浅谈开关电源设计及应用前景

浅谈开关电源设计及应用前景院校：*班级：*姓名：*学号：*浅谈开关电源设计及应用前景1、简介随着电力电子技术的高速发展，电力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，进入 80 年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入 90 年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在安防监控，节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制 IC 和 MOSFET 构成。开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM 开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。与线性电源相比，PWM 开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波” ，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。开关电源有两种主要的工作方式：正激式变换和升压式变换。尽管它们各部分的布置差别很小，但是工作过程相差很大，在特定的应用场合下各有优点。2、开关电源的现状20世纪90年代，开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源。可开关电源也存在着电路复杂、射频干扰、电磁干扰大的缺点。随着电子技术的发展，上述缺点正在被逐步克服。整机电路分为主电路和控制电路。主电路包括输入整流滤波、功率转换和输出整流滤波三个环节。大容量电力电源产品的需求迅速提升，开关电源市场稳步增长。因为国家对能源和环保问题日益重视，电力行业结构调整势在必行;随着电力电子技术的进步，开关电源在节能降耗环保问题上的作用日益显着；高效、大容量机组渐成市场主力，有效拉动电源市场需求，所以中国电力电源市场的这种变化与我国宏观政策导向和电力行业的影响密不可分。受国家宏观政策的影响，我国电力行业结构有所调整，小火电机组相继叫停，大型、高效机组陆续投产。这种电力行业结构的转变显着拉动了大容量电源的市场需求，从而有效带动开关电源市场稳步增长。市场集中度较低，厂商竞争相对激烈。中国电力电源厂商有近1000家，分布地域广而分散，市场规模亦较为均衡，厂商市场占有率均在10%以下。开关电源市场集中度相对较低，厂商间竞争较为激烈成为开关电源市场的主要特征之一。随着竞争的加剧，电力电源厂商在市场规模效应和技术研发能力上充分重视起来，以提高品牌影响力和市场竞争力。技术进步驱动产品创新。电力电源产品与电子技术的进步发展密切相关。近年来，随着我国电力电子技术的快速发展，开关电源产品也朝着高频化、高功率密度、高功率因素、高效率、高可靠性和高智能化方向发展。这种由于技术进步带动的产品创新同时受到市场的认可。 “绿色”电源，模块化电源的问世在节能、降耗、环保方面发挥了重要的作用，对于缓解我国的能源和环境问题大有裨益。总之，开关电源是电力电子发展的必然产物，顺应了时代的发展，它的出现已经带来了技术的革新。现在无论是国内还是国外都在发展开关电源，所以其前景是美好的，开关电源在一定程度上取代传统电源已经是必然的趋势了。3、开关电源分类设计按负载前连接方式分类开关电源中开关管与负载串联连接称为串联型开关电源，开关管与负载并联连接称为并联型开关电源。串联型开关电源的输出端通过开关调整管及整流二极管与电网直接相连，因电网隔离性差，整机底板带电，一般称为热板，这样不便于外界接口，如音视频插口、耳机插口等。并联型自激式开关电源，其输出端与电网有高频变压器进行电的隔离。因此机板上除了与开关变压器初级相连的开关电源部分外，其余均不带电，称为冷板。其安全性好，也容易与外界接口，通过开关变压器的次级可以做到多路电压输出。按稳压控制方式分类开关电源的调节稳压是通过调节功率开关管的占空比来实现的。设开关管的开关周期为，在一个周期内，导通时间为，则占空比定义为。在开关电源中，改变占空比的控制方式有两种：即脉冲宽度调制（）和脉冲频率调制（） 。在脉冲宽度控制中，保持开关频率（开关周期）不变，通过改变来改变占空比，从而达到改变输出电压的目的。即越大，滤波后输出电压也就越大；越小，滤波后输出电压越小。在频率控制方式中，保持导通时间不变，通过改变频率（即开关周期）而改变占空比。由于频率控制方式的工作频率是变化的，造成后续电路滤波器的设计比较困难，因此，目前绝大部分的开关电源均采用控制。按激励方式分类开关调整管的启动所需的激励信号来自开关电源外的称为它激式，若由自激振荡产生激励的称为自激式。一般它激式都是由行逆程脉冲作为开关调整管导通的激励信号，部分自激式开关电源为了使振荡频率与行频率同步，也采用了行逆程脉冲作为触发电平。目前应用最多的是采用控制的自激式并联型开关电源。按输入电压方式分类按输入电压方式开关电源分为和两大类。变换是将交流变换为直流即整流。按电路的接线方式可分为半波电路、全波电路。按电源相数可分为单相、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波，有电路一降压斩波器，电路一升压斩波器，电路升降压斩波器。变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。