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开关电源的设计与实现范文1
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关键词：开关电源；UCC3895；测控系统
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.10.012
引言
大中功率直流开关电源一般采用移相全桥DC/DC变换器 。实现全桥变换器的移相控制主要有以下三种方法：（1）采用分立器件进行逻辑组合；（2）采用DSP或CPLD实现数字控制；（3）采用专用集成控制芯片 。采用分立器件进行逻辑组合构成的模拟控制电路结构复杂，不利于开关电源小型化；采用DSP或CPLD实现数字控制的成本较高，且存在数字电路延迟；采用专用的集成控制芯片电路简单且成本较低。第三种方法中可以采用UCC3895芯片来产生PWM控制波形，UCC3895是一款优良的移相全桥控制芯片，有电压和电流两种控制模式，占空比可从0%～100%， 且可以为零电压开关（ZVS）提供高效高频的解决方案。国内外常用的移相全桥反馈模式为电流模式 ，但其双闭环控制电路复杂，不易实现。
由于单电压环反馈模式简单有效的优点，本文基于UCC3895移相全桥控制芯片采用单电压环加限流环的反馈模式和单片机相结合设计了直流开关电源数字模拟混合测控系统，详细设计了闭环系统、控制器参数、保护电路，显示电路，调压电路，并对测控系统进行了实验。
系统方案
采用应用广泛的TI公司生产的UCC3895芯片与单片机相结合的方案设计了直流开关电源数字模拟混合测控系统。如图1所示，利用UCC3895对DC/DC变化器主电路进行PWM移相控制，并与单片机相结合来实现对主电路的检测与反馈控制，以及输出过压，过流，过温等保护。其中，所选单片机型号为美国微芯公司生产的PIC16F873单片机。PIC16F873共28个引脚，内部自带5个10位A/D通道，2个定时计数器，2个脉宽调制（PWM）通道。
UCC3895电路设计
如图4所示，UCC3895的EAN脚为内部误差放大器反相输入端，E A O U T脚为误差放大器输出端，R 3、R 4、R 6、C 1、C 2、C 3构成了闭环控制系统的电压调节器，输出电压Vo经过电阻分压接到电压调节器反相输入端构成反馈电压，改变可调电阻R2的值可以改变电源输出电压。RT、CT可以实现开关频率的设定，A D S脚为自适应延迟死区时间设置端，接地表示输出延迟死区时间设为最大。限流调节器输出端也接到UCC3895的EAOUT脚，故障保护电路接到CS脚实现电源系统的故障保护功能。
故障保护电路设计
UCC3895的CS脚有过流保护功能，当CS脚电压高于2.5V时，UCC3895芯片将会被软关断，驱动脉冲被封锁，CS脚低于2.5V，芯片将进入下一个软启动过程。如图5所示，保护电路的设计就是基于CS脚的过流保护功能，正常情况下保护电路的输出为低电平，一旦出现输出过压、过流、过温等故障，相应的电压比较器输出高电平，同时故障信号被单片机检测，通过单片机数字控制也可使电压比较器输出为高电平，开关管T1导通，输出一个高于2.5V的高电平至CS脚，使芯片封锁驱动信号，从而使主电路停止工作，实现电源系统的数字模拟双重保护功能。
限流值可调的限流环电路设计
单片机与电路设计
单片机部分电路和电源状态显示电路分别如图7和图8所示。单片机部分引脚功能分配如下：AN0脚是限流信号检测，AN1脚是输出电压检测，AN2脚是输出电流检测，AN4脚是温度检测，其中AN0、AN1、AN2、AN4脚均为A/D转换端口。CCP2脚（PWM端口）提供可调的限流调节器的限流参考值，CCP1脚（PWM端口）提供可调的电压调节器的输出电压参考值，SCK、SDO、RB4脚用于电源状态显示，RB1脚（I/ O口）为单片机数字控制。单片机通过SPI（同步串行通讯）向移位寄存器SN74HC164发送电源当前工作状态数据，由移位寄存器把串行数据转换为并行数据并输出给显示模块。单片机RB4脚（I/O口）控制发光二极管的供电电压，在刚开机还没有采集工作状态之前，保证所有二极管不工作。单片机SCK（时钟）脚接在三个移位寄存器的脉冲输入口（CLK）作为脉冲输入。单片机SDO（SPI通讯数据输出）脚接到移位寄存器的数据输入口（A、B脚），并把三个移位寄存器接到一起串联使用。通过数码管实时显示输出电流值，通过4个LED灯图11 突加突减负载电压波形的亮灭表示电源当前的工作状态，其中发光二极管D4（绿灯）灯亮表示电源正常工作，D3（红灯）灯亮表示输出过压故障，D2（红灯）灯亮表示输出限流，D1（红灯）灯亮表示过温故障。
