開關(guān)電源的設(shè)計與實現(xiàn)

蔡乾 陳春芳 陳祎 王昭

摘要 開關(guān)電源被稱作高效節(jié)能電源，是當(dāng)下穩(wěn)壓電源發(fā)展趨勢的重要代表。經(jīng)過近二十年的科研與推廣，開關(guān)電源逐漸朝著高效率、低能耗、小體積等方向發(fā)展。本文主要通過實驗探究的方式，對開關(guān)電源的設(shè)計以及實現(xiàn)進(jìn)行了簡要的分析。

【關(guān)鍵詞】開關(guān)電源 設(shè)計 實現(xiàn)

開關(guān)電源具備體積較小、工作效率較高等優(yōu)點，已經(jīng)在各種現(xiàn)代電子設(shè)備當(dāng)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。而因為開關(guān)電源相應(yīng)的控制電路較為復(fù)雜，在實際應(yīng)用當(dāng)中會受到一些限制。怎樣對開關(guān)電源形成完善的設(shè)計，使其應(yīng)用性能更好的體現(xiàn)出來，值得我們更為深入的探索。

1 開關(guān)穩(wěn)壓電源

傳統(tǒng)的線性電源通常都是較大體積的工頻整流電源，這種電源效率較為低下，最高只能達(dá)到百分之四十，而隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，該種電源逐漸退出了歷史舞臺，對開關(guān)穩(wěn)壓電源的應(yīng)用越來越廣泛。與傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓電源相比較，開關(guān)穩(wěn)壓電源有著效率較高、體積較小、功率較大、成本投入較低等特征，給如今各種便攜式的電子產(chǎn)品發(fā)展形成了良好的促進(jìn)作用。近些年，半導(dǎo)體工藝呈現(xiàn)出了非常大的變化，制作工藝的高效化，不僅形成了更低的能耗和更高的效能，還有效拓展了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、可靠性以及電磁兼容性，使工作效率大幅上升。通常，開關(guān)電源的最低效率可以達(dá)到百分之八十。

2 數(shù)控開關(guān)電源主要原理

在針對數(shù)控開關(guān)電源進(jìn)行設(shè)計的過程中，需要依據(jù)雙閉環(huán)控制以及穩(wěn)壓穩(wěn)流的自動轉(zhuǎn)換電路等原理，讓電源開關(guān)實際的電壓和電流可以達(dá)到給定值，并且確保電路實際工作過程的穩(wěn)定性。

2.1 雙閉環(huán)控制

為有效拓展動態(tài)響應(yīng)的速度，需要在對電源開關(guān)進(jìn)行設(shè)計的過程中采取雙閉環(huán)形式的控制結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)直接對控制面板進(jìn)行操作，對系統(tǒng)穩(wěn)流值以及穩(wěn)壓值的顯示與控制。在雙閉環(huán)的控制模式當(dāng)中，電流主要是內(nèi)環(huán)控制，電壓則是受到外環(huán)控制，結(jié)合PID調(diào)節(jié)器達(dá)到內(nèi)外環(huán)一同控制的效果。雙閉環(huán)控制一般表現(xiàn)為對PID誤差的調(diào)控，其中外環(huán)控制指的主要是對電壓輸出值跟額定值之間進(jìn)行對比，隨后經(jīng)過相應(yīng)的調(diào)控操作，使電壓控制形成外環(huán)。而內(nèi)環(huán)控制主要是利用PID針對電流進(jìn)行控制，把經(jīng)過調(diào)制之后的電流進(jìn)行傳輸，生成相應(yīng)的數(shù)字脈沖，繼而對開關(guān)狀態(tài)實現(xiàn)有效控制，形成限流作用。在工作狀態(tài)為穩(wěn)壓情況的時候，電流的PID調(diào)節(jié)將會向PWM調(diào)制器輸出一定的數(shù)字脈沖賦值，這時電壓環(huán)將會退出，形成以電流環(huán)為主導(dǎo)的形式，從而實現(xiàn)對開關(guān)狀態(tài)的控制，同時形成穩(wěn)流效果。

