前言：中文期刊网精心挑选了开关稳压电源范文供你参考和学习，希望我们的参考范文能激发你的文章创作灵感，欢迎阅读。
开关稳压电源范文1
关键词：STC12C2052AD；DC-DC；PWM
中图分类号：TN-9 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）04-0922-03
A Design of Switch Voltage Regulator Based on PWM
WANG Lei， LI Jian-min， LI Ping
（Information Science and Technology College， Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China）
Abstract： The thesis based on MCU and power technology，uses Boost DC chopper circuit as the DC-DC converter major part of the main circuit. The subject uses the STC12C2052AD as the main controller of the all-whole system， and it increases the sampling and feedback of the current and voltage of the main circuit to achieve over-current protection and closed-loop PWM control. In this paper， the hardware of system， selection， the realization of software control are described in detail. Design of low-power general-purpose switching power supply focus on MCU and power technology.
Key words： STC12C2052AD； DC-DC； PWM
随着电子技术的发展，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。电源是各种电子设备必不可少的组成部分，其性能的优劣直接关系到电子设备的技术指标能否达到以及能否安全可靠的工作。
现有的电源主要由线性稳压电源和开关稳压电源两大类组成。相对线性稳压电源来说，开关稳压电源的优点更能满足现代电子设备的要求，开关电源的主要优点是：效率高，可靠性和稳定性好，体积小，重量轻，对供电电网电压的波动不敏感，在电网电压波动较大的情况下，任能维持较稳定的输出[1]。开关电源一般采用PWM信号控制电源开关占空比，目前有很多的如TL494等专门的PWM控制芯片[5]和比较成熟的反馈电路设计但为了进一步降低电源输出波纹，实现输出可变并控制产品成本和体积。本设计中采用小封装STC12C2052AD单片机完成PWM信号的产生、系统控制，A/D采样等。实现了设计的数字化、小型化可应用于开关稳压电源的设计。
1 系统结构
系统主要由电源整流部分、控制器、信号驱动模块和升压模块组成，如图1所示。系统输入为220V，50Hz交流电压，经电压变换，整流滤波后得到18V的直流电压，送入DC-DC变换电路，经滤波输出直流。控制器完成电压的AD变换并实现电压值的外部设置和实时显示，同时控制模块输出脉宽调制信号（PWM），从而控制Boost电路的输出电压[2，6-7]。该输出电压可在30～36V范围内步进调节。最大输出电流达2A。设计中DC-DC变换的核心电路采用经典的Boost升压形式。
图1 系统硬件总体框图
2 系统硬件设计
2.1 MOS管驱动电路
由于单片机I/O口的驱动能力弱不足以驱动MOSFET，所以要增加专用的MOSFET电路。设计中采用采用美国IR公司推出的高压浮动驱动集成模块IR2110，从而减小了装置的体积，降低了成本，提高了系统的可靠性[3-4]。IR2110是一款高低电平驱动器件具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达600V，在15V下静态功耗仅116mW；输出的电源端（脚3Vcc，即功率器件的栅极驱动电压）电压范围10～20V；其逻辑输入电压只需3.3～20V，可方便地与TTL或CMOS电平相匹配，输出电压最大可达20V，图腾柱输出驱动电流最大可达到2A；工作频率高，可达100kHz；开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns；由于IR2110可同时驱动双MOS管，因而系统只涉及一个MOS管，故只使用一路驱动即可。
2.2 STC12C2052AD控制器
系统中控制器不断检测电源的输出电压，根据电源输出电压与设定值之差，调整DA的输出，控制PWM芯片，间接控制电源的工作。这种方式单片机已加入到电源的反馈环中，代替原来的比较放大环节。开关电源的控制芯片采用STC12C2052AD系列单片机，利用其内部PWM组件产生控制信号，经过放大后驱动boost升压电路。STC系列单片机为单时钟/机器周期（1T）的兼容8051内核单片机，是高速/低功耗的新一代8051单片机[8]。具有两路PWM/PCA和8路8位精度的ADC，在本设计中充分利用这两个功能来构成整个控制系统。
2.3 缓冲电路设计
当变换器的开关管在导通、截止后开关管的电压和电流的乘积几乎为零，但在导通和截止的变化过程中电压和电流都具有一定的幅值。因此变换器就会在开关过程中产生开关损耗。通常，变换器的开关损耗中，关断损耗比开通损耗大得多，因此大多数场合下只考虑关断过程的缓冲即可。最简单的缓冲电路就是附加缓冲电容，但在开关管导通时缓冲电容通过开关管放电，放电电流值非常大，开关关不能承受[9-10]。限制放电电流可串联限流电阻但缓冲效果明显变差，此时可将二级管并联到电阻两端以减小时间常数，这就是常用的RC-D缓冲电路，如图2所示。
图2 场管缓冲电路