4、开关电源的设计1. 确定电源基本参数 交流输入电压最小值 Umin=85V。 交流输入电压最大值 Umax=265V。 电网频率fL=50Hz。 输出电压 VO=5V,12V。 输出功率 PO=30W。 电源效率 =0.75。 损耗因数Z=0.5。 2. 根据输出要求，确定反馈类型和反馈电压 UFB 选择 TL431 带光藕的反馈电路，反馈电压 UFB=12V。 3. 确定输入滤波电容 CIN 在宽电压范围内，按照功率的 2 倍大小计算得输入滤波电容 CIN=47uF。 4. 根据交流电压确定初级感应电压 UOR，钳位二极管反向击穿电压 UB 初级感应电压 UOR=110V0.051mm =0.294mm0.051mm。 20. 计算有效骨架宽度 bE，导线外径 DPM 和内径 DPm 设 M=3mm，bE=d(b-2M)=22.6mm，DPM=bE/NP=0.37mm，DPm=0.32mm，取 D=0.3mm。 21. 验算 4AJ10A J=1.28IRMS/DPm2=8.36310A。 22. 计算留有气隙的等效电感量 ALG ALG=1000AL/NP2=0.192uH/N2=192nH/N2。 23. 确定次级参数 ISP,ISRMS,IRI,DSM 24. 确定次级整流管，反馈整流管的最高反向电压 U(BR)S=UO+U(IMAX) NS/NP,则 5V 的 U(BR)S24V，12 的 U(BR)S55V，UF(BR)S=55V。 25. 选择钳位二极管和阻塞二极管 钳位二极管选择 P6KE200A，阻塞二极管选择 SF16。 26. 选择输出整流二极管 根据电流大小选择，5V 选择 SR360，12V 选择 SF32。 27. 选择输出滤波电容 输出滤波电容选择 470uF/35V。 28. 验证纹波 为减少纹波，增加电感滤波。 29. 选择滤波电感 L=3.3uH/2.2A，滤波电容选择 220uF/35V。 30. 选择反馈电路的整流管 反馈二极管选择 1N4148。 31. 选择反馈滤波电容 反馈滤波电容选择 0.1uF/50V 陶瓷电容。 32. 选择控制端电阻和电容 控制端电容选择 47uF/25V，电阻为 10 欧。 33. 选择反馈元件 反馈元件为 TL431 和线性光隔 PC817A。 34. 选择输入整流桥 在交流 85V265V 范围内时，选择耐压在 600V 以上的整流管 FR207。 35. 设计完毕 五、开关电源的应用（1）PC 电源：输出电压为：12V/14A，-12V/0.5A，5V/18A，3.3V/14A；（2）笔记本适配器：输入 100-240Vac，50-60Hz，输出 20V/3.25A；（3）打印机电源；（4）通讯电源；（5）数电和模电实验箱中的电源：输出5V，12V ，15V 给芯片或者三极管供电，（差分放大电路中三极管工作时需要正、负电源，运算放大器有时也需要正、负电源） ； （6）不间断电源（UPS） ；（7）医疗器械上的电源(如 CT 扫描仪） ；（8）航空电源； （9）LED 驱动电源；（10）电子镇流器；（11）液晶电视电源；（12）传真机、复印机的电源；（13）弧焊机电源等等；(14) 变频器（风力发电） 、电力仪表、太阳能发电等发电设备 ； (15) 铁路交通设施、电动汽车充电设备、工业自动化设备。六、开关电源的趋势1、小型化、薄型化、轻量化、高频化 开关电源的体积、重量主要是由储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积；在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能。因此，高频化是开关电源的主要发展方向。 2、高可靠性 开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍，因此提高了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度。这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护等功能，简化了电路，提高了平均无故障时间。 3、低噪声 开关电源的缺点之一是噪声大。单纯地追求高频化，噪声也会随之增大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声。所以，尽可能地降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。 4、采用计算机辅助设计和控制 采用 CAA 和 CDD 技术设计最新变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。在电路中引入微机检测和控制，可构成多功能监控系统，可以实时检测、记录并自动报警等。 开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关的。高频化的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。发展功率 MOSFET、IGBT 等新型高速器件，开发高频用的低损磁性材料，改进磁元件的结构及设计方法，提高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等，对于开关电源小型化始终产