调压电路设计
单片机CCP1脚为PWM波端口，可以通过调节PWM波的占空比产生不同的电压。如图9所示，PWM信号经过滤波电路由数字量转变为模拟量输入到由运放5构成的电压跟随器进行缓冲与隔离，该模拟电压与参考电压VDD叠加构成分压电路，分压信号输入到由运放6构成的电压跟随器正向输入端。输出端经过滤波电路接到UCC3895芯片电压调节器参考电压端（EAP）。改变CCP1的PWM波占空比即可调整电压调节器参考电压，进而改变电源输出电压。图中由R2、R3、R4构成的分压电路可以设定PWM占空比为最低时电压调节器参考电压的最低值，保证电源电压的最低输出。可调电阻R2的作用是调节电压调节器参考电压的范围，改变R2的值，在输出占空比范围不变的情况下，输出参考电压的范围可以进行调整，进而改变电源输出电压的范围。图12 过载限流波形
实验及结果
图10是直流开关电源上电输出电压瞬态波形，上电输出瞬态电压的超调量为1.1%，调整时间为50ms，稳态误差为0.5V。图11是直流开关电源突加突减负载输出电压瞬态波形，突加突减负载输出瞬态电压的恢复时间为30ms，电压动态降落为22%。图12是突加过载限流波形，过流后限流环起作用，通过调节输出电压，使得电流很快限制在限流值上。
开关电源的设计与实现范文2
关键词：电力电子；开关电源；高频开关。
1引言
我国电力电子技术中广泛引进信息电子技术以及半导体技术，这使得电力电子技术朝着高频方向发展。电力电子技术主要包括变流电路、电子器件、控制电路。开关电源主要借助电力电子技术，实现对半导体器件开通和关断的控制，保证电压输出稳定。开关电源相较传统的线性稳压电源占地较小且应用效率高，因此广泛应用于各类电子产品中。但与此同时，开关电源在实际应用过程中受到电磁干扰的影响，而且电路分布复杂，受到射频干扰程度较大。开关电源中的整机电路由控制电路以及主电路进行控制，其中，整机电路主电路复杂电网能量的转换和传递，包括输出整流滤波、输入整流滤波以及功率转换。本文中以当前较为常用的高频开关电源为例，阐述高频开关电源的应用特点，并分析电力电子技术在开关电源中的应用。
2高频开关电源的特点
2.1分类
根据开关电源的实际用途以及标准对其进行分类，有着多种分类方式。首先，根据开关电源的驱动方式进行分类，可将开关电源分成他励式、自励式两种[1]。如果按照开关电源的输出/入类型进行划分，则能够分为AC/DC以及DC/DC两种不同变换器。想要实现对开关电源进行精准控制，按照控制方式以及用途不同，可将开关电源分为PFM混合式、PWM脉冲宽度调制式等等。对开关电源进行电路划分，可将开关电源分为谐振型开关电源、非谐振型开关电源。
2.2应用
高频开关电源在实际应用过程中能够实现交流电源的转换工作，从而满足电气设备的供电需求。高频开关电源在运行时，电流经过大功率开关元件的逆变电路，进行低压转换，最终形成稳定的输出电压。一般来说，现代高频开关电源具有重量轻、体积小的显著特点。高频开关电源在使用过程中不需要借助工频变压器，这使得高频开关电源的质量和体积相较于其他开关电源更轻、更小，便于安装和使用。尽管高频开关电源体积以及重量不足其他开关电源的一半，但是高频开关电源却有着极大的功率系数，并且能够利用硅导通角对相变整流器实际功率进行控制。高频开关电源负载的变化也会影响到功率系数的变化，当负载产生变化变小时，对应的系数也会变小。此外，高频开关电源噪声较小也是一大特点[2]。高频开关电源在运行过程中的噪声还不到50db。相比之下，高频开关电源运行时的噪声比相控整流设备运行过程中的噪声降低了35%之多。而且，高频开关电源在开关的瞬间能源消耗较低，这有利于节能减排，并能够有效提升整机的运行效率。
3电力电子技术
3.1电力电子技术在高频开关电源中的应用
电力电子技术在高频开关电源中的应用十分广泛。高频开关电源支持大功率晶体管运行，并能够有效提升整流器功率容量。随着人们对于集成电路所展开的深入研发，促进了高频开关电源在电气工程领域的应用，也使得开关电源朝着模块化、微小化和高效化的方向发展。计算机技术以及通信技术的应用，使得高频开关电源设备更具稳定性。借助UPS经过整流器能够实现电流的直流输出，将交流电转换为两部分。开关电源中的一部分电流传送至转换开关、逆变器等元器，实现设备的正常工作，另一部分则流入电池，为电池进行充电。不间断电源借助大功率IGBT，能够有效降低噪声强度，并在一定程度上保提高了高频开关电源的系统稳定性。高频变频器主要应用于开关电源的电气传动系统中，能够实现对电机变频速度的调控。高频变频器电源经过高频变换器、大功率晶体管，实现电压转换，改变电压的频率、功率，具有节能减排的作用。借助现代高新技术，能够将开关电源中强电和弱电进行结合，能够有效降低开关电源研发的成本，具有节能减排、经济高效的应用优势[3]。