为了有效的将开关管的开关应力转移，缓冲电路作用的时间应大于开关管的电压上升时间与电流下降时间之和，通常可以选择为开关周期的1/100～1/200电容理论值大约为6.7nF。多次试验显示，保护吸收电路的电阻应取kΩ级，电容取nF级即可。
2.4 采样电路设计
为了实现电压的反馈控制和过流保护，系统需要增加采样电路，采样电路共分成两部分：电压采样和电流采样。因为单片机ADC的参考电压为5V不能直接对输出电压进行变换，因此需要对输出电压分压后再采样。采用对输出的1/10分压，分压电路用简单的电阻分压器即可。课题要求系统具有过流保护的功能，这就要对电流进行采样，将电流变成电压后也进行ADC变换。采样电阻的选择十分重要，要求噪声小，温度特性好，所以最好选择低温度系数的高精度采样电阻。例如，锰铜线制成的电阻，温度系数约5ppm/℃ 。另外，由于采样电阻与负载串联时流过采样电阻的电流通常比较大，因而温度也会随之上升。另外采样电阻阻值取大一点，对稳定度有好处，但会使系统效率下降，折中考虑取R=0.5[Ω]。
3 系统软件设计
3.1 单片机控制算法
为了通过反馈调节控制信号实现稳压，系统软件设计中加入了PID控制算法，即单片机中将给定电压值与采样反馈电压值比较，利用偏差的比例、积分、微分线性组合调整PWM信号的占空比，进而达到稳压。常用的PID算法形式为：
[Uk=Kpek+Kiikei+Kdek-ek-1]
式中：[Kp]、[Ki]、[Kd]分别为比例系数、积分系数、微分系数；e（k）为偏差；u（k）为所需控制信号的调整值。为了简化程序该系统设计选择P算法（PID算法的一种简单形式），即令[Ki]、[Kd]为零，只考虑比例系数。因此，系统稳压控制的优劣取决于参数[Kd]。[Kp]越大，系统反应越灵敏，但[Kp]偏大会导致输出振荡大，调节时间延长。因STC单片机速度较快所以课题中[Kp]选择不必太大，可实现预期稳压功能即可。
3.2 控制程序设计流程
根据课题要实现的功能及要求，单片机软件的控制部分程序的流程图3所示。
图3 控制流程图
4 调试结果
测试当中输入电压为18V，开关管的控制脉冲（PWM波）频率为104kHz，占空比50%，组装时电容取1600μF，电感为820mH，电阻为30Ω。得到的电流电压波形图如4所示。可看出，在不考虑损耗时电压可以升35V以上；在实际电路中因存在损耗，通过调整占空比达到了输出电压30～36V步进调整，最大输出电流2A。
图4 输出电压变化趋势
改变电源的负载，对不同负载下的输出电压进行测试，数据如表1所示。
表1 负载调整率测试数据（U2=18V）
[输出电流＼&空载＼&1KΩ＼&100Ω＼&30Ω＼&输出电压＼&36.0V＼&35.78V＼&35.5V＼&35.38V＼&]
负载调整率[SI]=（36.01-35.38）/36.01≈1.7%
对不同输入电压下的电流、电压进行测试并计算出变换器的效率，测试结果如表2所示。
表2 变换器效率测试（不含单片机等控制电路）
[输入
电压[Ui]＼&输入
电流[Ii]＼&输出
电压 Vo＼&输出
电流[I0]＼&效率＼&21.9V＼&1.957＼&36.01V＼&1.056＼&88.7%＼&21.1V＼&2.898＼&35.86V＼&1.505＼&88.3%＼&]
5 结论
传统的晶体管串联调整稳压电源虽具有稳定性好、输出波纹小等优点，但体积大且笨重的工频变压器和滤波器和只有45%左右的电源效率等缺点不能满足电源高效率、小型化、集成化、智能化的趋势。而开关电源的效率可高达70%-95%，功耗小散热器随之减小。本设计增加了电源的数控功能利用Boost电路实现了系统设计的升压转换，采用单片机完成数字控制，软件编程得到PWM信号，通过调整占空比实现输出电压数字调节，运用反馈算法实现可控的稳压输出。实验表明各项指标满足设计要求，适用于低成本、智能化的电源开发中，有广阔的应用前景。
参考文献：
[1] 康华光，陈大钦.电子技术基础 模拟部分[M].北京：高等教育出版社，1999：443-478.
[2] 王水平，史俊杰，田安庆.开关稳压电源设计及实用电路（修订版）[M].西安：西安电子科技大学出版社，2005：46-48.
[3] 张乃国.电源技术[M].北京：中国电力出版社，1998：56-57.
[4] 金雍羊，彦毕强.新型单片开关电源的设计[J].电源技术应用，2000：58-59.
[5] 范进，敬岚，乔卫民，马陆.HIRFL―CSR 数字电源控制模块的设计[J].微计算机信息，2007，3-1：242-243.
[6] 张大明，刘振鹏.单片微机控制应用技术[M].北京：机械工业出版社，2007：182-192.
[7] 陈永真，宁武，孟丽囡.单管变换器及其应用[M].北京：机械工业出版社，2006：5-8.59-63.
[8] STC12C2052AD系列单片机器件手册[Z].
开关稳压电源范文2
关键词 LM5117；降压型开关稳压电源；闭环控制
中图分类号：TN492 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2017）06-0036-03
Abstract This system design chooses LM5117 chip and CSD18532-KCS MOSFET of TI Company as control core voltage stabilizing system， and builds a stable and efficient buck type DC switching power supply. It uses the closed-loop feedback control voltage， im-proving the stability of output voltage. Design reduces the output ripple voltage， selecting the appropriate switching frequency com-pensation and loop network to enhance the stability and load capa-city， make output voltage more stable.
