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开关电源原理设计范文1
【关键词】开关电源节能 现网节能改造 通信
一、前言
改革开放以来，我国的经济成就举世瞩目，但环境问题也越来越严重，引起大家的高度重视 ，2007年世界经济论坛《全球风险报告》 中指出：21世纪全球面临的最严重挑战之一就是气候变化。2014年11月12日中美两国在京共同《中美气候变化联合声明》，中国计划到2030年将非化石能源比重提高到20%左右。十一五 期间，中国政府在节能减排上要求国内能耗降低20%，主要污染物排放总量减少10%。同样在严峻的节能减排压力下，各通信行业运营商越来越重视设备的节能，将节能作为首要的发展方向。在这个背景下，对开关电源提出了极高的节能要求，努力开发节能的产品和寻找现网设备的节能改造方法。
二、开关电源节能原理分析
（一）开关节能的原理
通信开关电源节能的关键是要提高系统的整体效率。通常开关电源的节能主要在两个原理：第一个最直接的节能原理是提高整流器的效率。通过技术改进提高整流模块的整体效率特性、降低模块功耗等措施，从最初至今，整流器的效率已经在原有的基础之上提高了百分之十，达到96%。随着技术的进一步成熟和器件成本的下降，相信不久以后，规模应用将成为现实。开关电源节能的另一个节能原理是通过电源模块的休眠管理，提高运行模块的负载率可以提升系统实际的工作效率。
（二）开关节能的具体方法
如今，越来越多的行业开始广泛应用开关电源，其具体发展要求是，轻量化、小型化、高频化等。但是，随着开关电源的频率迅速提高，所产生的损耗也逐渐加大，因此需要考虑相关节能的方法。首先应该对开关电源的损耗进行系统的分析，要想达到上述发展要求，需要将开关电源的工作频率由低频转向高频。例如采用硬开关技术，这种技术损耗量小于线性电源采用串联电阻改变电压的方式，但随着工作频率的提高，相应的损耗依然会增加。其次，采用软开关技术，能有效提高开关电源的频率，也能降低开关电源的损耗，提高整体效率。软开关技术是使用电感谐振及电容，将变压器中的开关器件中电压按照准正弦规律进行变换，让开关管在电流为零的情况下立即关断，在电压为零的情况下立即开通的方法。最后，采用零开关技术，其主要在电路中增加电容或电感等相关储能元件，具体分为零电流、零电压开关。零电流开关指的是当开关管关断或开通的时候，让电流为零。零电压开关指的是当开关管关断或开通的时候，让电压为零。这样可以最大程度降低开关损耗，起到节能的作用。
二、现网设备节能的必要性
随着世界经济特别是发展中国家经济的快速发展，全球能源消耗总量不断攀升。根据全球能源机构统计，近些年来，全球能耗高达82%，造成二氧化碳排放量高达80%，远远超过预想的估计，因此，节能是现阶段的主要任务。如何采取有效的方法使现网设备最大程度的节能非常必要。能源的消耗一方面导致了温室效应和一系列的自然灾害，另一方面其与制造业、工业等成本的价格息息相关。所以，环境问题及气候变化问题成了人类面临的重要的挑战，全社会也越来越重视节能。从全球范围来看，通信行业与煤炭、有色、钢铁等行业相比，虽然不是能耗、排放问题最突出的行业。但一些数据显示，一些通信行业的能耗也很大，某些运营商在全国企业能耗排行榜中排名靠前。政府在国际组织上的节能承诺，社会、公众的重视形成对运营商的节能压力越来越大。由于全球资源价格持续上涨，新的市场逐渐开阔继而大大提高了网络的扩容性。而我国通信企业整体仍处于发展阶段，在增大网上运行设备容量的时候必然导致能耗需求也扩大，给运营商带来了长期的财务压力。为了应对气候及能耗的挑战，电信行业各主流运营商、设备商先后启动节能减排计划。近10年来已经取得了很大的进步，技术的进步与产品的更新换代使单位能耗持续下降，领先的运营商取得了超过50%的节约。
三、现网设备节能手段
（一）通信网络中基站设备节能
基站设备分基带、射频和馈线三部分，其中能源消耗量占首位的是射频部分，超过能源消耗量的百分之八十。但是，在射频部分中，功放耗能几乎占射频部分的一半，因此，提升基站设备能效的关键点就是提高功放效率。而提高功放效率的方式有多种，比如，有智能减压、智能匹配、新型高效功放等，但多载波技术是提高功放效率的最直接的办法之一。
（二）通信网络中站点节能
