同樣會在相線和中線內容同時出現，大小相同，但是方向相反。濾波技術無論是對差模干擾還是共模干擾都有很好的抑制作用，由于共模干擾和差模干擾一般會同時出現在開關電源傳導干擾中，所以在加裝濾波器時一般會將共模濾波和差模濾波同時考慮在內。實踐發(fā)現，對于內阻較高的干擾源，濾波器輸入阻抗需要設計低值，對于內阻低的干擾源，濾波器輸入阻抗需要設計高值；負載電阻高時，濾波器輸出阻抗需要設計低值，負載電阻低時，濾波器輸出阻抗需要設計高值。

2.3 接地技術

接地技術是廣泛應用的一項物理技術，同時也是漏電保護中很常用且效果很好的一種技術。開關電源中的接地屬于屏蔽接地。在設計屏蔽接地時，需要注意以下幾個方面。

（1）開關電源的接地包括交流接地和直流接地，必須將兩者嚴格分離，一般采用浮地技術將開關電源的直流地和交流地分隔開，從而來屏蔽交流電源地線所產生的干擾。

（2）功率地和弱電地要分開。功率地應用于是負載電路或者功率驅動電路，電流和電壓都很大，因此很容易產生干擾，必須和其他弱電地分隔開。

（3）地線直徑盡量大。直徑小的地線會導致接地電位隨電流變化而變化，從而進而影響抗噪聲性能。

2.4 電路措施

開關電源干擾抑制中的電路措施包括吸收電路、軟開關技術以及器件選擇。

（1）開關電源中電磁干擾的產生主要是憂郁電壓和電流的短時間大幅度變化，因此，在抑制電磁干擾時，可以通過設計吸收電路，分散能量，降低電路中的電壓和電流變化幅度。

（2）在原有的硬開關電路中設置電感和電容，通過其諧振特性，能夠有效減少電壓和電流的重疊，從而降低電磁干擾。

（3）在開關電源設計中，盡量選擇不容易產生、傳導以及輻射電磁干擾的元器件。

開關電源的電磁干擾一直是影響電路性能的一大問題。通過資料的學習和分析，在開關電源的電磁干擾抑制中可以結合實際情況綜合使用多種電磁干擾抑制措施，這樣才能發(fā)揮最大的作用，有效保證電子設備的正常工作。

參考文獻

[1]左琛，胡瑩，常越.開關電源中電磁干擾的產生及其抑制[J].電力電子技術，2015（01）：33-34.

[2]周偉英，丘水生.開關電源電磁干擾抑制技術[J].低壓電器，2015（19）：52-53.

[3]梁安平，王銀樂.開關電源抗電磁干擾的研究與分析[J].電源世界，2014（07）：35.

第7篇：開關電源的設計原理范文

關鍵詞：LM2596 STM32 反饋閉環(huán) 數控開關電源 遠程控制

中圖分類號：Tp302 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2015）04-0080-02

1 數控開關電源的方案設計及電路設計

本設計中的數控開關電源[1，2]主要為了輸出1.2～24V，負載電流不低于3A，并且實現連續(xù)精確可調，調整分辨率不低于0.1V。通常，一個開關電源需要接入220V交流電，并通過變壓器AC/DC整流轉換，以輸出低壓直流電，然后再利用反饋型降壓穩(wěn)壓開關芯片進行控制和電壓調整。由于市場上現有的220V轉24V技術已經非常成熟，比如常見的開關電源和電源適配器，因此本設計中將著重設計后端數控降壓部分，前段整流部分將用常用開關電源替代。為了實現輸出電壓的數字控制，必須使用單片機來控制降壓穩(wěn)壓開關芯片，單片機再通過串口跟PC主機通信。單片機將使用目前較為流行的32位單片機STM32。

1.1 反饋腳的數控設計

由于單片機主要完成的工作是對比功能，即將LM2596的輸出電壓值與所需值對比，然后進行相應的反饋腳控制，因此，可以使用運放來替代這部分工作。可以使用運放減法器電路來實現對比做差。由于一般單片機的DAC輸出不會高過工作電壓，如5V或3.3V，因此在運放減法器前，還必須進行線性放大，也可以使用運放搭建。

1.2 LM2596與運放[4]構成的電路

其中，LM2596引腳1接24V開關電源輸入，右端端子JP2的1，2分別接單片機DAC輸出以及開關OFF控制。

1.3 STM32最小系統(tǒng)

系統(tǒng)中的STM32單片機最小系統(tǒng)包括STM32單片機芯片、復位電路、石英晶振時鐘電路。

除此之外，最小系統(tǒng)中還包含JTAG仿真、下載電路，用于程序測試仿真以及下載；4個LED燈電路，用于顯示STM32運行狀態(tài)，或者其他需要顯示的用途。

