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开关电源的设计与原理范文1
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开关电源的设计与原理范文2
关键字： 开关电源； 模糊PID控制； DSP； 电源控制算法
中图分类号： TN79?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）21?0149?03
Design and control algorithm of switching power supply with DSP digital control
ZHANG Guo?long， ZHENG Chen?yao
（Detachment 93， Unit 91388 of PLA， Zhanjiang 524022， China）
Abstract： A technology of DSP digital processing combined with fuzzy PID control is proposed in this paper， and ?an intelligent switching power with fast response and high efficiency was designed to make the switching power supply be small， intelligent， etc. Through the cooperation of the external EMI filtering circuit， optical isolation and protection circuit， the power grid pollution caused by switching power supply was solved， this switching power supply which may be damaged by temperature and other uncertain factors was protected. This control algorithm of switching power supply is advanced， its design is reasonable and it has strong reference value for engineering application.
Keywords： switching power supply； fuzzy PID control； DSP； power supply control algorithm
近年来，随着电力电子技术高速发展，开关电源得到广泛应用，普通模拟开关电源逐渐显示出其不足之处：采用模拟器件会导致元器件比较多，分散性大，稳定性差；设计缺乏灵活性，不便于修改，调试不方便，控制不灵活，无法实现复杂的控制算法。为设计出更精确、响应速度更快、效率更高、体积更小的开关电源，开关电源设计人员采用数字化电路与开关电源相结合来设计数字化开关电源。以DSP系统为基础的开关电源电路简单，结构紧凑，性能卓越，功能齐全。DSP系统具有较高的计算与控制能力，利用DSP进行A/D转换后进行运算，可以有效抑制或消除各个功能模块间相互干扰，提高开关电源输出电压的稳定性和精度。本文将重点分析和讨论利用DSP系统设计开关电源的实现方法和控制算法。
1 基于DSP控制的实现方法
DSP系统已广泛应用于开关电源控制电路，是开关电源的控制核心电路，可以有效利用DSP系统的高速性、可编程性、可靠性等特点，结合相应算法实现特定功能，可为开关电源输出质量好、频率和幅值可以任意改变的控制信号。图1为采用DSP系统的控制电路开关变频电源基本控制硬件框图。
图1 开关变频电源基本控制硬件框图
开关电源采用高频SPWM技术和普通电压逆变电路，DSP系统与IGBT功率模块构成全数字控制电路。输出的电压和电感电流经过网络转换成DSP所需要的电平，连接至DSP的A/D单元进行模数变换；控制输入单元输入需要的电压值及频率值，从而得到逆变电路的基准电压。
DSP系统经过特点算法进行相关计算后会产生一定死区的控制信号。由于输出的数字PWM控制信号不足以驱动IGBT开关管，需要经过驱动电路对开关管进行驱动。DSP芯片具有较高的采样速度和运算速度，可以快速地进行各种复杂的运算对电源进行控制，可以实现较高的动态性能和稳压精度。为了有效保护开关电源器件，防止出现过压、欠压、过载等情况，系统专门设计了保护电路，一旦出现故障，DSP控制系统封锁PWM脉冲控制信号，切断开关电源电压输出。
2 开关电源基本控制算法
2.1 PID控制
开关电源的数字化控制需要进行一定的控制算法来产生控制信号，实现控制规律。数字开关电源控制最初是借鉴模拟控制原理，通过数字化实现模拟控制信号。PID算法在数字控制中应用比较广泛，它具有原理简单、易于实现、适用面广、控制参数相互独立、参数的选定比较简单等优点。
PID控制是应用最广泛的控制规律。图2为常规PID控制原理图，系统由PID控制器与被控对象组成。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值[r（t）]与实际输出值[y（t）]构成的控制偏差[e（t）]来计算：
[e（t）=r（t）-y（t）] （1）
将偏差的比例[P、]积分[I]和微分[D]通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。其控制规律为：
[u（t）=KPe（t）+1TI0te（t）+TDde（t）dt] （2）
或写成传递函数的形式：
[G（s）=U（s）E（s）=KP1+1TIS+TDS] （3）