一般来说，通信网络的节能主要是站点的节能。站点的节能可以从两方面来分析：网络拓扑和网元。网络拓扑的节能就是通过减少站点来提升单位话务量能效。以下为通信领域中减少站点两个有效的手段：⑴规划网络，降低无效的系统开销，以最少的站点服务最多的用户来提高覆盖效率。⑵使用Transmitting Diversity、High Receive Sensitivity及 PBT等关键技术增加设备本身的覆盖半径提高，从而提升基站设备本身的覆盖能力。在现实中，将适宜的网络规划和较强覆盖能力的设备配合使用通常能大幅度实现广覆盖场景下四分之一以上的能源消耗节约，无疑不是一种进步。
（三）通信网络中新能源节能
减少碳排放最直接方法就是开发新能源。如：太阳能、核能、风能、潮汐能、生物能源等。企业减少碳排放的最有效途径就是选择无排放能源或者低排放能源。通常在一些边远地区，风能、光能资源比较丰富，可以根据当地气候因素建一些风、光能源的小型站点。这些新能源小型站点也可能在市电不稳定的城区作为补充能源使用。而对于这些偏远的小型站点来讲，通常面临的问题有以下三个方面：第一是引电困难；第二是电网公司引电价格可能过高；第三是小型站点本身的能耗不高，因此，通信运营商往往使用油机系统来解决能耗问题。
只有重视开关电源节能及现网设备节能的改造，才能有效的利用固有的能源材料，开创新的可再生能源。才能与环境和谐相处，共同促进社会经济的发展。继而带动了通信网络的节能开拓，发展新用户、开拓新市场。使用新领域的节能设计补充带网络建设的需求，减少开关电源、现设备带来的排放压力。同时设备厂商及运营需要积极的投入到可持续发展、高效节能的研究当中。
参考文献：
[1]郭忠银.一种绿色模式开关电源的研究与设计[D].南华大学，2010.
开关电源原理设计范文2
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［4］ Microsoft Sync Framework Developer Center. ［ EB/OL］. /zh-cn/sync.
［5］ - Great Maps for Windows Forms and Presentation. ［ EB/OL］. (2010-7-3) /KB/miscctrl/GMapNET.aspx?msg=3013043.
［6］ Using an Asynchronous Client Socket ［EB/OL］./zhcn/library/bbx2eya8(v=VS.90).aspx.
开关电源原理设计范文3
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.
开关电源原理设计范文4
关键词：继电保护；开关电源；电源故障；改进后的电源
中图分类号：TG434.1 文献标识码：A
引言
近年来，停电事故的后果日益严重，大型停电事故主要是由连锁故障引起的。如1996年7月美国西部电网(wscc)和1998年6月美国中部大陆电网(MAPP)解列事故，2003年8月美、加大停电事故、2003年的英国伦敦大停电等。而造成这些大规模停电事故的罪魁祸首正是继电保护系统的隐性故障降引，有资料表明世界上大约有75％的大的停电事故都和保护系统的不正确运作有关，继电保护的隐性故障已经成为电力灾难性的一种机理。
1 继电保护隐性故障
继电保护隐性故障是指系统正常运行时对系统没有影响的故障，而当系统某些部分发生变化时，这种故障就会被触发，从而导致大面积故障的发生。隐性故障在系统正常运行时是无法发现的，但是一旦有故障发生，继电器正确切除故障后，电力系统潮流重新分配，在这样的运行状态下就可能会使带有隐性故障的保护系统误动作。从而有可能造成连锁故障，扩大事故范围。
2 开关电源工作原理
用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变为另一形态，用闭环控制稳定输出，并有保护环节的模块，叫做开关电源。
高压交流电进入电源，首先经滤波器滤波，再经全桥整流电路，将高压交流电整流为高压直流电；然后由开关电路将高压直流电调制为高压脉动直流；随后把得到的脉动直流电，送到高频开关变压器进行降压，最后经低压滤波电路进行整流和滤波就得到了适合装置使用的低压直流电。
电源工作原理框图如图1所示。
3 故障现象分析
由于继电保护用开关电源功能要求较多，需考虑时序、保护等因素，因此开关电源设计中的故障风险较高。另外供电保护装置又较民用电器工作条件苛刻，影响继电保护开关电源的安全运行。本文着重分析了两种因设计缺陷而造成故障的开关电源。