3.2技术优势
采用电力电子技术中的软开关技术能够有效降低开关电源的故障发生率。借助IGBT功率器件对开关电源中PWM进行控制，从而解决大功率电源逆变主电路结构的能源消耗问题，降低开关电源的能耗。应用谐振原理解决传统开关电源的浪涌电流问题，并有助于减缓电压尖峰，降低系统故障发生概率。谐振电路在进行开启和关闭时能够对高频变压器中的电容、电感进行吸收，降低开关电源的能耗，同时能够为晶体管等元件进行减压。相比于传统电路开关启动造成的巨大能耗损失，采用电力电子技术能够有效保证开关电源运行的稳定性，提高开关电源的利用率。此外，电力电子技术中的同步整流技术能够有效提高开关电源的运行效率。同步整流技术将整流开关二极管部位的金属绝缘体的二分之一进行反接，使同步电流通过零电压/电流开关，实现对同步整流的初始脉冲信号驱动，以这种方式实现零电压开关。通常情况下，同步整流技术适用于一些电压较低、电流较大的开关电源中。电力电子技术中的控制技术能够实现对多路电流/电压的控制。在控制技术实施过程中，主电路的设计需符合开关变换器结构要求，并具备离散非线性的特点。控制技术具有其动态性，能够利用时间周期的变化对开关电源进行控制。在开关电源控制技术中应用到的算法包括：基因算法、模糊算法、神经网络控制算法等等。这些算法的应用可以保证计算机的运行速度有所提升，并且使开关电源运行更加智能，实现开关电源的高效化、数字化、模块化。
3.3发展趋势
开关电源在运行过程中具备安全、高效、可靠、节能、低噪等显著优势，现阶段，常见的开关电源中采用双极性晶体管，这种型号的开关电源在频率控制上仍有待提高。因此，开关电源的应用趋势应以提升开关元器件的开关频率为主，这样才能够有效的保证开关电源的频率，达到节能减排的目的。考虑到提升开关电源的开关速度会对电路中分布电感和电容产生干扰，致使二极管存储电荷存在浪涌情况。为例对存储电荷的浪涌情况进行控制，可根据实际情况选择不同的应对方法。一般来说，可采用L-C缓冲器、磁缓冲器等辅助元器件控制浪涌。针对高频开关电源而言，可采用部分谐振转换电路技术对存储电荷涌浪情况进行控制。谐振式开关电源能够降低开关启动过程中的能源损耗，但在实际应用过程中，部分谐振转换电路技术在高频开关电源应用中仍存在诸多难以攻克的技术难题。现阶段，国际上针对开关电源的运行电流耗电情况，已经展开了相关研究，有学者通过降低开关电源运行电流的方式，辅助降低结温措施，控制开关电源中器件应力，从而保证开关电源产品的可靠性，能够解决开关电源存储电荷的涌浪以及噪声等问题，具有一定的实用性。当前，开关电源模块化发展推进了电力电子技术在开关电源中的应用成效。通过设置开关电源中的模块化电源组，能够将开关电源系统进行分布控制。为了能够降低模块化开关电源的开关功率，可在模块化开关电源设计过程中加入滤波器，能够实现对开关电源存储电荷的涌浪的有效控制，从而提高模块化开关电源的实用性。电力电子技术在开关电源中的应用使得开关电源性能更加稳定。
开关电源的设计与实现范文3
关键词： 开关电源；井下电机；PWM；UC1525A
中图分类号：F407.61 文献标识码：A
井下智能钻井工具一般采用涡轮发电机作为电源，驱动井下电机控制执行机构工作，实现井下闭环控制。涡轮发电机输出的直流电压受泥浆脉冲影响，波动大，未经过开关稳压，导致电动机供电电压不稳定，在低速运行时不平稳，限制了电动机的低速性能，影响井下智能钻井工具正常工作。为此，设计了一种井下DC-DC开关电源，为井下电机提供稳定直流电压，确保电机在低速状态下平稳运行，进而提高井下智能钻井工具工作的可靠性及稳定性。
1 总体设计方案
1.1 总体电路设计
DC-DC电源工作在井下高温高压环境中，且靠近发电机及力矩电机震动源。在这种环境温度下，常规半导体电子器件及其组成的电路将难以可靠工作。本设计中输入电压高于输出电压，为尽可能减少所用器件以降低高温情况下因单个器件不稳定导致平均工作寿命减少的情况发生，对比其他电路结构及功率输出情况后，采用BUCK结构电路。开关频率定为3kHz，输入直流电压范围：90-220V，输出电压：48V±2V，输出电流：10A±2A，最大功；500W，最大外径：100mm，工作温度：125℃。