Key words LM5117； Buck DC； feedback control
1 引言
开关电源凭借其相对于线性电源的体积小、效率高、可靠性强的优点，在越来越多的场合得到应用。传统的PWM开关电源电路结构复杂，开关频率低，电源功耗高，纹波系数大。随着对开关电源性能要求的不断提高，传统的PWM开关电源逐渐不能满足性能要求，随着半导体技术的迅猛发展。模块化的开关电源控制芯片的优越性能得到越来越广泛的应用，工作频率高，纹波系数小，带负载能力强，便于调试。TI公司生产的军工级新型同步降压控制器LM5117就是优秀代表。
2 LM5117介绍
LM5117是一款同步降压控制器，适用于高电压或各种输入电源的降压型稳压器应用。其控制方法基于采用仿真电流斜坡的电流模式控制。电流模式控制具有固有的输入电压前馈、逐周期电流限制和简化环路补偿功能。使用仿真控制斜坡可降低脉宽调制电路对噪声的敏感度，有助于实现高输入电压应用所必需的极小占空比的可靠控制。LM5117的工作频率可以在50～750 kHz范围内设定。可利用自适应死区时间控制来驱动外部高边和低边NMOS功率开关管（《LM5117技术手册》）。
3 方案描述
为满足题目要求，本系统能够处理两种输入信号：16 V直流输入电压、外部负载R。通过人工方式在两种输入信号之间进行功能的切换，然后通过LM5117为核心的稳压电路，分别实现16 V输入、5 V恒压输出，负载R可变输入、1～10 V电压输出这两种功能。同时利用采样电阻采集电流信号交给比较器控制，进行过流保护，提高系统可靠性。整体设计框图如图1所示。
4 方案设计
降低纹波 本系统采用加强输入输出的LC滤波网络，输入输出信号在送到对应端口之前均采用多个电容并联，大大降低纹波电压；输出端的LC滤波网络选用较小电感（10 μH），降低电路功耗，有助于提高电源效率；输出端采取C1和R21阻容吸收网络，消除尖峰[1]。
负载R检测 本系统使用LM358构成的恒流源电路[2]，将负载R的阻值转化成电压差分信号送入INA118仪表放大器进行放大，经恒流源转化后差分信号Ud与负载阻值R之间满足题目要求计算公式：Ud=R/1k（V）。
Ud被放大后通过运放，成为VOUT输出。
负载R检测如图2所示。其中，U1A构成恒流源，RL为待测负载R（仿真电路中条件RL=5k），U2的INA118P为仪表放大器[3]，处理恒流源转化的电压差分信号R3/R5和R6/R4分别构成的分压电路和比例电路。
稳压控制 本系统采用以LM5117芯片为核心的稳压电路，内部高增益误差放大器产生一个与FB引脚电压和内部高精度0.8 V基准之差成正比的误差信号。选取合适的RCOMP、CCOMP和CHF构成π型环路补偿元件，连接至COMP引脚的误差放大器。选取合适的反馈调节网络，使输出电压稳定到需求值[4]。
过流保护 LM5117芯片的UVLO端口是欠压锁定编程引脚。当UVLO引脚低于0.4 V时，稳压器处于关断模式，所有功能被禁用。如果UVLO引脚电压高于0.4 V并低于1.25 V，稳压器随VCC稳压器运行而处于待机模式，此时SS引脚接地，且HO和LO输出端不会切换。决定利用这一特性，使工作电流超过额定电流时强制拉低UVLO口的电压至0.4 V～1.25 V之间，将LM5117芯片置于待机状B。
采集输出电流，将取样电压与达到额定电流时的电压进行比较，将比较结果使用CD4013进行锁存，并反接肖特基二极管SS14，使过流时的UVLO端口钳位到0.7 V，达到过流保护的效果[5]。过流保护如图3所示。主电路整体原理图如图4所示。
5 测试方案与测试结果
首先，将本系统与外部直流电源相连接，调节直流电源输出电压，使得系统输入UIN=16 V，保持恒定。调节负载大小，当IO=0.2IOMAX，记录UO，即为轻载输出电压；当IO=IOMAX，记录UO，即为满载输出电压，计算负载调整率SI。
其次，调节直流电源输出电压，当系统输入UIN=13.6 V和UIN=17.6 V时，分别记录UO13.6V、UO17.6V，计算电源电压调整率SV。
再次，调节直流电源输出电压，使得系统输入UIN在13.6～17.6 V范围内变化，在其中选取5组不同输入电压值进行测量。记录不同输入电压UIN分别对应的输入电流IIN、输出电压UO以及输出电流IO，计算转换效率η。
最后，调节直流电源输出电压，使得系统输入UIN=16 V，保持恒定。改变外接待测电阻R大小，测量并记录不同阻值下对应的输入电流IIN、输出电压UO以及输出电流IO，计算转换效率η。
测试结果如表1～表4所示。
经测试，本系统能够完成题目所有的设计性能要求。并且在负载调整率及转换效率方面均优于设计要求。
6 结论
通过一系列功能测试，本系统以LM5117为核心设计稳压电路，实现16～5 V的DC-DC电压变换，同时能够检测外接负载R大小并根据一定的公式调节输出电压。经测试，系统能够实现所有要求，并提高电源效率达到91%以上，负载调整率降至0.4%，同时将纹波电压峰峰值控制在20 mV
以内，是一款性能优良的降压型直流开关稳压电源。
参考文献
[1]童诗白.模拟电子线路[M].北京：清华大学出版社，1996.
[2]姚福安，徐向华.电子技术实验课程设计与仿真[M].北京：清华大学出版社，2015.
[3]陈大钦，罗杰.电子技术基础实验[M].3版.北京：高等教育出版社，2008.
开关稳压电源范文3
关键词 直流稳压电源；线性电源；开关电源
中图分类号：TM44 文献标识码：A 文章编号：1671―7597（2013）031-134-01
1 线性直流稳压电源
1）晶体管串联式直流稳压电源：晶体管串联式直流稳压电源工作在线性放大状态，因而具有反应迅速，电压稳定度和负载稳定度高，输出纹波电压小，噪声小。在电路技术方面，其控制电路所用的元件少。对调整管的开关特性，滤波器的高频性能等无特别要求，所以可靠性高。