3.1 输入电源波动，开关电源停止工作
3.1.1 故障现象：外部输入电源瞬时性故障，随后输入电压恢复正常，开关电源停止工作一直无输出电压，需手动断电、上电才能恢复。
3.1.2 故障再现：用继电保护试验仪，控制输入电压中断时间，通过便携式波形记录仪记录输入电压和输出电压的变化。控制输入电压中断时间长短，发现输出存在如下三种情况：
a)输入电源中断一段时间(约100～200ms)后恢复，此后输入电压恢复正常，开关电源不能恢复工作。(此过程为故障情况)，具体时序图见图2所示。
b)输入电压长时中断(大于250ms)后恢复，+5V、+24V输出电压均消失，此过程与开关电源的正常启动过程相同。具体时序图见图3所示。
c)输入电压短暂中断(小于70ms)后恢复，+5V输出电压未消失，而+24V输出电压也未消失，对开关电源正常工作没有影响。具体时序图见图4所示。输入电压消失时间短暂，由于输出电压未出现欠压过程，电源欠压保护也不会动作。
3.1.3 故障分析：要分析此故障，应先了解该开关电源的正常启动逻辑和输出电压保护逻辑。输入工作电压，输出电压+5V主回路建立，然后由于输出电压时序要求，经延时约50ms，+24V输出电压建立。
输出电压欠压保护逻辑为：当输出电压任何一路降到20％乩以下时，欠压保护动作，且不能自恢复。
更改逻辑前，因输入电压快速通断而引起的电源欠压保护误动作，其根本原因是延时电路没有依据输入电压的变化及时复位，使得上电时的假欠压信号得不到屏蔽，从而产生误动作，如图2所示。
3.1.4 解决措施：采取的措施是在保护环节上增加输入电压检测电路，并在延时电容上并接一个电子开关，只要输入电压低于定值(开关电源停止工作前的值)，该电子开关便闭合，延时电路复位，若输入电压重新上升至该设定值，给保护电路供电的延时电路重新开始延时，电源重启动时的假欠压信号被屏蔽，彻底解决了由于输入电压快速波动所产生的电源误保护。从而避免了图2的情况，直接快速进入重新上电逻辑，此时的输出电压建立过程见图3所示。逻辑回路见图5所示。
3.1.5 试验验证：用继电保护试验仪状态序列模拟输入电源中断，用便携式波形记录仪记录输出电压随输入电压的变化波形。调整输入电压中断时间，发现调整后的电源仅出现b)、c)两种情况，不再出现a)即故障情况。
3.2 启动电流过大，导致供电电源过载告警
3.2.1 故障现象：电源模块稳态工作电压为220V，额定功率为20.8W，额定输出时输入电流约为130mA。当开关电源输入电压缓慢增大时，导致输入电流激增，引起供电电源过载告警。
3.2.2 故障分析：经查发现输入电压为60V时，电源启动，此时启动瞬态电流约为200mA，稳态电流为600mA，启动时稳态电流和瞬态电流将为600士200mA，造成输出电流激增。而由于条件限制，此电源模块的供电电源输出仅为500mA，因此造成供电电源过载。
由于开关电源工作需要一定的功率，设计中由于未考虑到电源启动时，输出回路的启动需要一定的功率，而启动电压比较低，所以功率的突增，必然带来开关电源启动瞬态电流的激增，电流的激增对供电电源有较大的冲击。
3.2.3 解决措施：启动需要的功率一定，如果要减小启动电流，可以考虑增加启动电压的门槛。将开关电源的启动电压提高到130～140V。
3.2.4 试验验证：调整开关电源的启动电压后，通过试验仪模拟输入电压缓慢启动。当开关电源在满载情况下，试验中缓慢上升输入电压(上升速率5V／s或10v／s)，从0～130V启动，启动时稳态电流降低到200～220mA，稳态电流大约为200士l00mA，因而启动时稳态电流和瞬态电流将为400士loon迭，启动电流较改进前减小300nA，不会对供电电源造成太大的冲击。可有效避免输入电压瞬间降低时，给整个供电回路造成较大的电流冲击。
结束语
从以上问题分析可知，开关电源设计时，需要关注电能变换的各个环节，开关电源的输出电压建立和消失时序和电源的保护功能，是紧密联系的，当其中的某一环节存在缺陷时，开关电源就不能正常工作。因此在开关电源设计前，应重点进行两种工作：
考虑诸如此类的问题，如启动功率一定时，启动电压门槛过低，会产生输出电流瞬态突增的现象。
在设计后尽可能依据继电保护用开关电源行标，经专业测试部门验证。从而设计出稳定可靠的开关电源。
参考文献
[1]沈晓凡，舒治淮，刘军，等．2007年国家电网公司继电保护装置运行情况[J]．电网技术，2008，32(16).