式中：[Kp]为比例系数；[TI]为积分时间常数；[TD]为微分时间常数。
图2 PID控制框图
数字PID控制是一种采样控制，它只能根据采用时刻的偏差值计算控制量。因此，连续域PID控制算法不能直接使用，需要采用离散化方法。数字PID控制算法又分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法，还有一些微分先行法和带死区的PID控制算法等。
2.2 模糊PID控制算法
目前，开关电源的各种应用场合对电源的动态性能提出了越来越高的要求，其中电压超调与恢复时间是重要指标。负载的变化或者输入电压的变化引起输出电压变化，而输出电压值取决于滤波器和控制策略。由于开关变换器为一个时变、非线性系统，无法建立精确的数字模型。而模糊PID控制算法的优点在于不需要建立准确的变换器数字模型，非常适合DC?DC变换器的强非线性。自适应的模糊控制可以保证控制系统的信号稳定性。
模糊控制器是以误差量化因子[e]和误差变化率量化因子[ec]作为输入，利用模糊控制规律自整定找出PID控制器三参数[KP，][KI，][KD]与和之间的模糊关系。模糊PID控制原理框图如图3所示。
图3 模糊控制原理框图
取[e]和[ec]为输入语言变量，每个语言变量取“大、中、小”三个词汇来描述输入输出变量的状态。模糊推理的模糊规则一般形式为：
If [e=Ai]and [ec=Bj]then[Δu=Ci]
其中[Ai，][Bj，][Ci]为其理论上的语言值。
上述规则可以用一个模糊关系矩阵来描述：
[R=i，jAi×Bj×Ci]
根据各模糊子集的隶属度幅值表和各参数模糊控制规则，应用模糊合成推理设计PID参数的模糊矩阵得到[KP，][KI，][KD]参数调整算式如下：
[KP=K′P+ei，ecj×KuP]
[KI=K′I+ei，ecj×KuI] （4）
[KD=K′D+ei，ecj×KuD]
式中：[KP，][KI，][KD]是PID控制参数，[{e，ec}]是误差[e]和误差变化率[ec]对应控制表中的值，它需要查控制表得到。[KuP，][KuI，][KuD]作为修正系统，在控制过程中，控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理、查表和运算，完成PID参数的在线自校正。
3 系统硬件及关键点设计
3.1 硬件主体
本文设计的开关电源主要是将开关电源优良特性和DSP系统精细化控制相结合。开关电源采用反激式拓扑结构，包括EMI滤波电路、整流/直流平波电路、控制器、信号采样、PWM驱动、键盘及显示部件组成，力求使开关电源具有高效低耗、便携化、负载输出稳定、电路保护可靠、电网宽电压输入、电网污染小等特点。图4为硬件系统主体设计示意图。
图4 系统主体设计示意图
3.2 输出电压检测隔离设计
开关电源输出电压检测过程中对控制电路的隔离保护是非常必要的，这样不仅可以实现控制电路的安全工作，而且避免了将输出电路的噪声引入控制电路中。电压检测电路与控制电路隔离保护采用光耦合器进行隔离，它由发光二极管LED、输出光电二极管PD组成。光耦合器在开关电源的主振回路与输出采样之间进行电气隔离，并为电源稳压控制电路提供信号通路。
3.3 EMI滤波器设计
开关电源在正常工作时会产生传导噪声和辐射噪声，毫无疑问噪声主要产生于电源开关过程。开关过程中包含了最大的功率以及最大的电压变化率dV/dt，同时也包括了最高频率成分。噪声的存在将污染电力线路，影响周围精密电子仪器的运行，比如设计滤波器。EMI滤波器是一种由电感、电容组成的低通滤波器，它允许直流或者工频信号通过，对频率较高的其他信号有较大的衰减作用。图5为EMI滤波模型，滤波器的基本结构就是一个分离的二阶LC滤波器，其取值原则就是在最小的体积下可以获得期望的抑制效果。在滤波器模型中还有一个额外的高频LC滤波器；高频滤波器当寄生参数使得前面的LC滤波器性能变差时，用来抑制这些高频噪声。
图5 EMI滤波器模型
3.4 高温保护电路
开关电源在设计中由于转换效率不同，将部分能量以热量辐射。温度升高将影响系统正常工作甚至产生人身危险，为了保证系统安全，开关电源工作时温度需要实时监控。图6为温度采集电路部分电路图。当系统检测到温度过高时，控制模块立即关断开关电源输出，待系统温度达到工作温度范围后开始继续工作。
图6 温度采集电路
4 开关电源性能分析
本文采用反激式开关电源和模糊PID控制算法进行仿真。反激式开关电源的等效模型传递函数为：
[U（S）d（s）=K1s+K2B1s2+B2s+B3] （5）
式中：[K1，][K2，][B1，][B2，][B3]为系统比例系数，由开关电源电器元件参数决定。
模糊PID控制器由系统误差[e]和误差变化率[ec]为输入，通过不同时刻的[e]和[ec]值，利用模糊控制规则在线对PID控制器参数[KP，][KI，][KD]参数进行修改。模糊PID控制系统组成如图7，图8所示，阶跃响应曲线如图9所示。
图7 模糊控制PID控制系统组成
图8 误差[e]和误差变化率[ec]的隶属函数
本设计开关电源把DSP完美融入到开关电源设计中，充分利用了DSP系统快速运算能力，采用模糊控制算法使开关电源控制智能化，电源快速达到稳定输出，提高了抗负载扰动能力。
图9 系统阶跃响应
5 结 论
本系统将DSP作为开关电源控制单元，应用模糊PID控制算法，使开关电源和DSP系统完美配合工作。利用了DSP快速处理能力特点产生开关电源PWM控制信号，对开关电源输出进行精确控制，提高了开关电源输出精度和转换效率，使开关电源控制实现智能化；能够按照负载情况进行实时修正，使电源达到快速稳定输出；同时利用DSP资源设计完成开关电源显控单元及保护模块，提高了开关电源操作性和安全性。
参考文献
[1] LENK R.实用开关电源设计[M].北京：人民邮电出版社，2006.