2 下位機程序設計

本設計中的下位機STM32所需完成的功能主要為以下幾個：

（1）與PC主機串口通信[3]；

（2）控制LM2596輸出的開和關；

（3）控制LM2596輸出的電壓值；

（4）保存和讀取設定的電壓值，以便下一次啟動后默認輸出電壓為關機前的輸出電壓；

（5）由于電源需要很高的可靠性，而STM32也有可能會死機，因此需要加入看門狗，讓它死機自動重啟[5]。

對于功能1，采用MAX232進行電平轉換，然后用串口轉USB線轉為USB接入PC機。單片機通過該串口即可進行通信。由于串口屬于底層的通信方式，因此單片機軟件中需要做串口數據的校驗、格式對準、自動應答等功能。

對于功能2，采用一個單片機IO管腳和一個開關三極管來控制LM2596的ON/OFF管腳，即可實現輸出控制。

對于功能3，根據前一章電路設計的原理，單片機只要改變相連DAC的電壓輸出，即可直接改變LM2596的輸出電壓。這里需要注意，并不是所有STM32都有DAC輸出，需要選擇具體的型號。本設計中，使用的是STM32F103RC，帶有兩個DAC輸出。

對于功能4，由于沒有外接片外EEPROM芯片，因此只能利用STM32片內的FLASH進行數據掉電保存。同時，FLASH中也會保存有程序本身，因此必須要將兩塊數據區(qū)域隔離開，否則會進行數據覆蓋。通常，程序數據從FLASH的低段開始寫入，因此保存的數據可以寫入在FLASH最高段，這樣就不會互相覆蓋。同時，燒錄程序時，也需注意不要將整個FLASH擦除，否則燒錄前保存的數據也會被擦除。

對于功能5，可以打開STM32的獨立開門狗，并設置喂狗時間，超時后自動重啟。

當DAC的參考電壓為VREF的時候，DAC的輸出電壓是線性的從0～VREF，12位模式下DAC輸出電壓與VREF以及DORx的計算公式如下：

DACx輸出電壓=

3 測試結果與分析

由上述分析可得VOUT與數字量DA中間的關系表達式：

實際輸出電壓如圖4所示，為20.5V，與理論值很接近。

證明該電路設計輸出電壓精度已達到設計要求。

參考文獻

[1]琦瑋，李樹華.開關電源的原理與設計[J].內蒙古大學學報（自然科學版），2003，（04）：15-20.

[2]降靖，魏琳.開關電源基本原理、發(fā)展和趨勢[J].光盤技術，2008，（08）：8-10.

[3]盧超.單片機同PC機通信的一種新方法田.礦山機械[J]，2007.04.

第8篇：開關電源的設計原理范文

關 鍵 詞 開關電源；有源功率因數校正；單周期控制

中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A 文章編號：1671—7597（2013）022-040-1

開關電源廣泛的應用于工業(yè)、通信、電力、軍事、生活等各個領域。隨著越來越多的開關電源接入電網，其對電網的諧波危害日益嚴重，嚴重影響了電網的安全運行，降低電源的使用效率。采用有源功率因數校正技術（Active Power Factor Correction，APFC），實現開關電源的“綠色化”，降低電源對電網的諧波污染是電源接入電網的必要前提。

采用單周期控制的有源功率因數校正技術，能夠將輸入電流的波形校正為與輸入電壓同相的正弦波，提高整個系統(tǒng)的功率因數，降低電源對電網的諧波污染。

1 單周期控制的APFC技術

APFC技術的基本原理為在不可控整流橋與濾波電容之間加入一個合適的功率變換電路，常用的為BOOST變換電路或者BUCK電路，通過控制變換電路中開關管的通斷，來控制電感電流的大小，進而控制交流側輸入電流的大小，將輸入電流校正成為與輸入電壓同相的正弦波。

采用單周期控制技術，通過設置輸出濾波電容大小，可以使得輸出電壓基本保持不變。圖1為采用單周期控制的Boost型APFC電路的原理框圖。

2 關鍵參數設計

電路的實驗條件如下：額定功率250 W，輸入單相交流電壓120 V～250 V，頻率50 Hz，輸出直流電壓400 V，開關頻率50 KHz。以下為電源中關鍵參數的設計。

2.1 升壓電感設計

在BOOST電路中，升壓電感主要起到儲能作用。在Ton期間，L上的電壓為Ui，電流增量為 ，在Toff期間，L上的電壓為Uo-Ui，電流減少量為IL（-），其中：