串联式稳压电源的严重缺点是效率低。要提高效率就必须降低调整管上的压降，减少在调整管上的损耗。解决的办法：①PNP和NPN晶体管互补：串联式稳压电源输出电源电流较大时，通常调整管都要接成共集电极的达林顿组合管。因为在晶体管电参数相同情况下在保持电流放大倍数相等的情况下，互补连接的组合调整管的集射极压降减少了，因而电源的效率得到提高；②偏置法：一般共集电极组合管集射间的压降一定程度上取决偏置电流。采用偏置连接法当输出电流一定时可以有效的提高电源效率；③开关稳压器作前置予调节：在输入-输出电压差比较大，输出电流也比较大的场合，采用开关稳压器作串联式稳压器的前置予调节也是提高电源效率的有效办法。开关予调节还可以设置在电源变压器的原边。
2）集成线性稳压器发展：早期市场集成稳压器的厂家很多，产量大、应用广泛。主要有半导体单片式集成稳压器和混合式集成稳压器两大类。它们的电路形式、封装、电压及电流的规格都是多种多样的。集成稳压器可分为定电压的，可调的，跟踪的和浮动的。但是不管哪一种形式，它们通常由基准电压源，比较放大器，调整元件即功率晶体三极管和某种形式的限流电路组成。有些集成稳压器内部还有逻辑关闭电路和热截止电路。集成稳压器与由分立元件组成的稳压器比较，集成稳压器的优点非常明显，成本低，体积小，使用方便，性能好，可靠性高。
3）恒流源网络稳压电源技术：采用恒流网络稳压是目前串联稳压电源的有一特点。采用恒流网络可以有效地提高电源的稳定性。集成稳压器中普遍采用了恒流网络。分立元件组成的串联稳压器也愈来愈多地运用恒流技术。使用晶体管场效应管和恒流二极管等元件可以实现恒流。恒流二极管在分立元件的串联稳压器中使用更为方便。
2 开关直流稳压电源
开关式直流稳压电源指其功率调整元件以“开”、“关”方式工作的一种直流稳压电源。早期的磁放大器开关直流稳压电源是利用铁芯的“饱和”、“非饱和”两种状态进行“开”、“关”控制，那是一种低频磁放大器。在此过程中出现的可控硅相控整流稳压电源也属于开关直流稳压电源。随后，高频开关功率变换技术得到了快速发展，这主要是指变换器方式的高频开关直流稳压电源。上个世纪90年代电力电子技术、PWM等技术的日趋成熟，直流开关电源和交流开关电源已成为主导市场。电力电子技术是利用电力电子技术对电能进行控制和转换的学科。它包括电力电子器件 、变流电路和控制电路三个部分，是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科。随着科学技术的发展，电力电子技术由于和现代控制理论、材料科学、电机工程、微电 子技术等许多领域密切相关，已逐步发展成为一门多学科相互渗透的综合性技术学科。
1）无工频变压器化：省掉工频电源变压器而采用直接从电网整流输入方式是开关电源减少体积和重量的一个重要措施。无工频变压器化已成为当代先进开关电源的一个特点。无工频变压器的开关电源与各种有工频变压器的直流稳压电源相比，其突出优点是体积小、重量、效率高。开关电源的电路形式已多种多样了。就调制技术而言有脉宽调制型、频率调制型、混合调制型，其中脉宽调制占绝大多数。目前出现了完全无变压器的开关电源，即连高频变换器都不需要。这种电源的最大特点是体积还可比现在的无工频变压器开关电源小的多，而且没有绕制的变压器这一类器件，可以集成电路工艺制作。
2）开关电源高频化：现代开关电源的一个显著特点是开关频率不断提高，不管是晶体管开关电源、可控硅开关电源还是场效应管开关电源都是向高频化方向发展。随着功率IGBT和MOSFET的出现，开关电源的工作频率已从早期典型的20KHz逐步提高到兆赫范围甚至G赫范围。
3）控制电路集成化：早期开关电源的控制电路是用分立元件构成的。这样，电路设计复杂，调试维修麻烦，影响开关电源的推广应用。为了适应开关电源的迅速发展，集成化的开关电源控制电路被研制成功，而且功能愈加完善。开关电源控制电路集成化，大大简化了开关电源的设计，提高了开关电源的电性能和可靠性，而且体积小，降低成本。
4）主要元器件高频化：为了适应开关电源迅速发展的需要，开关电源所用的主要元器件的发展也很快，其主要目标是高频化。开关电源中的开关元件-功率晶体管、可控硅和场效应管都在提高看工作频率方面取得了成绩。但是最引人注目的是功率管IGBT复合管，MOSFET场效应管的出现，它不仅开关频率提高到1MHz-1GHz，而且开关特性好，所需驱动功率小，不存在二次就穿，能防止热奔等特殊优点。另外大电流肖特基势垒的出现大大改善了低电压电流开关电源的整流效率，它具有开关速度快、反向恢复时间短，正向压降地等优点。在滤波过程中，电容器等器件也要在材料、结构工艺诸方面进行研制，以适应开关电源高频化的要求。
5）全数字化控制：开关电源的控制已经由模拟控制，模数混合控制，进入到全数字控制阶段。全数字控制是一个新的发展趋势，已经在许多功率变换设备中得到应用。但是过去数字控制在DC/DC变换器中用得较少。近两年来，开关电源的高性能全数字控制芯片已经开发，费用也已降到比较合理的水平，欧美已有多家公司开发并制造出开关变换器的数字控制芯片及软件。全数字控制的优点是：数字信号与混合模数信号相比可以标定更小的量，芯片价格也更低廉；对电流检测误差可以进行精确的数字校正，电压检测也更精确；可以实现快速，灵活的控制设计。
参考文献
开关稳压电源范文4
引言
交流稳压技术的发展一直倍受广大用户和生产厂商的关注，其原因在于我国市场上现有的各种交流电力稳压产品，在技术性能上都有不尽人意之处。
在我国应用较早，且用户最广的交流电力稳压电源当属柱式（或盘式）交流稳压器，虽然这种稳压电源有很多优点，但由于它是用机械传动结构驱动碳刷（或滚轮）以调节自耦变压器抽头位置的方法进行稳压，所以存在工作寿命短，可靠性差，动态响应速度慢等难以克服的缺陷。