[2] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，1998.
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[4] 许邦建，唐涛.DSP处理器算法概论[M].北京：国防工业出版社，2012.
开关电源的设计与原理范文3
关键词：开关电源；反激式电路；高频变压器
引言
开关电源是综合现代电力电子、自动控制、电力变换等技术，通过控制开关管开通和关断的时间比率，来获得稳定输出电压的一种电源，因其具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点，在现代电力电子设备中得到广泛应用，代表着当今稳压电源的发展方向，已成为稳压电源的主导产品。文章设计了一种基于TOP-Switch系列芯片的小功率多路输出DC/DC的反激式开关电源。
1 电源设计要求
文章设计的开关电源将用于轨道车辆电动门控制系统中，最大的功率为12W，分四路输出，具体设计参数如下：（1）输入电压Vin=110V；（2）开关频率fs=132kHz；（3）效率η=80%；（4）输出电压/电流 48V/0.2A，15V/0.02A-15V/0.02A，5V/0.3A；（5）输出功率12W；（6）电压精度1%；（7）纹波率1%。（8）负载调整率±3%，电源最小输入电压为Vimin=77V，最大输入电压为Vimax=138V。考虑到设计要满足结构简单，可靠性高，经济性及电磁兼容性等要求，结合本设计输出功率小的特点，最终选用了单端反激式开关电源，它具有结构简单，所需元器件少，可靠性高，驱动电路简单的特点，适合多路输出场合。
2 单端反激式开关电源的基本原理
单端反激式开关电源由功率MOS管，高频变压器，无源钳位RCD电路及输出整流电路组成。其工作原理是当开关管Q被PWM脉冲激励而导通时，输入电压就加在高频变压器的初级绕组N1上，由于变压器次级整流二极管D1反接，次级绕组N2没有电流流过；当开关管关断时，次级绕组上的电压极性是上正下负，整流二极管正偏导通，开关管导通期间储存在变压器中的能量便通过整流二极管向输出负载释放。反激变压器在开关管导通期间只存能量，在截止期间才向负载传递能量，因为能量是单方向传导，所以称为单端变化器[1]。
图1 单端反激式开关电源的原理图
3 TOP-Switch系列芯片的介绍及选型
TOP-Swtich单片开关电源是开关电源专用集成电路，它将脉宽调制电路与高压MOSFET开关管及驱动电路等集成在一起，具备完善的保护功能。使用该芯片设计的小功率开关电源，可大大减少电路，降低成本，提高可靠性[4]。
对于芯片的选择主要考虑输入电压和功率，由设计要求可知，输入电压为宽范围输入，输出功率不大于12W，故选择TOP264VG。
4 电路设计
本设计开关电源的总体设计方案如图2所示。
4.1 主电路设计
4.1.1 变压器设计
变压器的设计是整个电源设计最重要的部分，它的设计好坏直接影响到整个电源性能。
（1）磁芯和骨架的确定
由参考文献[1]可查出，当P0=12W时可供选择的铁氧体磁芯型号，由于采用包线绕制，而且EE型铁芯廉价，磁损耗小且适用性强，故选择EEL19。从厂家提供的磁芯产品手册中可以查到磁芯有效截面积Ae=0.23cm2，磁路有效长度Le=3.94cm2，磁芯等效电感AL=1250Nh/T2
（2）确定最大占空比
（式中VOR为初级感应电压，VDS为开关管漏源导通电压，其中VOR=135V，VDS=10V）
（3）初级波形参数计算
初级波形的参数主要包括输入电流平均值IAGV、初级峰值电流IP
输入电流平均值
初级峰值电流
（其中KRP为初级纹波电流IR与初级峰值电流IP的比值，当反激式开关电源工作在不连续状态时取KRP=1）
（4）确定初级绕组电感
（5）计算各绕组的匝数
初级绕组的匝数 实取33匝
次级为5v输出的绕组定义为NS=4turn
对于±15V输出 实取12匝
对于48V输出 实取36匝
对于偏置绕组 实取10匝