1.2 主电路设计
主电路中，输出滤波电感采用铁硅吕磁环，以适应井下振动环境，电感按临界模式计算，为：
式中Vo为输出电压，Dmin为占空比最小值，Iomin为输出电流最小值，T为周期。
单个电感采用五个77191A7铁硅铝磁环叠加共绕，采用了多个磁环叠加绕制后并联使用。
输出端滤波电容最小值满足：
PWM控制电路核心部分采用了TI公司的UC1525A控制器，该控制器工作温度可到125℃，满足井下工作环境对器件的要求，输出级为两路图腾柱式输出，最大驱动电流200mA。
开关MOS管的源极是悬浮的，为形成相对的驱动电压Ugs，采用变压器隔离驱动，开关管采用MOSEFT，驱动功率相对较小，为加速MOSEFT快速导通和截止，减少开关损耗，输出端加入耦合电容和PNP型三极管。为防止由于变压器漏感带来的尖峰电压击穿MOSFET，采用钳位二极管。
考虑到井下高温强振的工作环境，高频变压器采用德国VAC公司超微晶磁材料VITROPERM 500F（居里温度为600℃），VAC公司的超微晶材料VITROPERM 500F用作开关电源功率变压器，铁损低，饱和磁通密度、磁导率高，可以抵抗强振动应力。
通过以上设计与计算，得到主电路电路设计图如图1所示。
1.3 单端正激式辅助电源设计
为保证主电路PWM控制器稳定工作，引入辅助电源，为开关管驱动电路及两个PWM控制器UC1525A供电。设计参数12V/400mA，即该电路可实现输入60～200VDC，输出12V/400mA。由于主电路采用的是BUCK非隔离结构，辅助电源设计时为简化电路采用非隔离式，如图2所示。
辅助电源中，考虑涡轮发电机整流后的电压容易超出三极管极限参数，为保证稳定，自启动电路设计采用两个三极管串联使用， Rb1，Rb2 ，Rc1为限流电阻。C13上的电压给辅助电源上的PWM控制器提供启动时间，随后当变压器输出端有稳定电压时，将由输出端提供能量。为防止输出端负载对充电回路的影响，加入二极管D14。采用该种方法设计可以减少限流电阻上的损耗，保证辅助电源稳定启动，为主电路PWM控制器提供相对稳定的电源做好铺垫。
单端正激式变压器磁芯材料采用德国VAC公司的超微晶材料磁环W373，由于辅助电源功率较小，故开关频率可以取得稍大，开关电源频率为50KHz。
整流滤波电路设计同BUCK结构设计类似。控制器同样采用TI公司的UC1525A，与BUCK结构设计方法相同。
1.4 开关电源热设计
本文所设计的开关电源在井下高温强振环境中工作，必须将发热器件产生的热量尽快发散出去，使温升控制在允许的范围之内，以保证可靠性。考虑工作环境特点，本设计采用散热片为开关电源散热。
MOS管采用IRFP460A，为尽可能好的散热，将功率管固定于散热片上，功率管和散热片之间加入导热系数好的散热硅脂。
2 开关电源性能测试
为确保所设计的开关电源能够满足系统性能需求，在实验室对样机进行性能测试。
2.1 开关电源基本功能测试
由于前端电压波动较大，为更好地看到效率与输出功率及输入电压波动情况，采用取样分别测量整流后电压70V、100V、145V、195V时效率随输出功率变化情况。测量输出功率时用直流档，测量整流前端输入功率时用有效值档，结果如表1所示。
2.2 开关电源可靠性测试
满额功率输出时，温度达到动态平衡时开关管最大温升约为15℃（采用点温仪测试）。电压及纹波参数均未出现异常现象，常温特性比较好。电源性能良好，输出电压误差小于1V。经过近800次开关通断电，电路工作状况未发生问题，电路输出电压不受影响。
长时间工作于150℃时，电路板及开关器件均正常，随着负载功率上升，输出电压有下降趋势。
3 结论
3.1 应用于钻井井下的开关电源，其主电路拓扑形式选用BUCK电路，所用电子器件少，结构形式简单，能够满足井下狭小空间对于工具尺寸的要求。
3.2 开关电源控制环路设计过程中需建立开关电源完整的小信号数学模型，并对其进行开环小信号分析，确保其稳定性。
3.3 主电路与辅助电路设计中对输出滤波参数的计算一方面采用理论计算，一方面采用经验值并考虑温度等特性，器件选型上有一定余量，保证其稳定工作。
3.4 在高温条件下，需要考察开关电源功率器件散热量和环境温度的平衡温度点以及功率器件在电源舱不同位置时的温升平衡点，确定功率器件最佳散热位置布局，实现开关电源温升最小化。
参考文献
[1]PRESSMAN A L.开关电源设计[M].王志强，译.北京：电子工业出版社.2005.