近年来不少生产厂家针对柱式交流电力稳压器所存在的缺点，纷纷推出无触点补偿式交流稳压器，大有取代柱式稳压器之势。这种电源实质上仍然是采用自耦方式进行调压，所不同的只是通过控制若干个晶闸管的通断，改变自耦变压器多个固定抽头的组合方式，来代替通过机械传动驱动碳刷改变自耦变压器抽头位置的一种调压方法。这种方法固然提高了稳压电源的可靠性和动态响应速度，但却失去了一个重要的调节特性——平滑性，即调节是有级的，其必然结果是稳压精度低（一般只有3％～5％），并且在调节过程中，当负载电流很大时会冲击电网并产生低频次谐波分量，对负载也会产生冲击；另外采用这种方法所用变压器较多（一相至少需二台，即一台自耦变压器，一台补偿变压器），这就增加了电源的自重和空载损耗。
伴随着全控开关器件的容量和性能以及模块化程度的提高，集成控制电路功能的不断完善，吉林市长城科技有限责任公司凭借自己的科技实力，率先研制出采用PWM技术，通过全控开关器件IGBT，对交流进行斩波控制的新型补偿式交流稳压电源——JJY－ZK/BW系列斩控补偿式交流稳压电源。为我国交流稳压技术的创新和满足市场对高性能交流稳压电源的需求开创了新局面，下面对PWM交流斩控技术在该种交流稳压电源中的应用原理及性能做一简要介绍。
1 PWM交流斩控调压原理
图1（a）所示，假定电路中各部分都是理想状态。开关S1为斩波开关，S2为考虑负载电感续流的开关，二者均为全控开关器件与二极管串联组成的单相开关[见图1（b）]。S1及S2不允许同时导通，通常二者在开关时序上互补。定义输入电源电压u的周期T与开关周期Ts之比为电路工作载波比Kc，（Kc=T/Ts）。图1（c）表示主电路在稳态运行时的输出电压波形。显然输出电压uo为：
式中：E（t）为开关函数，其波形示于图1（c），函数由式（2）定义。
在图1（a）电路条件下，则
E（t）函数经傅立叶级数展开，可得
式中：D=ton1/Ts，ωs=2π/Ts，θn=nπ/Ts；
D为S1的占空比；
ton1为一个开关周期中S1的导通时间。
将式（4）代入式（3）可得
式（5）表明，uo含有基波及各次谐波。谐波频率在开关频率及其整数倍两侧±ω处分布，开关频率越高，谐波与基波距离越远，越容易滤掉。
在经LC滤波后，则有
把输出电压基波幅值与输入电压基波幅值之比定义为调压电压增益，即
由此可见电压增益等于占空比D，因此改变占空比就可以达到调压的目的。
2 控制方案设计与工作原理
一般情况下，PWM交流斩控调压器的控制方式与主电路模型、电路结构及相数有关。
若采用互补控制，斩波开关和续流开关在换流过程中会出现短路，产生瞬时冲击电流；如设置换相死区时间，又可能造成换相死区时间内二个开关都不导通使负载开路，在有电感存在的情况下，会产生瞬时电压冲击。本方案采用有电压、电流相位检测的非互补控制方式，如图2所示。对相数而言本方案采用三相四线制，即用三个单相电路，组合成三相电源，这样可以避免相间干扰，保持各相电压输出稳定。
由图2可见，V1，VD1与V2，VD2构成双向斩波开关，Vf1，VDf2与Vf2，VDf1构成双向续流开关；Lof及Cof分别为滤波电感、电容；u1为补偿变压器初级绕组两端电压，u2为向主电路补偿的电压。本方案采用了有电压、电流相位检测的非互补控制方式。图3为在RL负载下，这种非互补的斩波开关和续流开关门极驱动信号的时序配合及一个电源周期中输出电压的理想波形。
由图3可见根据负载电压电流相位，一个电源工作周期可分为4个区间.
上述工作状态，可用逻辑表达式表示为：
为保证电源满足负载特性的要求及运行可靠性,本方案采用了图4所示的控制电路结构。
3 补偿稳压原理及控制
图5示出补偿稳压电路。
图5中电网电压u，补偿电压uc，输出电压uo均为工频。当u与uc相位差?=0°时，uo=u＋uc；当?=180°时，uo=u－uc。因此，当电网电压u变化时调节uc的大小以及与u的相对极性即可保证uo的恒定。
u与uc相对极性变换的控制如图6所示。其输出uQ接双向晶闸管的过零触发电路。采样信号取自uo经整流滤波后的输出。电位器Rp用于调节输入信号的门槛电压，其传输特性如图6（b）所示。
4 结语
PWM交流斩控技术用于交流稳压，显著地提高了交流稳压电源的技术性能，其主要特点是：
1）可采用全固态器件，真正做到了无触点、无抽头，因而可靠性高、工作寿命长；
2）平滑调节，输出无级差，对电网及用户无冲击，不产生低频次谐波干扰；
3）输出精度高，实际精度可达到±0.5％，即便在正补偿与负补偿变换瞬间，输出电压波动也不超过额定电压的1％；
4）动态响应速度快，可达ms级；
开关稳压电源范文5
我们知道，常见的卫视接收机普遍采用的是开关电源，其设计输出的电压一般有以下几组：
a. 3.3V@3A (供主芯片、SDRAM及FLASH MEMORY等)
b. 5V@1.5A(供TUNER、前面板及音频DAC等)
c. 12V@0.5A(供音频LPF运放及0/12V切换输出等)
d. 21V@0.5A(供LNB 13/18V切换输出)
e. 30V@0.01A(TUNER容变二极管调谐)
(注：少部分机型有-12V电源，供音频LPF运放。在有PVR功能的接收机中，5V/12V电源需供硬盘电源)。
虽然我们可以使用常见的逆变器将12V或24V直流电源变换成220V交流电源供给接收机使用，但电源经DCACDC多次转换，其能源利用效率大为降低。而且很多低价格逆变器的输出交流波形并不是正弦波。更有甚者，有的逆变器就直接用方波激励逆变器逆变管，使输出的交流中包含有大量的高次谐波。这种高次谐波会干扰其它电器，同时影响卫视接收机的音视频放送质量，严重的甚至会干扰卫视接收机，造成死机等故障发生。同时，沉重、落后的逆变器不便携带。
当然我们可以用线性三端稳压器件来满足接收机所需要的几组电源，但线性稳压电源有一个共同的特点，就是它的功率器件调整管工作在线性区，靠调整管的电压降来稳定输出。这种线性稳压电源的线性调整工作方式在工作中会有大量的“热损失”，其热损值为P=V(调整管压降)×I(负载电流)，工作效率仅为30%～50%。由于调整管静态功率损耗大，需要安装一个很大的散热器给它散热。卫视接收机系统一般都需要几组稳定的工作电压才能可靠工作，这样就需要好几个线性稳压器才能满足要求，并且在相当多的接收机中都需要有33V电源供Tuner作为调谐电压，因此采用线性稳压电源方式时，其输入电源电压就要大于33V。同时线性电源较低的效率也会使大量的输入电能变成热能而白白消耗掉，在实用性和经济性上都不能达到朋友的要求，而且高达30多伏的输入电源在户外环境或移动情况下难以实现。