4.1.2 无源钳位电路的设计
反激式开关电源，每当功率MOSFET由导通变为截止时，在开关电源的一次绕组上就会产生尖峰电压和感应电压，和直流高压一起叠加在MOSFET上，漏极电压
这就要求功率MOSFET至少能承受450V的高压，并且要求钳位电路吸收尖峰电压来保护功率MOSFET。本电源的钳位电路由稳压管和二极管D1组成，其中VR1为瞬态电压抑制器P6KE200，D1为快恢复二极管IN4936，当MOSFET导通时，原边绕组电压上正下负，使D1截止，钳位电路不起作用；当MOSFET截止瞬间，原边绕组电压上负下正，使得D1导通，电压被钳位在200V左右。
4.1.3 输出环节的设计
以+5V输出为例，次级绕组高频电压经肖特基二极管SB120整流后，用超低的ESR滤波，为了得到获得更小的纹波电压，在设计时又加入了次级LC滤波器，实验表明，输出的电压更符合期望值。
4.2 反馈环节的设计
反馈回路主要由PC817和TL431组成，这里用的TL431型可调式精密并联稳压器来代替普通的稳压管，构成外部误差放大器，进而对输出电压作精密调整，当输出电压发生波动时，经过电阻R13、R14分压后得到取样电压与TL431中的2.5V的基准电压进行比较，在阴极K上形成误差电压，使光耦合器中的LED工作电流产生相应变化，再通过光耦合器去改变单片开关电源的控制端电流，进而调节输出占空比，使输出电压维持不变，达到稳压目的。
5 结束语
文章设计的开关电源具有结构简单，所需元器件少，体积小，成本低的特点，并且满足所有设计要求，在轨道车辆电动门控制系统中有很好的应用前景。
参考文献
[1]杨立杰.多路输出单端反激式开关电源的设计[J].现代电子技术，2007.
[2]沙占友.开关电源实用技术[M].北京：中国电力出版社，2011.
开关电源的设计与原理范文4
关键词：开关电源 维护检修 故障处理
中图分类号：TN838 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）09-0105-01
稳定可靠，安全的动力保障是数字化全固态调频发射机安全播出的先决条件，新型的开关电源与传统的电源相比，体积小而且工作稳定，电路损耗小，其多输出电压轻松的解决了模块和控制单元输入电压不同的难题。且由于大规模集成电路的运用和屏蔽设置很好的解决了发射机房设备之间的电磁干扰。鉴于以上优点，权衡发射机整体效率，电源的可靠性和日常值机中维护等问题，开关电源无疑是目前固态调频广播发射机电源的最佳选择。它与功率放大器集成装配运行。采用高度集成的滤波阻抗元件运用，使其重量体积有了很大的改变。包括功率开关管和多种电路拓扑组合等新器件，新技术的应用，提高电源系统效率。发射机电源内设的电磁干扰滤波电路和相关高尖峰脉冲吸收电路是电源的电流谐波符合要求的重要保证，它不但可以改善电源对电网的负载特性，减少给电网带来严重的污染，也减少对其它网络设备的谐波干扰。
1 开关电源原理
调频发射机使用的开关电源电路主要由电源滤波电路、高压整流滤波电路、功率变换电路、低压整流滤波电路、PWM电路、保护电路、检测比较放大电路、辅助电源等组成，通过以一定频率连续地控制功率开关管进行通断操作，从而以便可以通过能量储存元件向变换器或负载提供电量的电源形式。只要通过改变占空比、开关频率或相关相位，平均输出电压或电流便可得到控制。开关电源的开关频率范围很大。对于电源功率大于90W的工作场合，开关电源通常采取两级变换方式，即功率因数校正（PFC）控制变换器和DC/DC变换器。该电路是将整流过来的直流电压变换为可调的高频矩形波电压，这是开关电源的核心部分。特别是功率因数校正电路，它是为了保证输入电压和电流同相工作而设置的。其结果是功率因数接近1，视在功率全部转换为有功功率，因而系统效率得到了改善。如果没有PFC校正电路，输入电流会以窄脉宽高峰值脉冲形式输入开关电源引起严重的谐波干扰成分。这些谐波组分不仅没有向负载提供任何能量，而且还引起变压器和其它设备发热。功率因数校正电路分为有源和无源两种类型。调频广播发射机的开关电源大都采用有源功率因数校正电路，它是由具有有源功率因数校正的AC/DC变换器和独立DC/DC变换器两大部分组成。AC/DC变换器主要包括：EMI滤波器、慢启动电路、桥式整流、PFC控制器、功率驱动电路及变换器电路。