开关电源原理设计范文5
随着电子技术的飞速发展以及国家出台的节能降耗政策，与电子设备密不可分的开关电源技术在人们生活、工作中的得到越来越广泛的应用，任何的电子设备离不开可靠的电源，相应地它们对电源的要求越来越高。为了开关电源的快速发展也为促进我国的国民经济进一步发展做出贡献必须坚持走技术创新之路，坚持可持续发展观，将节能减排与技术发展紧密结合。
1、高频化
理论分析以及实践经验表明， 当我们把供电频率提高的时候，用电设备的体积重量以其供电频率的平方根成反比地减小。这正是开关电源新技术得以实现功率变频而带来明显效益的根本原因。以此方法应用到电镀、电解、电加工、充电、浮充电、合闸用等各种直流电源类整机加以类似地改造，其主要材料可以节约90%甚至更高， 还可以做到省电30%及以上。技术升级带来物质材料的减少，从而降低了成本，提高了市场竞争力，也节约了各种物资。这些经济效益的反应体现了技术含量的价值。如果单纯地追求高频化，开关电源的噪声也会随之而增大。采用部分谐振转换回路技术，原理上在提高频率的同时又可以降低噪声。所以，开关电源的又一发展方向是尽可能地降低噪声影响。
2、数字化
传统的开关电源技术中，是靠模拟式信号控制来设计和工作的。几十年前，开关电源技术完全是建立在模拟电路的基础之上的。但是数字信号处理技术日臻完善成熟，越来越多的优点被显示出来：便于计算机处理和控制，可以使模拟信号传递的真实可靠，提高其抗干扰的能力，便于软件包调试和遥感、遥测、遥调，也便于其它技术的植入。目前，在整个的电子模拟电路系统中，网络、电视、通讯、音响设备、照片处理等都逐步实现了数字化，而最后一个没有数字化的领域就是电源。近年来，数字电源的研究势头旺盛，成果也越来越多。开关电源的发展离不开数字化。
3、模块化
模块化指功率器件的模块化以及电源单元的模块化。生活中常见的器件模块，含有一单元、两单元、六单元直至七单元，包括开关器件和与之反并联的续流二极管，实质上都属于“标准”功率模块（SPM）。近年，有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去，构成了“智能化”功率模块（IPM），不但缩小了整机的体积，更方便了整机的设计制造。实际上，由于频率的不断提高，致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重，对器件造成更大的电应力（表现为过电压、过电流、毛刺）。为了提高系统的可靠性，有些制造商开发了“用户专用”功率模块（ASPM），它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中，使元器件之间不再有传统的引线连接，这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计，达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路（ASIC）。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片，再把整个模块固定在相应的散热器上，就构成一台新型的开关电源装置。由此可见，模块化的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积，更重要的是取消传统连线，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高系统的可靠性。
4、绿色化