开关型直流稳压电源是与线性稳压电源不同的另一类稳压电源，它和线性电源的根本区别在于它是工作在几十千赫兹到几兆赫兹。功率器件调整管是工作在饱和及截止区，即开关状态，开关电源因此而得名。开关电源调节器件以完全导通或关断的方式工作，工作时要么是大电流流过低导通电压降的开关管，要么是完全截止无电流流过，因此，开关稳压电源的功耗极低，其平均工作效率可达70%～90%。在相同电压降的条件下，开关电源调节器件与线性稳压器件相比具有少得多的“热损失”，这样，开关稳压电源就可以大大减少散热片体积和PCB板的面积，在大多数情况下甚至不需要加装散热片。此外，由于开关稳压电源“热损失”的减少，设计时还可以提高稳压电源的输入电压，使其可以在较大的输入电压范围内正常工作，这有助于提高抗输入电压跌落干扰的能力和可以适应更多的输入电源种类。
较高的输出电压纹波（一般大于30mV）是开关稳压电源不可回避的问题，在一些对电源纹波电压有特殊要求的场合（如MCU内部PLL、Tuner内的高精度A/D转换器等），常采用线性稳压电源来降低稳压电源输出的纹波电压。因此，采用开关稳压电源与线性稳压电源相结合的形式为有特殊要求的器件供电提供了一种更好的方法。线性稳压芯片是一种最简单的电源转换芯片，基本上不需要元件。传统的线性稳压器，如78xx系列都要求输入电压要比输出电压高2V-3V以上，否则不能正常工作，5V到3.3V的电压差只有1.7V，所以78xx系列已经不能满足3.3V或2.5V的电源设计要求。 面对这类需求，许多电源芯片公司推出了Low Dropout Regulator,即：低压差线形稳压器，简称LDO。这种电源芯片的压差只有1.3-0.2伏，可以实现5V转3.3V/2.5V，3.3V转2.5V/1.8V等要求。同时，较低的稳压压降，可维持较低的LDO自身功耗。
设计构思与工作原理
在对线性稳压集成电路与开关稳压集成电路的应用特性进行比较的基础上，我们的选择设计了DC/DC开关稳压和LDO的组合电源。它是由AC/DC电源适配器或直流电池组提供一个直流输入电压，经DC/DC及LDO变换以后在输出端获得接收机所需的几组直流电压。我们只要将卫视接收机内的开关电源板替换成这种组合电源，就可以在移动环境下实现接收卫视信号的目的。
由前述的接收机几组电源参数可知，卫视接收机主要的功率消耗在3.3V和5V两组电源上。笔者设计了这款12V电压输入的卫视接收机电源板，其电原理图见图一。
电源板基本技术参数：
输入电压 ：DC 9V～19V（推荐电压：DC12V）
输出电压：
1.8V(或2.8V可选)/Max1000mA 一路
3.3V/ Max 3200mA 二路
5.0V/ Max 2500mA 二路
12V/ Max 500mA一路
21V/ Max 500mA一路
33V/ Max 20mA 一路
在这款电源设计中使用了两类稳压电源器件：LDO (低压差稳压器)和DC/DC开关式降压器(升压器)。DC/DC开关式降(升)压器：转换效率最高可达95%，属于开关电源的一类。对于LDO，由于其为线性降压元件，故供电效率完全取决于其输入/输出电压差和输出电流的大小。
LM2596开关电压调节器是电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。固定输出版本有3.3V、5V、12V， 可调版本可以输出小于40V的各种电压。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需4个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了LM2596的使用，极大地简化了开关电源电路的设计，我们选用固定型LM2596-5。
LM2585开关电压调节器是升压单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性，开关频率100 KHz。有4 种不同的输出电压版本：固定3.3V/ 5.0V/12V 和可调整型。我们选用可调整型LM2585-ADJ。
LT1117是三端的LDO器件，能够输出0.8A的驱动电流，有4 种不同的输出电压版本：固定3.3V/ 2.5V/1.8V 和可调整型。我们选用固定型LT1117-3.3及LT1117-2.5(1.8)。
12V直流电压输入的卫视接收机用的电源板工作原理：
12V电源电压送入由U1(LM2596-5)构成的DC-DC开关式降压器输出+5V；同时LM2596的开关脉冲进入由D1、D2和D14三个双二极管构成的倍压整流电路升至约40V直流电压经齐纳稳压管D4稳压输出+33V供Tuner调谐变容二极器作调谐电压；另一路12V进入由U2(LM2585-Adj)构成的DC-DC升压开关稳压器输出+21V供接收机LNB 13/18V极化切换；+3.3V由U1(LM2596-5)输出的+5V经U3(LT1117-3.3) LDO降压取得。在有些卫视接收机中还需+2.5V(或+1.8V)供CPU，在设计中增加了另一路LDO降压，装上U4(LT-1117-2.5/LT1117-1.8)可输出+2.5V(或1.8V)，对于不需要+2.5V(或1.8V)的接收机，可不装U4 LDO及其滤波感容元件。
关键的元器件选择：