AC输入经过EMI滤波电路滤除差摸和共摸电磁干扰信号后，输入至慢启动电路，再经延时后全压加到桥式整流电路，输出的直流电压提供给功率场效应管MOSFET的漏极。PFC控制器是由8引脚的LT1249功率因数控制芯片和较少的元件所构成的电路。其第8引脚输出开关频率为100kHz的驱动信号，经驱动电路加到MOSFET功率开关管的栅极，MOSFET变换器开始以一定的占空比进行通断工作，并输出所需求的直流电压。功率驱动电路：其作用是把PWM调制电路输出的信号进行功率放大后，分别驱动MOSFET开关管开通或者关断，实现主电路和控制电路之间的电气隔离。驱动电路的结构和参数会对MODFET开关管的运行性能产生显著影响，如开关时间、开关损耗、短路电流保护能力等。当短路故障发生时，驱动电路会通过合理的栅极电压使保护电路动作，并发出故障信号到控制系统。
变换电路用于电流变换，把电流变换为线性直流电压信号，供测量电路使用，电路主要有一个副主变压器变压，经全波整流，线性电路板处理后，产生的直流电压提供给控制电路板从而与电压反馈信号进行比较放大，根据产生的差值，输出相应宽度的脉冲信号，以调整电源输出电压的大小。
2 日常应用中维护与检修
在发射机日常使用过程中开关电源也会出现多方面因素导致的故障。发射机房的环境因素、外电的波动，由于不熟悉设备造成的停播为防患于未然，在发射极日常维护中，为使开关电源能长期可靠连续运行，应做到以下几点：
（1）及时进行日常检查和定期保养，看有无噪音以及异常声响气味等。（2）看输出以及输入电压是否在正常范围内。（3）排风扇是否运行正常。（4）检查各处连接电路是否牢固。（5）每半年要对电源进行一次彻底的清扫，清理元件上面的积灰和浮尘。清理的时候，确保发射机关机并拔出电源的连接线，卸开开关电源盖板，有条件的话最好进行放电处理。用鼓风机对灰尘进行去除，若有顽固灰尘，可用棉纱蘸少量酒精进行擦拭。除尘完毕，注意元器件有无松动，及时修复。
开关电源的检修：全面了解内部电路的布局和结构是检修开关电源查找问题的先决条件，打开电源外壳，检查保险管是否熔断，清楚开关电源不同输出电压的用途。观察电源内部，看电容等元器件是否有破裂、漏液、电路板上是否烧焦痕迹等。
发射机机柜，功放外壳，电源外壳，面板都通过导体很好相连，最终连接到接地端地线敷设是最基本最简单的安全措施。发射机安装到位后，应将本机的接地端（位于发射机电源部分的底板上）弯角与机房地下铜排可靠地连接在一起，以避免由于漏电而发生停播甚至意外伤害事件。
3 结语
调频发射机开关电源功率一般比较大，工作温度高并且基本常年连续工作，容易发生故障。只有熟悉了开关电源的工作原理，加强日常维护把小的问题积极排除不留安全隐患，多积累经验才会在遇到问题时候快速有效地完成检修工作，为安全播出奠定良好基础。
参考文献
开关电源的设计与原理范文5
关键词 自激振荡；开关电源；分析
中图分类号TN86 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）44-0078-02
0 引言
目前，CRT彩色电视机中主要采用分立元件组成的自激振荡式并联型开关电源电路。由于其核心器件电源调整管工作在非线性状态，与串联稳压电源相比，具有体积小、重量轻、效率高、电压适应范围宽等显著优点，但是其工作原理复杂、维修困难，在实际教学过程中学生难以迅速掌握。本文介绍了以自激振荡过程为核心的分析方法，便于在教学过程中使学生熟悉其工作原理，具备快速检修开关电源的能力。
1 开关电源的工作原理
220V交流电直接经低频整流滤波后得到300V左右的直流电压，利用高频自激振荡电路将直流电转化为30kHz~60kHz的脉冲信号，再经储能变压器的能量转换送入高频整流滤波电路，经高频续流二极管整流后得到所需的多组直流电压输出。通过取样调整电路，改变高频脉冲的脉冲宽度或脉冲周期来稳定输出电压。