2.2 穩(wěn)壓穩(wěn)流自動轉(zhuǎn)換電路

穩(wěn)壓穩(wěn)流的自動轉(zhuǎn)換主要是由電流、電壓以及負(fù)載這三個因素所共同決定。在電路實際工作狀態(tài)為穩(wěn)流情況時，電壓環(huán)將會處在飽和狀態(tài)，無法起到任何作用，而內(nèi)環(huán)當(dāng)中的電流則處在工作狀態(tài)之中。與之相反的是，電路處在穩(wěn)壓狀態(tài)的時候，電路環(huán)由于飽和而停止工作，電壓環(huán)處于工作狀態(tài)。而輸出電壓會超過給定值，且電流給定，這時運算方法器會處于飽和的狀態(tài)，電流環(huán)和電壓環(huán)呈現(xiàn)同時工作的情況，該種控制方式也就是雙環(huán)結(jié)構(gòu)。也正是對雙環(huán)結(jié)構(gòu)的有效設(shè)計，使所輸出的電流與電壓都可以穩(wěn)定在一個特定范圍之內(nèi)，自動轉(zhuǎn)換電路不僅能夠?qū)﹄娐愤M(jìn)行轉(zhuǎn)換，還可以維持電源穩(wěn)值。

3 開關(guān)電源的設(shè)計內(nèi)容

開關(guān)電源的輸入濾波穩(wěn)壓電路，指的主要是DC-DC變換器在輸入以前的電路，其中主要包含蒸餾濾波電路以及輸入濾波電路等各種單元電路，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和各種性能指標(biāo)會影響到開關(guān)電源具體的應(yīng)用可靠性、成本投入以及體積大小等，同時也決定了在開機(jī)瞬間浪涌電流的高低。為了能讓開關(guān)電源處在干擾較小，防止受到污染的電網(wǎng)環(huán)境當(dāng)中，所以需要對在開關(guān)電源當(dāng)中輸入前端電路，本實驗設(shè)計利用的前端電路如圖l所示。

在該原理圖當(dāng)中：

（1） CX1以及CX2為X安規(guī)電容，主要作用在于差模濾波。

（2） L1、CYl以及CY2用在共模濾波。

（3） R2是NTC電阻，主要功能是開機(jī)時防止浪涌。

（4） Rl是泄放電阻，對工作人員形成保護(hù)。

（5） Ul以及Cl是整流濾波元件。

（6） FUSE是保險絲。

本次實驗所采用的參數(shù)主要包括：

（1）保險絲主要選擇3.15A/220V型號。

（2） Rl選擇兩個2.4MΩ串聯(lián)。

（3） CXl以及CX2容量是O.lμF。

（4） CYl以及CY2容量是1μF。

（5）11容量是lOmH。

（6） Ul選擇DB107型號的整流橋。

（7） Cl結(jié)合經(jīng)驗值加以選擇，為82μF/400V電解電容。

（8） R2是NTC12D-7。

反激變換器其實屬于一種Bust-Boost變換器，對其輸出跟輸入之間的隔離主要利用高頻變壓器，能夠?qū)崿F(xiàn)升壓和降壓，已經(jīng)在100W之內(nèi)隔離式的開關(guān)電源當(dāng)中實現(xiàn)了非常廣泛的應(yīng)用，具體可以結(jié)合輸出和輸入電壓范圍的差異，選擇單管或雙管的反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在經(jīng)過設(shè)計高頻變壓器、次級反饋回路以及選擇輸出濾波電容之后，在測試平臺當(dāng)中進(jìn)行具體的測試。經(jīng)過對某專業(yè)儀表進(jìn)行供電的過程加以測試，實驗結(jié)果標(biāo)明，所設(shè)計電源供電具有較好的可靠性，各種儀表均能正常投入應(yīng)用。如果出現(xiàn)儀表短路的情況，供電電源具備過流保護(hù)的功能，可以在第一時間將供電電源切斷，實現(xiàn)對儀表的保護(hù)。經(jīng)過測試標(biāo)明，保護(hù)功能具有較強(qiáng)的可靠性，能夠完成對儀表的有效保護(hù)。在長時間應(yīng)用之后，產(chǎn)品工作性能依然保持穩(wěn)定，紋波比較小，而且輸入電壓維持穩(wěn)定，可以滿足儀表應(yīng)用需求，并為儀表供電設(shè)計形成了良好的參考作用。

3 結(jié)束語

總而言之，對開關(guān)電源更為深入的研究與推廣具有十分重要的現(xiàn)實意義，對于我國電子研發(fā)和生產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展具有良好的促進(jìn)作用。相關(guān)從業(yè)人員應(yīng)該積極探索，對國外的一些先進(jìn)技術(shù)和理念加以借鑒，繼而與我國電子行業(yè)的整體情況相結(jié)合，創(chuàng)建出一套更為符合我國國情的開關(guān)電源設(shè)計體系，為國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入源源不斷的活力。

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