电路中的输入电容C7、C21一般应大于或等于100μF，安装时要求尽量靠近LM2596或LM2585的输入引脚，其耐压值应与最大输入电压值相匹配。LM2596输出端电容C12的值取470uF；LM2585输出端电容C24一般应大于或等于220uF； 输出电容C12、C24的耐压值应大于额定输出电压的1.5～2倍。对于5V电压输出而言，推荐使用耐压值大于16V的电容器。同时输出电容的ESR会影响到调整器控制回路的稳定性，所以电容的ESR是影响输出波纹的一个因素，绝大多数小电容有较高的ESR，导致高的开关波纹，最好选用OS-CON高频电容。
L3的取值为：47uH，L6的取值为：82uH。储能电感是影响DC-DC转换器性能的关键器件，主要考虑的参数有电感量、饱和电流和直流电阻以及铁氧体材料磁芯的开关工作频率，在体积和成本允许的情况下应选用饱和电流比较大的电感，因为当磁芯接近饱和时损耗增大，会降低转换效率。电感的饱和电流至少应大于负载的峰值电流，电感的直流电阻会消耗一定的功率，在体积和成本许可的情况下应尽量选用直流电阻小的电感。另外，为降低电源的EMI，最好选用具有闭合磁芯的电感。
二极管VD3的额定电流值应大于最大负载电流的1.2倍，考虑到负载短路的情况，二极管的额定电流值应大于LM2596的最大电流限制，二极管的反向电压应大于最大输入电压的1.25倍，推荐使用1N582x系列的肖特基二极管。二极管D5的额定电流值也应大于最大负载电流的1.2倍，反向电压应大于最大输入电压的4倍。
U2的采样电阻R3、R4和R5应使用1%精度的电阻，它们的值与输出电压有以下关系：
VOUT = VREF〔 1 +（R4+R5）/R3〕
其中VOUT是输出电压、VREF是参考电压(VREF =1.23V)
图二为该电源板的双面PCB板，图三为安装好的成品电源板，图四为配套的220V/12V电源适配器。
这款电源板采用了双面印刷电路设计，其PCB板尺寸仅为：9.6cm×7.4cm，小容量阻容元件选用贴片元件，电解电容一律使用耐高温为105°C的，功率电感采用闭合磁芯的电感，防反插大功率专用电源插座。整个电源板装好后一般不需调试，检测输出电压正常后即可上机使用。
应用实例及性能测试
了解了这块电源板的设计特点和原理后，我们再来看看它的各种性能和测试结果。
A：海克威2000H接收机应用实例及性能测试
海克威2000H接收机后面板的标贴处实际是一个为安装12V控制的方形冲孔，用环氧敷铜板在此处打孔并固定，把电源板12V输入插座焊下对孔固定。图五是直流12V输入插座安装实体图（左为揭开标签后的后面板，中为插头安装后示意图，右为插座固定示意图），“SKEW”孔正好安装一只3.5直插插座，将两插座并联，可以方便的使用其他类型插头电源的输入。
图六为电源板安装在海克威2000H接收机中的实体图。
安装完毕，检查连接无误后接通220V/12V适配器电源，与原机开关电源使用220V市电一样，熟悉的开机画面和启动过程无任何异样，其声画俱佳。
配用220V/12V电源适配器在机实验测试数据
测量仪表：DT890数字万用表（DC：10A档）
在接收机进入“增加节目”状态后，其电流值显示比在接收节目状态时均略下降5-10mA。
B：百胜P-3800接收机应用实例及性能测试
拆除原机开关电源板及AC220V电源线,在原AC220V电源线安装孔装上12V电源插座，主板各组电源与电源板一一对应相联，检查无误后通电，接收机启动正常。
注：本机改装了DAC及运放模拟音频部分电路，同时增加一电源模块，将原机模拟音频部分电路由单12V供电改成正负双12V供电。并拆除了TV RF调制器。外接12V供电电流有所增加。图七为在百胜P－3800接收机上的安装实体图。
配用220V/12V电源适配器在机实验测试数据
测量仪表：DT-8888数字万用表（20A档）
收视卫星：113°E帕拉帕C2，高频头：嘉顿（9750/10600MHz）
C：航科CDXT430接收机应用实例及性能测试
拆除原机开关电源板及AC220V电源插座。将电源板在原机开关电源板处安装，将主板各组电源与电源板一一对应相联，检查无误后通电。接收机启动正常。
图八：为在航料430接收机上的安装实体图。
航科430机接收系统：一个0.45米的碟形卫星接收天线一锅138°E、146°E双头双星，一个0.6米的碟形卫星接收天线一锅113°E帕拉帕C2、105.5°E 3S(Ku)双头双星至一22K中频切换开关，上述各星信号馈线接至DiSEqC四切一中频开关再接至航科430卫视接收机。航科430系统软件第一系统：中文南瓜，第二系统：英文V+V。其中138°E数码天空、113°E真世界两直播平台使用CV12网络共享解密系统，146°E马步海梦幻直播平台使用ATMEGA8芯片黑色D卡解密。
配用220V/12V电源适配器在机实验测试数据
测量仪表：DT-8888数字万用表（20A档）
D：应用镍氢可充电池作电源供应的实验
采用市场上常见到的镍氢电池，作为直流电源，看看它的表现如何！
图九为邮购价3元一只的5号镍氢电池。电池容量标注1600mAH，标称电压1.2V。
10节镍氢电池经过20小时的首次充电后，串联后测空载电压为14V，接入已安装在海克威2000H接收机的12V电源板的电源输入端。
测量仪表：MF47万用表（DC：50V档）、DT890数字万用表（DC 10A档）。
环境温度：18°C
10节镍氢电池组在连续工作1小时10分钟后，电压跌落加快，在跌落到5V时接收机停止工作，在电池组电压跌落到5V的过程中，接收机始终稳定在选定的凤凰咨询台直至停止工作，未发生节目偏移现象。
再次对镍氢电池充电，充满放置4个小时后，采取间断供电的方式，每供电20分钟停止10分钟，然后重复此过程，在电池组电压跌落到10V时停止供电（此时为电池放电的保护截至电压），累计实际供电时间为1小时20分钟（编者注：为了增加供电时间，可选择较大AH的电池)。
E：输入电压的变化对输出稳压性能影响的测试
在海克威2000H接收机上，以12V电源板的最高输出电压32V为例，用MF47型万用表观察其输出电压相应的跌落变化。在充电电池组电压逐步下降的过程中，从开始的最高值逐渐跌落到10V时，其电源板输出的32V电压保持不变，电池组电压跌落到9.5V时，32V电压跌落到31V，在电池组电压跌落到7.6V时，32V电压跌落到25V，在电池组电压跌落到5V以下时，32V电压随之迅速跌落，整个电源板停止工作。