开关电源电路常分为低频整流滤波电路、自激振荡电路、稳压电路、保护电路和高频整流滤波电路等部分。其工作过程中的关键环节是产生高频脉冲，在将能量转化为高频脉冲时，开关管工作在饱和导通和截止状态，提高了能量利用效率；将能量转化为高频脉冲，可以通过改变占空比调节向输出端提供的能量，有利于适应电网电压大范围的波动；将能量转化为高频脉冲后，可以减小高频滤波电容容量，有利于缩小电源体积，减少电源重量。
2 自激振荡电路原理分析
自激振荡电路起振是自激式开关电源正常工作的必要条件，开关调整管和变压器初级绕组L1参与振荡过程。当开关调整管工作在饱和导通状态时，在变压器初级绕组L1上产生上正下负的感应电动势，次级绕组L2产生上负下正的感应电动势，初级绕组L1中的电流逐渐增大；当开关调整管截止时，变压器初级绕组L1上产生上负下正的感应电动势，次级绕组L2产生上正下负的感应电动势，续流二极管vD导通，向负载提供能量，并对电容C充电。当开关调整管再次导通，续流二极管vD截止时，由电容C向负载提供能量。
自激式电源电路中，常利用正反馈电路实现开关调整管的饱和导通和截止，使其集电极串接的初级绕组L1上不断产生上正下负或者上负下正的感应电动势，通过线圈的互感作用传递给次级绕组，从而将直流能量转化为高频脉冲，为负载端供电。同时，不少开关电源中稳压过程和保护过程的实现，是通过调整开关管的饱和导通时间实现的。因此，开关电源工作原理的分析应以自激振荡过程为核心。自激振荡电路通常由开关管发射结和开关变压器反馈绕组参与构成，因此在振荡回路的分析过程中应注意以下两点：
1）如果没有反馈电路的作用，开关调整管是可以保持导通状态而不会截止的；
2）有些电路整个自激振荡过程采用LC自激振荡电路形式，有的电路部分工作过程采用LC自激振荡电路形式，且常利用反馈绕组作为LC振荡电路中的振荡线圈。
3 稳压电路原理分析
输出电压从高频整流滤波电路得到，忽略二极管vD的正向压降，输出电压的计算公式如下：UO= Um×TON/T (其中Um脉冲峰值电压，TON为脉冲宽度，T为周期)。当输出电压发生变化时，改变脉冲宽度和改变脉冲周期都可以调节输出电压达到稳压目的，这两种输出电压的调整方式被称为调频式和调宽式。目前，自激式开关电源常采用改变脉冲宽度的方式，即通过改变电源调整管的饱和导通时间长短来稳定输出电压。
如图2所示，取样电路对稳压电源的主输出电压进行取样，取样电路分为电阻分压电路中利用电位器取样或利用电源变压器中的取样绕组取样，将输出电压的变化取样送入取样放大管的基极。基准稳压电路通常为稳压二极管，常接在取样放大管的发射极以稳定发射极电压。当输出电压发生变化时，取样放大管的导通程度发生改变，通过脉宽控制电路去微调电源调整管的饱和导通时间，可以达到稳定输出电压的目的。
需要注意电源调整管由饱和导通状态转入截止状态，主要通过减小基极电流IB后，利用正反馈作用不断减小集电极电流IC和基极电流IB来实现的，电源调整管的饱和导通时间主要是由自激振荡电路决定。但在有些开关电源电路中，自激振荡过程和稳压过程中都要对基极电流IB进行分流，但要注意自激振荡过程中的分流是为了使开关调整管进入截止状态，稳压过程中的分流是为了改变高频脉冲宽度进而实现稳压，一定要区分两者目的的不同。
4 保护电路原理分析
开关电源电路中的保护电路主要包括过压保护电路、过流保护电路和尖峰脉冲吸收电路，这些电路主要是为了保护电源调整管设计的，避免调整管集电极出现较大的冲击电压使其击穿，或者避免出现大电流烧毁开关管。自激式开关电源正常工作的重要条件是振荡电路的正常工作，若停振则电源不工作，所以各种保护电路也是针对着自激振荡电路而设计的。
1）过压保护。由于电网电压波动或负载原因使低频整流输出的直流电压突然升高时，图2中开关调整管V的集电极会受到电压冲击而损坏。保护电路的设计思路是破坏自激振荡的工作条件，通常在开关调整管V的基极和发射极之间接上压控晶体管，当直流电压突然升高时，将这种变化通过反馈绕组传递到压控晶体管上，使其迅速进入饱和导通状态，将开关调整管V的基极和发射极短接，迫使开关管停止自激振荡，开关电源不再有直流电压输出，从而避免过高输入电压对开关管的损害；