电源系统的绿色化有两层含义： 一是发电容量的节约，发电过程对环境造成了很大的污染，节电就意味着为环境的绿化做了贡献。二这些电源尽可能少地或不对电网产生污染，许多电子设备向电网诸如严重的高次谐波电流，使总功率因数下降，使电网电压出现很多问题甚至缺角和畸变。国际电工委员会（IEC）对此还制定了一系列标准，如IEC555、IECl000、IEC917等。在当今，节能环保被人们越来越重视，电子产品的耗能问题将愈来愈突出，对电能的合理利用也是非常重要的。在开关电源的广泛应用发展下，开关电源的体积变小了，效率提高了， 正向着小型化和高频化的方向发展，但也存在着能量的损耗，所以节能对于开关电源也有重要意义。首先，开关电源的节能就是提高开关电源的效率，对开关电源的能耗进行分析可知对开关电源的电路结构和元器件进行改进可以提高开关电源效率，从而达到节能目的。其次，降低开关电源的开关损耗方法主要是软开关技术，理论上说是可以将开关电源的开关损耗降低到零，使其更加节能环保。可见开关电源小型化的发展趋势与开关电源的节能是相辅相成的。在大力提倡节能环保的环境下， 对开关电源节能的研究、提高开关电源的效率就显得意义重大，它适应了当今科技发展的潮流， 也符合人们生活的需要。
开关电源的发展趋势将以“四化”为主流即应用技能的智能化、硬件结构的模块化、软件控制的数字化、产品性能的绿色化，这些会使产品性能可靠、成熟、经济、实用。
5、开关电源技术发展的前景展望
当开关电源按照理想的发展趋势发展下去，将标志着开关电源技术的成熟。随着电力电子技术的不断创新，开关电源产业发展前景更加广阔，我国的开关电源也得到快速发展。近年来，随着通信行业的发展，以开关电源技术为核心的通信用开关电源，吸引了国内外一大批科技人员对其进行研究和开发，开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋。我国产品的性能虽然有了很大提高，能基本满足国内用户的要求，但与国外比起来，在设计技术、生产规模、制造工艺、可靠性重视程度和产品更新速度等方面，仍然存在不小的差距。因此，为了把具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源产业牢牢占据。我国应提高质量管理、加强可靠性设计、降低产品的设计和生产成本、加快产品创新开发、实现产品的标准化和系列化， 成为国内电源生产厂商迎接挑战，壮大自身实力。
参考文献
[1]周志敏，周纪海，开关电派实用技术设计与应用.北京人民邮电出版社，2003.
开关电源原理设计范文6
1 引言
随着PWM技术的不断发展和完善，开关电源得到了广泛的应用，以往开关电源的设计通常采用控制电路与功率管相分离的拓扑结构，但这种方案存在成本高、系统可靠性低等问题。美国功率集成公司?POWER Integration Inc?开发的TOP Switch系列新型智能高频开关电源集成芯片解决了这些问题，该系列芯片将自启动电路、功率开关管、PWM控制电路及保护电路等集成在一起，从而提高了电源的效率，简化了开关电源的设计和新产品的开发，使开关电源发展到一个新的时代。文中介绍了一种用TOP Switch的第三代产品TOP249Y开发变频器用多路输出开关电源的设计方法。
2 TOP249Y引脚功能和内部结构
2．1 TOP249Y的管脚功能
TOP249Y采用TO－220－7C封装形式，其外形如图1所示。它有六个管脚，依次为控制端C、线路检测端L、极限电源设定端X、源极S、开关频率选择端F和漏极D。各管脚的具体功能如下：
控制端C：误差放大电路和反馈电流的输入端。在正常工作时，利用控制电流IC的大小可调节占空比，并可由内部并联调整器提供内部偏流。系统关闭时，利用该端可激发输入电流，同时该端也是旁路、自动重启和补偿电容的连接点。
线路检测端L：输入电压的欠压与过压检测端，同时具有远程遥控功能。TOP249Y的欠压电流IUV为50μA，过压电流Iav为225μA。若L端与输入端接入的电阻R1为1MΩ，则欠压保护值为50VDC，过压保护值为225VDC。
极限电流设定端X：外部电流设定调整端。若在X端与源极之间接入不同的电阻，则开关电流可限定在不同的数值，随着接入电阻阻值的增大，开关允许流过的电流将变小。
源极S：连接内部MOSFET的源极，是初级电路的公共点和电源回流基准点。
开关频率选择端F：当F端接到源极时，其开关频率为132kHz，而当F端接到控制端时，其开关频率变为原频率的一半，即66kHz。
漏极D：连接内部MOSFET的漏极，在启动时可通过内部高压开关电流提供内部偏置电流。
2．2 TOP249Y的内部结构