在上述实验中，本电源板的各电压转换集成电路在没有另加散热器的情况下只有温热感，温度最高的是LM2596稳压块，估计表面温度低于60°C。
注：虽然本电源板的输入电压设计适应范围为：DC 9～19V，但在用高于12V的直流输入电源时请务必注意：
1、查看接收机原电源板输出的12V电压是否是只提供给接收机的音频低放部分，并且音频低放单元的最高承受电压要大于本电源板的输入电压！
2、如果第一项是肯定的，将接收机主板中原12V电源通路的滤波电容全部更换为等于或高于25V耐压值的电容！
3、如果接收机原电源板输出的12V电压同时还供给其它电路，应检查相应的单元电路最高耐受电压是否高于本电源板的输入电压，并且确定在此电压下是否能可靠和正常工作。
4、选用其他直流输入电源时，要注意其空载时的输出电压是否符合上述要求！
F：220V/12V电源适配器输出电压测试数据
测量仪表：：MF47万用表（DC：50V档），DT890数字表（DC：10A档）
G：12V输入电源的接收机用电源板转换效率的测试
使用海克威2000H接收机，在相同的收视参数条件下，分别测试12V电源板的输入电压、电流以及其输出的各路电压、电流。
测量仪表：DT9205M数字万用表。测试数据如下表：
其工作效率η=输出总功率Pout/输入总功率Pin=0.701
结论
开关稳压电源范文6
关键词 交流电 负载平衡效益
一、三相交流电源负载不平衡引发的问题
随着我校计算机数量的增加和显示屏尺寸的加大，以及计算机设备对电源质量要求较高的情况下，原有的三相交流50KVA的两台DJDW稳压电源设备经常出现前端开关烧毁和断电等现象。经过多次调查发现，是由于当时室内计算机是利用原来墙壁上的电源供电，就使得三相交流稳压电源不能不出现在某相有超载或轻载现象，使三相交流稳压供电不平衡，使三相交流稳压电源系统供电工作极不稳定。严重影响了正常教学秩序的进行。
二、通过三相负载平衡，提高三相交流稳压电源的功效
为有效解决我校计算机房三相交流稳压电源严重不平衡的问题，让我校计算机房三相交流稳压电源充分发挥出应有的效率，为了有效的节约资金，根据供电负载平衡原理，其运用解决方式如下：三相四线制可输送两种电压：一种是端线与端线之间的电压叫线电压，另一种是端线与中线之间的电压叫相电压。三相负载做星形连接，在对称三相电压作用下，流过对称三相负载中每相负载的电流相等。流过中线的电流为零。
由基尔霍夫定律得知：中线电流in＝i1＋i2＋i3 对应的矢量式IN＝I1＋I2＋I3可知三相对称负载星形连接时的中线电流为零。那么在三相交流电路中，三相负载消耗的总电功率为各相负载消耗功率之和：
所以在此三相交流电路中，只要三相负载对称，平衡供电，每相都可以提供给75A额定电流。每台计算机额定电流是1.4A，但实际测量17寸显示器计算机工作电流在0.8A—1A之间，那么每相稳压单相电源可带75—93台电脑。每台50KVA的三相交流稳压电源，如在三相负载平衡的情况下，带240台电脑符合用电要求，这样提高功率1／4倍。应该说按三相负载平衡情况下带270台电脑也没问题，那就是提高功率1／3倍。我将两台稳压电源所带动的机房都进行了线路平衡改造，由原来的只能带6个微机室360台电脑增加到带8个微机室480台电脑。既保障了教学秩序的正常进行，又为学校节约了资金。不仅使480台计算机的电源得到有效的保证，并且还留有40台计算机电源使用余量，做为用电安全保护系数。
三、改造电源供电平衡电路
如何改造我根据三相负载平衡原理，并对照以前供电情况提出了新的供电方案，新的电路改造方案。当时有6个计算机室，大的计算机室103台电脑，小的计算机室38台计算机，计算机室用三相交流稳压电源按三相负载平衡原理供电，再根据计算机室的特点，为其设计电路。以103台计算机为例，每个计算机室有一台服务器和一台教师用计算机在前排面对着学生。学生计算机横有13排，每排8台计算机，竖排4排，（横13×8＝104）靠墙两侧各一排（2台计算机）每侧26台计算机，中间两竖排并在一起（4台计算机）中间共有52台计算机，总共为106台计算机。考虑到教师用计算机和服务器的应用特点，单独用开关控制，每个插排供两台计算机用电（每个插排由四个三孔插座组成）。每个计算机房电源控制箱靠北墙（每个计算机房电源控制箱的电源是由2台DJDW 50KVA三相交流稳压电源组成的稳压电源室提供），室内电源控制箱是由1个三相空气断路器作为室内计算机总电源控制开关，A、B、C、三相室内计算机供电线路分别由3个单相空气断路器分别实施控制。I路由A相空气断路器控制供电，Ⅱ路由B相空气断路器控制供电，Ⅲ路由C相空气断路器控制供电。
通过改造使原来的两台DJDW三相交流50KVA稳压电源仅供360台计算机，还会经常出现提供电源断电故障，后经供电线路平衡改造后，增加到480台电脑。照原来设备增加容量1／4倍。还留有增加设备负载的余量，作为安全系数，还能确保安全。这些说明什么，说明利用一些原理和技术的应用就能发挥一些设备的自身的能量，使其发挥最大效率，达到节约资金的目的和效果。
从以上的线路改造和实际应用，应该说其实际的功率提高是远远超过这些，因为计算机机型的换代，显示器300台由原来的15英寸，全部更换为17英寸，每台计算机实际工作电流大约增加0. 1A—0.2A，实际工作电流无形中其电流增加了。可以发现改造后的两台DJDW50KVA的三相交流稳压电源供电的平衡电路，增加的容量可以说远远不止1／4倍。在我校计算机房中的480台计算机全部采用17英寸显示器的情况下，完全经住了考验。可以说不但节约了近5万元的资金，也使供电线路更加流畅，确保了正常的教学秩序的需要。达到了充分利用设备让设备发挥最大的效率、实现节约资金的目的、应该说利用三相负载平衡原理的效果是显著的。
参考文献：