2）过流保护。由于开关调整管V处于饱和导通期间，基极有较大电流以维持其饱和导通状态。如果负载电流突然增加，则饱和导通时间会延长，所需的基极电流也会增大。开关调整管V中的基极电流和集电极电流的增加，会引起调整管烧毁。过流电路的设计思路是当基极电流增大时对其分流，通常利用开关调整管V的基极和发射极之间接上的压控晶体管，使其导通构成对开关管基极较大的分流，使开关调整管饱和导通的时间相应缩短，使集电极电流的增长不超过允许值，起到过流保护的作用；
3）尖峰脉冲吸收电路。开关调整管在饱和导通转向截止时，在高频整流二极管尚未导通的时刻，在图2初级绕组L1和次级绕组L2上保持较大的电磁能量，会使线圈L1上出现上负下正的感应电动势。由于分布电容和漏感的作用，容易产生自激振荡并出现较大的尖峰脉冲。为了避免尖峰脉冲击穿开关管，吸收电路的设计思路是消除尖峰脉冲，通常在初级绕组L上并接电阻和电容构成的阻尼电路，消除振荡从而保护开关调整管。
5 结论
由于自激振荡式开关稳压电源的体积小、重量轻、电网电压适应范围宽的优点，目前在彩色电视机和民用电子产品中应用较广泛。开关电源中的稳压电路和保护电路都是针对自激振荡电路原理设计的，自激振荡电路的正常工作是电源正常工作的充分条件，因此在教学和维修过程中，以自激振荡电路原理为核心进行分析，是理解整机工作原理和快速维修的关键。
参考文献
[1]姜夔.电视机原理与维修[M].高等教育出版社，2002.
[2]何祖锡.彩色电视机原理与维修[M].电子工业出版社，2008.
开关电源的设计与原理范文6
[关键词]开关电源 电磁干扰 抑制措施 改进措施
开关电源EMI（Electro magnetic Interference），就是通过用电子线路组成开关式（方波）震荡电路来达到对电能的转换。这种方式有好多优点，一是稳压范围宽，在一定范围内输出电压与输入电压变化无关，电脑电源可以在80V～240V都可以正常工作，是其它方式电源无法比拟的。二是效率高，由于采用开关震荡工作方式，热损耗特别少，发热低。三是结构简单，相对于其它相同功率的电源，开关电源的体积与重量要少得多。因此，在众多的电子设备中，开关式电源已经是相当普遍。随着开关电源应用领域的不断扩大，其电磁干扰已成为一个很严重的问题，开关电源的功率管工作在非线性条件下，采用脉宽调制（PWM）开关控制方式，加之开关频率的不断提高，使得电磁干扰越来越突出，对电网造成污染。因干扰的存在，输入电源的电网受到了干扰，影响到其它设备，使其不能正常的工作，也影响到电网的供电质量。所以，寻找干扰抑制的方法是很必要的。这里分析与比较了几种有效的方案，并为开关电源EMI的抑制措施提出新的参考建议。
一、开关电源电磁干扰的产生机理
开关电源首先将工频交流电整流为直流电，然后经过开关管的控制变为高频，最后经过整流滤波电路输出，得到稳定的直流电压。因此，自身含有大量的谐波干扰。同时，由于变压器的漏感和输出二极管的反向恢复电流造成的尖峰，都会产生不同程度的电磁干扰。开关电源中的干扰主要集中在电压、电流变化大（即dv/dt或di/dt很大）的元器件上，尤其是开关管、输出二极管和高频变压器等。同时，杂散电容会将电网的噪声传导到电子系统的电源而对电子线路的工作产生干扰。开关电源产生的干扰,按噪声干扰源种类来分,可分为尖峰干扰和谐波干扰两种;若按耦合通路来分,可分为传导干扰和辐射干扰两种。现在按噪声干扰源来分别说明:
1.二极管的反向恢复时间引起的干扰;
2.开关管工作时产生的谐波干扰;
3.交流输入回路产生的干扰;
4.其他原因。
元器件的寄生参数，开关电源的原理图设计不够完美，印刷线路板（PCB）走线通常采用手工布置，具有很大的随意性，PCB的近场干扰大，并且印刷板上器件的安装、放置，以及方位的不合理都会造成EMI干扰。
二、开关电源EMI的特点