2.2 輸出濾波電容設計

輸出電容的選擇應考慮以下因素：輸出電壓的大小及紋波值等效串聯(lián)電阻的大小，容許溫升等眾多因素。此外，在輸入交流電斷電的情況下，電容容量足夠大以保證一定的放電維持時間。在這些需要考慮的因素中，電容維持放電的時間需要的電容值最大，即電容只要滿足放電時間，就能滿足其他的要求。

考慮到電解電容存在ESR的作用，因此采用多只電解電容并聯(lián)使用。

3 仿真實驗分析

使用MATLAB/Simulink對上述設計的電源電路進行仿真分析，對電路參數進行優(yōu)化與改進，可以看出，由于BOOST變換器前端采用不控整流加大電容濾波電路設計，只有當電源電壓絕對值高于電容電壓時二極管才能導通，從而有電流流過，其他時間二極管截止，電容放電，輸入電流為零。因此，當輸入電流為尖峰狀，其中含有大量的奇次諧波，且與輸入電壓不同相，此時電源對電網造成嚴重的諧波污染，且電源的功率因數很低。而采用單周期控制技術，迫使輸入電流跟隨輸入電壓變化，使二者均為正弦波，且二者同相位，輸入電流中含有的諧波大多為幅值較小的高次諧波，低次諧波的含量很少，大大減少了電源對電網的諧波污染，電源的功率因數可以達到0.99以上，提高了電能的利用率。

4 結論

基于單周期控制技術，對BOOST型APFC電路的關鍵參數進行了設計，并使用MATLAB/SIMULINK完成了電路的仿真實驗。實驗結果表明，采用單周期控制的有源功率因數校正技術，可以有效的將開關電源中輸入電流的波形校正為與輸入電壓同相的正弦波，大大減少了電源對電網的諧波污染，提高了系統(tǒng)的功率因數。電路具有響應快、控制效果好、容易實現等優(yōu)點，具備很強的實用性。

參考文獻

[1]胡宗波，張波，胡少甫，鄧衛(wèi)華.Boost功率因數校正變換器單周期控制適用性的理論分析和實驗驗證[J].中國電機工程學報，2005，25（21）：19-23.

第9篇：開關電源的設計原理范文

【關鍵詞】開關電源 可靠性 三防設計

隨著科學技術的進步，開關電源已經應用于人們生活的方方面面，人們對開關電源的的可靠性要求也在不斷的提高，開關電源的可靠性是保證設備正常運行的關鍵。為此如何設計出可靠性性能高的開關電源成為相關研究者重點研究的方向。

1 開關電源可靠性設計

1.1 供電方式的選擇

集中式供電系統(tǒng)和分布式供電系統(tǒng)是開關電源主要兩種供電方式，其中集中式供電系統(tǒng)會由于輸出間和傳輸距離不同的偏差，容易造成壓差，給整個供電的質量造成影響，另外，集中式供電系統(tǒng)采用一臺電源集中供電，一旦該電源發(fā)生故障就會影響整個供電系統(tǒng)，分布式供電系統(tǒng)相比集中式供電系統(tǒng)供電質量具有一定的優(yōu)勢，其供電電源和負載距離比較近，能夠有效改善動態(tài)響應特性，除此之外，還具有能源損耗小，傳輸效率高，節(jié)約能源的優(yōu)點，因此分布式供電星相比集中式供電具有一定的可靠性。在設計開關電源時，出于可靠性的考慮，通常都應用分布式供電系統(tǒng)，

1.2 電路拓撲選擇

開關電源的拓撲的結構非常多，有推挽式、半橋、全橋、單端正激式，單段反激式，雙管正激式，雙單端正激式、雙正激式等八種拓撲結構，雙橋或者半橋正激式電路開關能夠滿足電源最大的輸入電壓，所以在選擇開關管時比較容易，單端反激式、單端正激式、推挽式雙端正激式、電路拓撲，其開關管的承受電壓大約是2倍的輸入電壓，給開關管選擇帶來很大的困難。全橋拓撲結構和推挽式拓撲結構容易出現單向偏磁飽和現象，容易造成開關管損壞，半橋電路本身具有自動抗不平衡的特點，可以有效改善開關管損壞的現象。所以根據拓撲結構的特點，為了保證開關電源的可靠性通常選用雙管正激式電路或者半橋電路。