TOP249Y的内部工作原理框图如图2所示，该电路主要由控制电压源、带隙基准电压源、振荡器、并联调整器／误差放大器、脉宽调制器（PWM）、门驱动级和输出级、过流保护电路、过热保护电路、关断／自动重起动电路及高压电流源等部分组成。
3 基于TOP249Y的开关电源设计
笔者利用TOP249Y设计了一种新型多路输出开关电源，其三路输出分别为5V／10A、12．5V／4A、7V／10A，电路原理如图3所示。该电源设计的要求为：输入电压范围为交流110V～240V，输出总功率为180W。由此可见，选择TOP249Y能够满足要求。
3．1 外围控制电路设计
该电路将X与S端短接可将TOP249Y的极限电流设置为内部最大值；而将F端与S端短接可将TOP249Y设为全频工作方式，开关频率为132kHz。
图2
在线路检测端L与直流输入Ui端连接一2MΩ的电阻R1可进行线路检测，由于TOP249Y的欠压电流IUV为50μA，过压电流Iav为225μA，因此其欠压保护工作电压为100V，过压保护工作电压为450V，即TOP249Y在本电路中的直流电压范围为100～450V，一旦超出了该电压范围，TOP249Y将自动关闭。
3．2 稳压反馈电路设计
反馈回路的形式由输出电压的精度决定，本电源采用“光耦＋TL431”，它可以将输出电压变化控制在±1％以内，反馈电压由5V／12A输出端取样。电压反馈信号U0通过电阻分压器R9、R11获得取样电压后，将与TL431中的2．5V基准电压进行比较并输出误差电压，然后通过光耦改变TOP249Y的控制端电流IC，再通过改变占空比来调节输出电压U0使其保持不变。光耦的另一作用是对冷地和热地进行隔离。反馈绕组的输出电压经D2、C2整流滤波后，可给光耦中的接收管提供电压。R4、C4构成的尖峰电压经滤波后可使偏置电压即使在负载较重时，也能保持稳定，调节电阻R6可改变输出电压的大小。
3．3 高频变压器设计
由于该电源的输出功率较大，因此高频变压器的漏感应尽量小，一般应选用能够满足132kHz开关频率的锰锌铁氧体，为便于绕制，磁芯形状可选用EI或EE型，变压器的初、次级绕组应相间绕制。
高频变压器的设计由于要考虑大量的相互关联变量，因此计算较为复杂，为减轻设计者的工作量，美国功率公司为TOP Switch开关电源的高频变压器设计制作了一套EXCEL电子表格，设计者可以方便地应用电子表格设计高频变压器。
3．4 次级输出电路设计
输出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容构成。整流二极管选用肖特基二极管可降低损耗并消除输出电压的纹波，但肖特基二极管应加上功率较大的散热器；电容器一般应选择低ESR?等效串联阻抗?的电容。为提高输出电压的滤波效果，滤除开关所产生的噪声，在整流滤波环节的后面通常应再加一级LCC滤波环节。
3．5 保护电路设计
本电源除了电源控制电路TOP249Y本身所具备的欠压、过压、过热、过流等保护措施外，其外围控制电路也应有一定的保护措施。用D3、R12、Q1可构成一个5．5V的过压检测保护电路。这样，当5V输出电压超过5．5V时，D3击穿使Q1导通，从而使光耦电流增大，进而增大了控制电路TOP249Y的控制端电流IC，最后通过内部调节即可使输出电压下降到安全值。
图3
为防止在开关周期内，TOP249Y关断时漏感产生的尖峰电压使TOP249Y损坏，电路中设计了由箝压齐纳管VR1、阻断二极管D1、电容C5、电阻R2、R3组成的缓冲保护网络。该网络在正常工作时，VR1上的损耗很小，漏磁能量主要由R2和R3承担；而在启动或过载时，VR1即会限制内部MOSFET的漏极电压，以使其总是处于700V以下。
4 电源性能测试及结果分析
根据以上设计方法，笔者对采用TOP249Y设计的多路输出开关电源的性能进行了测试。实测结果表明，该电源工作在满载状态时，电源工作的最大占空比约为0．4，电源的效率约为90％，纹波电压控制、电压调节精度及电源工作效率都超过了以往采用控制电路与功率开关管相分立的拓扑结构形式的开关电源。