[2]周习祥，杨赛良.BUCKDC/DC 变换器最优化设计[J].电子设计工程，2010.
[3]赵负图.电源集成电路手册[M].化学工业出版社，2003.
开关电源的设计与实现范文4
关键词：PFC；软开关；大功率开关电源
引言
在进行电力电子装置的设计时，通过使系统具有较高的功率因素，可以使电网的谐波污染得到有效减少。而PFC技术和软开关技术的运用，则可以使系统开关损耗得以减少，以便进行系统的整体输出效率的提升。因此，有必要对基于PFC和软开关的大功率开关电源进行研究，以便更好的进行PFC技术和软开关技术的应用。
1 基于PFC和软开关的大功率开关电源的系统概述
从系统构成上来看，基于PFC和软开关的大功率开关电源应该由三个部分组成，即电源主电路、电源控制电路和机箱。其中，机箱既可以起到固定电源的作用，同时也可以起到一定的屏蔽作用。而电源主电路的设计，则主要需要负责进行电源功率的转换。而进行主电路的控制，则可以将市电转化成需要的电压或电流。此外，系统的控制电路需要为主电路提供控制脉冲，并为主电路提供保护功能。所以，系统的各个部分既具有相辅相成的关系，同时也是一个统一的整体。
在进行电源主电路设计时，电路包含电网滤波、整流桥和PFC电路等多个部分。在交流电流流入到主电路后，整流模块将使交流电变成直流电，并利用PFC电路将脉动的直流电变成平滑直流电。同时，PFC电路需要使网侧电流成为正弦波。在功率开关桥通过滤波将直流电转变成高频方波电压后，该电压将通过高频变压器传至变压器副边[1]。最后，高频方波电压整流滤波将通过整流滤波电路转变成直流电压或电流。
控制电路的设计，需要完成为主电路提供驱动脉冲的任务。作为整个电源系统的核心，控制电路需要进行系统装置的控制，并进行相应保护功能的实现。所以，控制电路应具有驱动电路、保护电路和辅助电源电路等多个电路。此外，在电源有特殊要求的情况下，还要进行特定功能电路的加装。
2 大功率开关电源的系统设计
2.1 PFC电路设计
在进行系统设计时，系统的二极管整流电路输入电流中含有大量谐波，无法满足电路的功率因素要求。所以，需要进行PFC电路的设计，以便进行功率因素校正技术的应用。而UC3854是一种有源功率因素校正专用控制电路，具有升压变换器校正功率因素需要的一系列控制功能。所以，在进行PFC电路设计时，可以采用UC3854作为电路的主要控制芯片。从电路组成上来看，PFC电路主要由两部分构成，即以UC3854为核心的控制电路和升压变换器主电路。其中，升压变换器电路由整流桥、升压电感、隔离二极管和滤波电容等结构组成。在电流持续状态下，输入与输出电压比将对脉冲占空比起到决定性的影响，以便使电路噪声降低至最小。
在进行主电路设计时，需要较好的完成对各个元器件的选择。一方面，升压电感对于电力特性、效率和作用有着重要的影响，所以需要恰当的进行电感器的选择。具体来讲，就是根据电网电压最低负载进行电感电流最大峰值的确定，并利用AP法进行电感材料的选择[2]。另一方面，在进行输出电容器选择时，需要考虑输出电压大小、电容允许通过电流值和串联电阻大小等多种因素。同时，还需要根据稳压电源要求进行电容容量的确定，以便确保电容具有足够的放电维持时间。
2.2 软开关变换器设计
在进行软开关变换器设计时，需要完成对主电路拓扑的选择，并进行变压器、开关元件、输出滤波电路和谐振电感等多方面内容的设计。首先，在进行主电路拓扑结构选择时，需要考虑变压器原边电路拓扑结构，并考虑其应用范围。根据设计要求，可以将DC/DC变换器的输出功率设定为3.8kw，并按照功率范围选择正激、半桥等电路。而由于DC/DC变换器的输入电压为PFC电路所提供，所以相对较为稳定，不需要考虑偏磁问题[3]。其次，在进行高频变压器设计时，需要考虑能量转换、电压变换等问题。作为变换器的核心元件，变压器的好坏直接影响着开关电源的可靠性。就目前来看，变压器的设计可以按照一定的步骤来进行。具体来讲，就是依次完成对变压器匝比、磁芯、绕组匝数、绕组导体截面面积和变压器分布参数的计算或分析。此外，在进行开关元件的选择时，需要考虑到开关速度和电路简洁性问题。
2.3 辅助电路设计
为了确保系统的正常运行，还要进行辅助电路的设计。而从结构上来看，辅助电路主要包含两部分，即辅助电源和保护电路。一方面，在进行辅助电源设计时，需要为PFC控制电路、移相全桥变换器控制电路等多个电路配备电源。而采用开关电源技术进行辅助电源的设计，则可以使辅助电源适应系统的电压变化和负载变化，以便为系统各电路提供直流稳压电源。此外，在进行辅助电源电路设计时，则可以采用外接元件较少的PWM集成控制器进行电路的控制，以便使电路得到一定程度的简化。另一方面，在进行保护电路的设计时，需要进行输入过压、输入欠压、输出过压保护和超温保护电路的设计，以便为系统电路提供更多的保护。而保护电路的设计与实现电路相类似，但是需要完成对电路故障的检测。在出现故障时，保护电路的检测信号电压将大于给定电压[4]。而保护电路将进行低电平的输出，并进行保护信号的输出，以便为系统电路提供保护。
3 结束语
总而言之，基于PFC和软开关的大功率开关电源应该由电源主电路、电源控制电路和机箱这三个部分组成。而为了使开关稳压电源具有较高的性能和较大的功率，则需要进行高功率因素的变换器电路和软开关变换电路的设计。此外，为了给电源提供一定的保护，还要进行辅助电路的设计。
参考文献
[1]文立群，肖强晖.基于UC3846的有源嵌位单级PFC开关电源[J].湖南工业大学学报，2014，2（28）：52-55.
[2]黄冲冲.基于软开关技术直流开关电源的研究[D].西安科技大学，2012.
开关电源的设计与实现范文5
关键词：任务驱动教学法；开关电源；应用与维护
开关电源的应用与维护课是应用电子技术专业职业能力的必修课，也是电气自动化技术的专业技能课。主要讲解开关电源技术基础、自激式开关电源的应用与维修、他激式开关电源的应用与维修、单片开关电源的应用与维修、家电产品中的开关电源与维修、办公设备中的开关电源与维修、功率因数校正器的应用与维修以及新型开关电源的应用与维修。通过对这些实用技术的教学，可提高学生对开关电源应用与维修的实践技能，培养学生的综合职业能力。
一、任务驱动教学法
任务驱动教学模式是指教师将教学内容设计成一个或多个具体的任务，力求以任务驱动，以某个实例为先导，进而提出问题，引导学生思考，让学生通过学习和实践掌握教学内容，达到教学目标，培养学生分析问题和解决问题的能力。
二、任务驱动教学法在开关电源的应用与维护教学中的作用
1.改变了课堂教学的形式，使理论和实践相结合。我国现阶段高职院校的教学形式还停留在“教师传授，学生接受”为主的教学模式，教学效果并不理想，也不能满足社会对人才的需求。把任务驱动教学法引入具体的课程中，能有效改变教师讲、学生听的教学形式，让学生成为课上的主体，教师只进行指导，实现教与学的有机统一、理论与实践的结合。
2.改变学生的学习方式，激发学习兴趣，丰富学习形式。教师要结合教学的内容和重点，设计不同的教学任务，让学生主动参与到任务的完成中，使学生由原来的“要我学”变成“我要学”。
3.改变了教学的目标，提高了教学法的实效性。传统的教育理念强调知识目标的实现，而任务驱动教学法则将知识目标、能力目标和素质目标有机结合，让学生在掌握知R的同时，培养了能力，以适应未来就业岗位的需求。
三、任务驱动教学法在开关电源的应用与维护课中的具体做法
任务驱动教学法中的任务需要精心设计和考量，应以知识目标为指导，选择具有典型性、易实施的任务，而不是教材中的每一节内容都适合采用任务驱动的方式，更不能脱离教材而随意选择内容。本课程划分为四大模块：开关元件与驱动电路、变换器与软开关技术、控制电路和开关电源电路分析。现以模块4“开关电源电路分析”为例，介绍任务驱动法在开关电源的应用与维护课程教学中的应用。该模块设计三个任务：电源电路图分析、电路中元件确定和电路析焊接并测试，其具体实施如下：
1.设计情境。小李是设计部的一名新来员工，恰巧公司正在研发新产品，由于小李没有经验，所以工作开展中遇到很多困难。大家一起看看，他都遇到了哪些困难，能不能帮助他解决？
2.引出任务。课件显示一件电源电路图，教师引出任务：小李拿到了一张电源电路图，但他怎么也不明白其工作原理。大家根据所学的知识，看看能不能帮小李分析？教师给一定自由思考时间，让学生讨论并分析电路图，然后提问个别学生回答。教师根据学生的回答情况进行总结，并正确分析电路图。
3.独立探索。第一个任务完成后，教师再次引出任务，并培养学生独立探索的能力。教师：“同学们，电路图分析完了，谁知道这张电路图都需要哪些元件，元件的参数件又都是多少？”教师提供相关的学习资源供学生查阅，让学生独立完成。这样可以调动其学习兴趣及参与积极性，不放弃任何一个学生。查完后，学生代表发言，其他学生对照自己的结果，进行对比分析，发现问题并及时解决。最后，教师讲解所需的元件及每个元件的参数。
4.确定任务并告知。教师告知训练任务，即电路板焊接并调试。教师讲解焊接过程中的注意事项及安全问题，让学生整理电路图。
5.学生分组协作学习。5～6名学生为一组，每组选派一名组长。分组讨论完成本次任务的步骤，确定所需的设备、工具及材料等，由组长分工，合作完成焊接任务。这样学生不仅学到了知识，也培养了团结合作的精神。在学生焊接的过程中，教师要巡视每组完成的情况，并加以指导。
6.验收成果并评价。每组对完成的电路板自行进行测试，分析出错的原因，并加以改正。最终，每组先对任务的完成情况进行自评，再小组之间派代表进行互相评价。教师根据巡视情况及各组发言情况进行总结，并给出评分标准。
参考文献：
开关电源的设计与实现范文6
关键词：PWMSG3524控制器
引言
开关电源一般都采用脉冲宽度调制（PWM）技术，其特点是频率高，效率高，功率密度高，可靠性高。然而，由于其开关器件工作在高频通断状态，高频的快速瞬变过程本身就是一电磁骚扰（EMD）源，它产生的EMI信号有很宽的频率范围，又有一定的幅度。若把这种电源直接用于数字设备，则设备产生的EMI信号会变得更加强烈和复杂。
本文从开关电源的工作原理出发，探讨抑制传导干扰的EMI滤波器的设计以及对辐射EMI的抑制。
1开关电源产生EMI的机理
数字设备中的逻辑关系是用脉冲信号来表示的。为便于分析，把这种脉冲信号适当简化，用图1所示的脉冲串表示。根据傅里叶级数展开的方法，可用式（1）计算出信号所有各次谐波的电平。
式中：An为脉冲中第n次谐波的电平；
Vo为脉冲的电平；
T为脉冲串的周期；
tw为脉冲宽度；
tr为脉冲的上升时间和下降时间。
开关电源具有各式各样的电路形式，但它们的核心部分都是一个高电压、大电流的受控脉冲信号源。假定某PWM开关电源脉冲信号的主要参数为：Vo=500V，T=2×10－5s，tw=10－5s，tr=0.4×10－6s，则其谐波电平如图2所示。
图2中开关电源内脉冲信号产生的谐波电平，对于其他电子设备来说即是EMI信号，这些谐波电平可以从对电源线的传导干扰（频率范围为0.15～30MHz）和电场辐射干扰（频率范围为30～1000MHz）的测量中反映出来。
在图2中，基波电平约160dBμV，500MHz约30dBμV，所以，要把开关电源的EMI电平都控制在标准规定的限值内，是有一定难度的。
2开关电源EMI滤波器的电路设计
当开关电源的谐波电平在低频段（频率范围0.15～30MHz）表现在电源线上时，称之为传导干扰。要抑制传导干扰相对比较容易，只要使用适当的EMI滤波器，就能将其在电源线上的EMI信号电平抑制在相关标准规定的限值内。
要使EMI滤波器对EMI信号有最佳的衰减性能，则滤波器阻抗应与电源阻抗失配，失配越厉害，实现的衰减越理想，得到的插入损耗特性就越好。也就是说，如果噪音源内阻是低阻抗的，则与之对接的EMI滤波器的输入阻抗应该是高阻抗（如电感量很大的串联电感）；如果噪音源内阻是高阻抗的，则EMI滤波器的输入阻抗应该是低阻抗（如容量很大的并联电容）。这个原则也是设计抑制开关电源EMI滤波器必须遵循的。
几乎所有设备的传导干扰都包含共模噪音和差模噪音，开关电源也不例外。共模干扰是由于载流导体与大地之间的电位差产生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位同向的；而差模干扰则是由于载流导体之间的电位差产生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位反向的。通常，线路上干扰电压的这两种分量是同时存在的。由于线路阻抗的不平衡，两种分量在传输中会互相转变，情况十分复杂。典型的EMI滤波器包含了共模杂讯和差模杂讯两部分的抑制电路，如图3所示。
图中：差模抑制电容Cx1，Cx20.1～0.47μF；
差模抑制电感L1，L2100～130μH；
共模抑制电容Cy1，Cy2<10000pF；
共模抑制电感L15～25mH。
设计时，必须使共模滤波电路和差模滤波电路的谐振频率明显低于开关电源的工作频率，一般要低于10kHz，即
在实际使用中，由于设备所产生的共模和差模的成分不一样，可适当增加或减少滤波元件。具体电路的调整一般要经过EMI试验后才能有满意的结果，安装滤波电路时一定要保证接地良好，并且输入端和输出端要良好隔离，否则，起不到滤波的效果。
开关电源所产生的干扰以共模干扰为主，在设计滤波电路时可尝试去掉差模电感，再增加一级共模滤波电感。常采用如图4所示的滤波电路，可使开关电源的传导干扰下降了近30dB，比CISOR22标准的限值低了近6dB以上。
还有一个设计原则是不要过于追求滤波效果而造成成本过高，只要达到EMC标准的限值要求并有一定的余量（一般可控制在6dB左右）即可。
3辐射EMI的抑制措施
如前所述，开关电源是一个很强的骚扰源，它来源于开关器件的高频通断和输出整流二极管反向恢复。很强的电磁骚扰信号通过空间辐射和电源线的传导而干扰邻近的敏感设备。除了功率开关管和高频整流二极管外，产生辐射干扰的主要元器件还有脉冲变压器及滤波电感等。
虽然，功率开关管的快速通断给开关电源带来了更高的效益，但是，也带来了更强的高频辐射。要降低辐射干扰，可应用电压缓冲电路，如在开关管两端并联RCD缓冲电路，或电流缓冲电路，如在开关管的集电极上串联20～80μH的电感。电感在功率开关管导通时能避免集电极电流突然增大，同时也可以减少整流电路中冲击电流的影响。
功率开关管的集电极是一个强干扰源，开关管的散热片应接到开关管的发射极上，以确保集电极与散热片之间由于分布电容而产生的电流流入主电路中。为减少散热片和机壳的分布电容，散热片应尽量远离机壳，如有条件的话，可采用有屏蔽措施的开关管散热片。
整流二极管应采用恢复电荷小，且反向恢复时间短的，如肖特基管，最好是选用反向恢复呈软特性的。另外在肖特基管两端套磁珠和并联RC吸收网络均可减少干扰，电阻、电容的取值可为几Ω和数千pF，电容引线应尽可能短，以减少引线电感。实际使用中一般采用具有软恢复特性的整流二极管，并在二极管两端并接小电容来消除电路的寄生振荡。
负载电流越大，续流结束时流经整流二极管的电流也越大，二极管反向恢复的时间也越长，则尖峰电流的影响也越大。采用多个整流二极管并联来分担负载电流，可以降低短路尖峰电流的影响。
开关电源必须屏蔽，采用模块式全密封结构，建议用1mm以上厚度的镀锌钢板，屏蔽层必须良好接地。在高频脉冲变压器初、次级之间加一屏蔽层并接地，可以抑制干扰的电场耦合。将高频脉冲变压器、输出滤波电感等磁性元件加上屏蔽罩，可以将磁力线限制在磁阻小的屏蔽体内。
根据以上设计思路，对辐射干扰超过标准限值20dB左右的某开关电源，采用了一些在实验室容易实现的措施，进行了如下的改进：
——在所有整流二极管两端并470pF电容；
——在开关管G极的输入端并50pF电容，与原有的39Ω电阻形成一RC低通滤波器；
——在各输出滤波电容（电解电容）上并一0.01μF电容；
——在整流二极管管脚上套一小磁珠；
——改善屏蔽体的接地。
经过上述改进后，该电源就可以通过辐射干扰测试的限值要求。