1.3 控制策略

電流型PWM控制主要是中小功率電源中應用的方法，其在電壓控制方面具有以下優(yōu)勢：

（1）比電壓型控制速度快，并且不出出現電流過大損壞開關管的現象，降低了短路故障和過載現象；

（2）比電壓型紋波穩(wěn)定；

（3）容易補償，環(huán)路穩(wěn)定；

（4）快速的瞬態(tài)響應和優(yōu)良的電網電壓調整率。經過實踐證明50W開關電源采用電流控制，輸出紋波大約為25mV，遠遠比電壓控制型優(yōu)良。

硬開關技術往往會受到開關損耗的影響，一般情況下，其開關頻率都在350kHZ之下，利用諧振原理的軟開關技術，可以將開關的損耗降低到零。軟開關技術具有諧振變換器和PWM變換器的優(yōu)點，可以應用于大功率帶能源中。

1.4 元器件

元器件能夠直接影響開關電源的可靠性，通常開關電源中元器件失效主要有以下幾種原因。

1.4.1 質量問題

制造質量出現問題，解決的方法只有一個就是嚴格的選擇元器件，避免不成熟、劣質的元器件投入使用，選擇有知名度的廠家，最大限度的避免因元器件質量問題影響開關電源的可靠性。

1.4.2 器件可靠性問題

器件可靠性是常見的基本失效問題，主要和元器件的工作應力水平有關，因此需要選擇可靠性良好的元器件，在選擇元器件時將早期失效。密封性能不合格。穩(wěn)定性差、電參數不合格、外觀不合格的元器件剔除。在應用元器件之前進行非破壞性試驗進行篩選，通過非破壞性試驗可以明顯降低元器件可靠性的問題，在進行非破壞性試驗時需要讓普通電容器和電阻在室溫條件下，嚴格按照技術要求進行測試。

1.4.3 設計問題

為了有效降低設計問題導致的元器件失效，因此在選擇元器件時最好選用硅半導體，盡量少用褚半導體或者避免使用褚半導體，；最好使用集成電路，盡可能降低分離器件的數目；盡量使用玻璃封裝或者金屬封裝、陶瓷封裝的器件，杜絕使用塑料封裝的器件；設計的原則一般是不使用電位器，但是如果無法避免，就需要對電位器最好封裝措施，對于在惡劣環(huán)境下。例如潮濕、煙霧等，在設計時不要選用率電解電容，由于鋁電解電容自身的特性，導致其容易在惡劣的環(huán)境中發(fā)生腐蝕，進而影響設備的正常運行。在航天設備中應用的元器件因為常常受到空間粒子的影響，容易導致鋁電解電容發(fā)生分解。因此在選擇時盡量不要選用率電解電容。

1.4.4 能源損耗問題

能源損耗問題和元器件的工作應力沒有關系，主要和元器件的工作的時間有關，例如鋁電解容易如果長時間運行，鋁電解電容的電容液就會會被破壞，相應的電電容容量就會降低，電解液沒損失40%，電容量就會下降20%。如果點容易的芯子出現干涸，就無法在繼續(xù)運行，因此為了避免這種情況的發(fā)生，在設計開關電源時，最好注明率電解電容的更換時間，在使用達到更換時間時，強制對其進行跟換。

1.5 安全設計和三防設計

安全性是開關電源重要的一項性能指標，如果開關電源不具有安全性就不可能實現預定的功能，還特別容易發(fā)生安全事故，從而導致發(fā)生無法挽回的重大損失。因此開關電源必須要具有很高的安全性，那么在設計開關電源時，需做好防止觸電燒傷的措施，對于防觸電可以將輸出端設計為空，對于防燒傷控制其暴露在外面的機殼以及散熱性等零件不要讓去其溫度超過60度。在開關設計時，密封的要求也非常高，因此對于要求密封的器件做好相應的密封措施了對于暴露在空氣中的結構，不要設計凹陷的結構，做好防潮防腐蝕措施，對于開關的電源結構可以應用密封或者半密封的形勢隔絕不利的因素，在組建表面涂覆準用的防潮、防霉菌、防鹽霧氫氣，避免任何對開關電源不利的因素，保證開關電源的可靠性。

2 結束語

開關電源的可靠性和開關電源設備的性能息息相關，因此保證開關電源的可靠性保證開關電源的設備的正常運行，選擇合適的元器件，合適的拓撲電路沒做好安全設計和三防設計可以有效提高開關電源的可靠性。

參考文獻

[1]姚洪平，劉億文，薛晨光.開關電源可靠性設計研究[J].電子制作，2013，17：39.

[2]劉志雄.開關電源可靠性設計探討[J].現代商貿工業(yè)，2010，09：325-326.

[3]黃永俊，張居敏，胡月來.開關電源可靠性的設計[J].農機化研究，2005，02：147-148.