作为工作于开关状态的能量转换装置，开关电源的电压、电流变化率很高，产生的干扰强度较大；干扰源主要集中在功率开关期间以及与之相连的散热器和高平变压器，相对于数字电路干扰源的位置较为清楚；开关频率不高（从几十千赫和数兆赫兹），主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰;而印刷线路板(PCB)走线通常采用手工布线，具有更大的随意性,这增加了PCB分布参数的提取和近场干扰估计的难度。
三、目前抑制干扰的几种措施
形成电磁干扰的三要素是干扰源、传播途径和受扰设备。因此，抑制电磁干扰也应该从这三方面着手。首先应该抑制干扰源，直接消除干扰原因;其次是消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射，切断电磁干扰的传播途径;第三是提高受扰设备的抗扰能力,减低其对噪声的敏感度。目前抑制干扰的几种措施基本上都是用切断电磁干扰源和受扰设备之间的耦合通道，它们的确是行之有效的办法。常用的方法是屏蔽、接地和滤波。
1.采用屏蔽技术可以有效地抑制开关电源的电磁辐射干扰。系统中的安全保护地线、屏蔽接地线和公共参考地线各自形成接地母线后,最终都与大地相连。
在电路系统设计中应遵循“一点接地”的原则。如果形成多点接地，会出现闭合的接地环路，当磁力线穿过该回路时将产生磁感应噪声，实际上很难实现“一点接地”。因此，为降低接地阻抗，消除分布电容的影响而采取平面式或多点接地，利用一个导电平面(底板或多层印制板电路的导电平面层等)作为参考地，需要接地的各部分就近接到该参考地上。为进一步减小接地回路的压降，可用旁路电容减少返回电流的幅值。在低频和高频共存的电路系统中，应分别将低频电路、高频电路、功率电路的地线单独连接后，再连接到公共参考点上。
2.滤波是抑制传导干扰的一种很好的办法。例如,在电源输入端接上滤波器，可以抑制开关电源产生并向电网反馈的干扰，也可以抑制来自电网的噪声对电源本身的侵害。在滤波电路中,还采用很多专用的滤波元件，如穿心电容器、三端电容器、铁氧体磁环，它们能够改善电路的滤波特性。恰当地设计或选择滤波器，并正确地安装和使用滤波器，是抗干扰技术的重要组成部分。
EMI滤波技术是一种抑制尖脉冲干扰的有效措施，可以滤除多种原因产生的传导干扰。测试表明，只要适当选择元器件的参数，便可较好地抑制开关电源产生的传导干扰。
四、目前开关电源EMI抑制措施的不足之处
现有的抑制措施大多从消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射，切断电磁干扰的传播途径出发。这的确是抑制干扰的一种行之有效的办法，但很少有人涉及直接控制干扰源，消除干扰，或提高受扰设备的抗扰能力。殊不知后者还有许多发展的空间。
五、改进措施的建议
我认为目前从电磁干扰的传播途径出发来抑制干扰，已渐进成熟。我的视点要回到开关电源器件本身来，在电路方面要注意以下几点:
1.印制板布局时,要将模拟电路区和数字电路区合理地分开，电源和地线单独引出，电源供给处汇集到一点;PCB布线时，高频数字信号线要用短线，主要信号线最好集中在PCB板中心，同时电源线尽可能远离高频数字信号线或用地线隔开。其次，根据印制线路经电流的大小，应尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。再次，可以根据耦合系数来布线，尽量减少干扰耦合。
2.印制板的电源线和地线印制条尽可能宽，以减小线阻抗，从而减小公共阻抗引起的干扰噪声。
3.器件多选用贴片元件和尽可能缩短元件的引脚长度，以减小元件分布电感的影响。
4.在Vdd及Vcc电源端尽可能靠近器件接入滤波电容，以缩短开关电流的流通途径，如用10μF铝电解和0.1μF电容并联接在电源脚上。对于高速数字IC的电源端可以用钽电解电容代替铝电解电容，因为钽电解的对地阻抗比铝电解小得多。
六、结论
产生开关电源电磁干扰的因素还很多，抑制电磁干扰还有大量的工作。全面抑制开关电源的各种噪声会使开关电源得到更广泛的应用。
参考文献:
