开关电源原理设计范文1
关键词:开关电源的应用与维护；整体设计；教学项目考核
1课程基本信息
《开关电源的应用与维护》是一门应用电子技术专业学生的职业能力必修课,它是学生入学第四学期开设的课程。它的先修课程是《电路基础》《模拟电路的分析与应用》《数字电路的分析与应用》。后续课程有《电子整机电路检修与调试》《供、配电系统的运行与检测》。在应用电子技术专业课程体系中,它是一门“行业概貌”类型的课程,开关电源应用相当广泛与普遍,学生通过这门课的学习对自己未来所从事的岗位和专业将会有比较深入的了解,更会对自己未来的行业有生动细致的体验。
2课程定位
2.1岗位分析应用电子技术专业的学生初次就业可从事:开关电源维修工、流水线装配工、电源设备维护员等。晋升的岗位有:开关电源产品技术员、设计员、设备主管、生产主管等。未来的发展岗位有:系统工程师、研发工程师、新型项目研发负责人等。2.2课程分析具体情况见表1。
3课程目标设计
3.1总体目标通过此门课程的学习,使学生了解电子元器件在高频工作状态下的特性,能够对各种不同种类开关电源的结构和工作过程进行分析和调试,能够根据电路图判断开关电源的拓扑结构以及调制方式;使学生能够通过常用工具、仪表进行开关电源的安装、调试、检修;使学生能够胜任各种开关电源电路系统的维护、分析、设计等工作岗位;为学生进一步学习专业知识和职业技能打下良好基础;培养学生的团队意识、创新能力。3.2能力目标(1)学会使用仪表进行开关元器件的识别与检测的方式方法。(2)能够具备根据电路图进行开关电源的结构种类的判断,分析调制方式的能力。(3)能够具备使用仪器仪表和工具进行开关电源的日常维护与故障分析处理的能力。(4)能够按照行业标准和工厂实践要求进行开关电源的安装、调试、检测。(5)掌握开关电源的设计方法,了解开关电源的新技术。3.3知识目标(1)掌握开关电源的基础知识,知道开关电源的种类。(2)理解开关电源的基本原理,掌握开关电源的工作方式。(3)了解掌握开关电源中常用的电子器件及其驱动方式。(4)理解掌握各种非隔离型DC-DC变换器的拓扑结构和控制方式及工作原理。(5)理解掌握各种隔离型DC-DC变换器的拓扑结构和控制方式以及工作原理。(6)掌握软开关与整流技术。(7)理解掌握开关电源的控制方式以及多种调制芯片的工作原理。(8)了解整流器和保护电路的工作原理。(9)掌握开关电源的电路分析方法。3.4素质目标(1)注意日常操作的职业素养,养成正确配戴劳动保护用品的良好习惯,具有自我防护意识。(2)培养学生勇于探索的科学态度,勇于实践创新的精神。(3)培养学生养成遵守工作规范、工艺规定及安全操作规程的意识。(4)培养严肃认真、科学严谨的精神;培养学生的协调能力。(5)培养学生与客户及应用方的沟通能力。(6)培养学生将理论应用于实践,彼此互相结合的精神。
4课程内容设计
《开关电源的应用与维护》这门课程的整体设计由4个项目组成,个别项目包含子项目。教师通过带领学生完成这些项目,使学生能了解开关电源的现状和发展趋势,能熟练使用常用仪器设备和工具进行电脑、充电器和普通用电设备开关电源的维护和一般故障排除。初步使用专业软件和专业外语;学生能够按照行业标准和要求完成相关工作任务;学生能够根据具体用电器的要求进行图纸绘制、进行简单计算、并进行初步分析和设计。具体设计内容见表2。5考核方案此课程改变以往用试卷方式为终结性考核的形式,采用项目过程考核,并将每个项目赋予了不同权重,根据学生对项目的实际操作完成情况,平时课上就给出了实践操作成绩。同时,结合同学的课堂表现、出勤及作业完成情况,最终确定其这门课的成绩。教学项目考核成绩表见表3。
参考文献
[1]沈显庆.开关电源原理与设计[M].南京:东南大学出版社,2012.
开关电源原理设计范文2
摘 要：以uc3842和fqp12n60c为基础设计了一款可编程序控制器专用电源。意在介绍通用开关电源的工作原理与设计过程，并且着重介绍高频变压器的设计以及整板调试过程，突出以理论为基础，工程设计为主导的设计方法。该电源经过实际测试，符合可编程序控制器专用电源的标准。
关键词：变频器；开关电源；uc3842
引言
现应用uc3842芯片设计了一款可编程序控制器用的开关电源，经过大量实验。在输入有很大波动的时候，该电源也能稳定工作。其中为cpu供电的+5v电源误差范围在0.1v，达到了设计目标。而且本开关电源也可作为其它电力电子控制设备的电源，可移植性能好。
1 设计要求
本电源利用pwm控制技术实现dc-dc转换，通过fqp12n60c的电流检测端口与控制电路要求精度最高的电源相连，当输入有干扰的情况下，通过调节占空比来稳定对多路电源的输出。
具体指标如下：输入：直流250v±40%，输出：直流+24v、6a；+5v、2a。输出全部采用共地方式，控制系统对电源输出的纹波电压小于5%。
2 原理图功能分析与设计过程
基于uc3842和fqp12n60c所组成的开关电源的电路原理图。包括整流、滤波、pwm控制器等结构。电源内部采用单端反激式拓扑结构，具有输入欠电压保护、过电压保护、外部设定极限电流、降低最大占空比等功能。
2.1输入侧整流、滤波、保护电路设计。从ac（l）线路进线串联保险丝（f1），起到过流保护作用。从ac（n）线路进线串联热敏电阻（rt110d-9），对接通ac电源时产生的浪涌电流起限制作用。在熔断器与热敏电阻的出线端并联压敏电阻（vr1），对接通ac电源时产生的浪涌电压起限制作用。之后并联安规电容cx1，泄流电阻r5。防止大电容失效后漏电，危及用电人员安全。之后串联电感，出线端并联x2电容。然后经过整流桥d1整流，在直流侧并联电解电容c10滤除整流后的交流分量以及谐波成份。
2.2功率管参数调整与电路设计。电阻r1提供电压前馈信号，使电流可随电压而降低，从而限定在高输入电压时的最大过载功率。电阻r2实现线电压检测。由电阻r6，电容c30，开关管zd1，二极管d88组成简单的rcd箝位电路。达到保护开关管的目的。因而t1可以使用较高的初次级匝数比，以降低次级整流管d3上的峰值反向电压。电路采用简单的齐纳检测电路来降低成本。输出电压稳压由齐纳二极管（ic2）电压及光耦合器（ic1）决定。电阻r9提供进入齐纳二极管的偏置电流，产生对+5v输出电平、过压过载和元件变化时±5%的稳定度。
2.3高频变压器磁路设计。由于反激变换器对多组输出的应用特别有效。即单个输入电源使用同一磁路有效地提供多个稳定输出。因此本文设计的开关电源采用反激式变换结构。高频变压器的设计过程主要包括：磁芯大小的选择、最低直流输入电压的计算、工作时的磁通密度值的选择等。
（1）设计参数。设计使其工作在132khz模式下。输入：直流250v±40%，输出：+24v、6a；+5v、2a。
（2）功率计算。
p=24×6×1+5×2×1=154w （1）
（3）磁芯选择。由公式（2）、（3）
sj=0.15■=2.01cm2 （2）
p1=■=■=181.18w （3）
再由实际中输出引脚个数等因素，查磁芯曲线可得选择磁芯eer40。
（4）工作时的磁通密度计算。对于eer40的磁芯，振幅取其一半bac=0.195t。
（5）原边感应电压的选择。这个值是由自己来设定的，但是这个值决定了电源的占空比。其中d为占空比，vs为原边输入电压，vor为原边感应电压。d=■本文选定占空比d=0.5。
（6）计算变压器的原边匝数：np=■=42匝。
（7）计算变压器的副边匝数。对于+5v，考虑到整流管的压降0.7v以及绕组压降0.6v。则副边+5v电压值：v2=（5+0.7+0.6）v=6.3v。
原边绕组每匝伏数=■=■=3.57伏/匝。
则+5v副边绕组匝数为：n5=■=1.76匝。由于副边低压大电流，应避免应用半匝线圈，考虑到e型磁芯磁路可能产生饱和的情况，使变压器调节性能变差，因此取1.76的整数值2匝。计算选定匝数下的占空比辅助输出绕组匝数，因为+5v副边匝数取整数2匝，反激电压小于正向电压，新的每匝的反激电压为6.3伏/匝。占空比必须以同样的比率变化来维持v-s值相等。由此可得：+24v副边绕组匝数为：n24=■=7.08匝。取整数值为7匝。
对于反馈线圈的匝数，反馈电压是反激的，其匝数比要和幅边对应。ns=■=1.76匝。取整数值为2匝。
（8）确定磁芯气隙的大小。首先求出原边电感量（mh），根据lp=vs■则全周期ts的平均输入电流is=■=■=1a。
相应的im=■=2a，ip1=■=1a。
ip2=3ip1=3a在ton期间电流变化量i=ip2-ip1=2a，lp=vs■=150×■=0.56mh。所以电感系数al=■=■=0.00049×■。根据所选磁芯的al=f（lg）曲线，可求得气隙
lg=■=■=0.45mm
（9）变压器设计合理性检验。首先利用磁感应强度与直流磁密相关的关系计算直流成分bdc。根据公式计算可以得到：bdc=?滋h=185mt
而交流和直流磁感应强度相加之和得到的磁感应强度最大值bmax=?滋h=■+bdc=282.5mt，而从磁性材料曲线可知bs=390mt，故工作时留有余量，设计通过。
（1、烟台德尔自控技术有限公司，山东 烟台 264006 2、沈阳工业大学，辽宁 沈阳 110178）
摘 要：以uc3842和fqp12n60c为基础设计了一款可编程序控制器专用电源。意在介绍通用开关电源的工作原理与设计过程，并且着重介绍高频变压器的设计以及整板调试过程，突出以理论为基础，工程设计为主导的设计方法。该电源经过实际测试，符合可编程序控制器专用电源的标准。
关键词：变频器；开关电源；uc3842
引言
现应用uc3842芯片设计了一款可编程序控制器用的开关电源，经过大量实验。在输入有很大波动的时候，该电源也能稳定工作。其中为cpu供电的+5v电源误差范围在0.1v，达到了设计目标。而且本开关电源也可作为其它电力电子控制设备的电源，可移植性能好。
1 设计要求
本电源利用pwm控制技术实现dc-dc转换，通过fqp12n60c的电流检测端口与控制电路要求精度最高的电源相连，当输入有干扰的情况下，通过调节占空比来稳定对多路电源的输出。
具体指标如下：输入：直流250v±40%，输出：直流+24v、6a；+5v、2a。输出全部采用共地方式，控制系统对电源输出的纹波电压小于5%。
2 原理图功能分析与设计过程
基于uc3842和fqp12n60c所组成的开关电源的电路原理图。包括整流、滤波、pwm控制器等结构。电源内部采用单端反激式拓扑结构，具有输入欠电压保护、过电压保护、外部设定极限电流、降低最大占空比等功能。
2.1输入侧整流、滤波、保护电路设计。从ac（l）线路进线串联保险丝（f1），起到过流保护作用。从ac（n）线路进线串联热敏电阻（rt110d-9），对接通ac电源时产生的浪涌电流起限制作用。在熔断器与热敏电阻的出线端并联压敏电阻（vr1），对接通ac电源时产生的浪涌电压起限制作用。之后并联安规电容cx1，泄流电阻r5。防止大电容失效后漏电，危及用电人员安全。之后串联电感，出线端并联x2电容。然后经过整流桥d1整流，在直流侧并联电解电容c10滤除整流后的交流分量以及谐波成份。
2.2功率管参数调整与电路设计。电阻r1提供电压前馈信号，使电流可随电压而降低，从而限定在高输入电压时的最大过载功率。电阻r2实现线电压检测。由电阻r6，电容c30，开关管zd1，二极管d88组成简单的rcd箝位电路。达到保护开关管的目的。因而t1可以使用较高的初次级匝数比，以降低次级整流管d3上的峰值反向电压。电路采用简单的齐纳检测电路来降低成本。输出电压稳压由齐纳二极管（ic2）电压及光耦合器（ic1）决定。电阻r9提供进入齐纳二极管的偏置电流，产生对+5v输出电平、过压过载和元件变化时±5%的稳定度。
2.3高频变压器磁路设计。由于反激变换器对多组输出的应用特别有效。即单个输入电源使用同一磁路有效地提供多个稳定输出。因此本文设计的开关电源采用反激式变换结构。高频变压器的设计过程主要包括：磁芯大小的选择、最低直流输入电压的计算、工作时的磁通密度值的选择等。
（1）设计参数。设计使其工作在132khz模式下。输入：直流250v±40%，输出：+24v、6a；+5v、2a。
（2）功率计算。
p=24×6×1+5×2×1=154w （1）
（3）磁芯选择。由公式（2）、（3）
sj=0.15■=2.01cm2 （2）
p1=■=■=181.18w （3）
再由实际中输出引脚个数等因素，查磁芯曲线可得选择磁芯eer40。
（4）工作时的磁通密度计算。对于eer40的磁芯，振幅取其一半bac=0.195t。
（5）原边感应电压的选择。这个值是由自己来设定的，但是这个值决定了电源的占空比。其中d为占空比，vs为原边输入电压，vor为原边感应电压。d=■本文选定占空比d=0.5。
（6）计算变压器的原边匝数：np=■=42匝。
（7）计算变压器的副边匝数。对于+5v，考虑到整流管的压降0.7v以及绕组压降0.6v。则副边+5v电压值：v2=（5+0.7+0.6）v=6.3v。
原边绕组每匝伏数=■=■=3.57伏/匝。
则+5v副边绕组匝数为：n5=■=1.76匝。由于副边低压大电流，应避免应用半匝线圈，考虑到e型磁芯磁路可能产生饱和的情况，使变压器调节性能变差，因此取1.76的整数值2匝。计算选定匝数下的占空比辅助输出绕组匝数，因为+5v副边匝数取整数2匝，反激电压小于正向电压，新的每匝的反激电压为6.3伏/匝。占空比必须以同样的比率变化来维持v-s值相等。由此可得：+24v副边绕组匝数为：n24=■=7.08匝。取整数值为7匝。
对于反馈线圈的匝数，反馈电压是反激的，其匝数比要和幅边对应。ns=■=1.76匝。取整数值为2匝。
（8）确定磁芯气隙的大小。首先求出原边电感量（mh），根据lp=vs■则全周期ts的平均输入电流is=■=■=1a。
相应的im=■=2a，ip1=■=1a。
ip2=3ip1=3a在ton期间电流变化量i=ip2-ip1=2a，lp=vs■=150×■=0.56mh。所以电感系数al=■=■=0.00049×■。根据所选磁芯的al=f（lg）曲线，可求得气隙
lg=■=■=0.45mm
（9）变压器设计合理性检验。首先利用磁感应强度与直流磁密相关的关系计算直流成分bdc。根据公式计算可以得到：bdc=?滋h=185mt
而交流和直流磁感应强度相加之和得到的磁感应强度最大值bmax=?滋h=■+bdc=282.5mt，而从磁性材料曲线可知bs=390mt，故工作时留有余量，设计通过。
3 结论
24v输出电压波形
参考文献
[1]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[m].第一版.北京：电子工业出版社，1999，7.
[2]赵书红，谢吉华，曹曦.一种基于top switch的变频器开关电源[j].电气传动，2007，26（9）：76-80.3 结论
24v输出电压波形
参考文献
开关电源原理设计范文3
关键词：RCC； 开关电源； 频率计算； 变压器设计
中图分类号：TN710-34； TM433 文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2011)24-0199-03
Design for RCC Switch Mode Power Supply Based on Frequency Account
YANG Shu-tao, GU Jia-chen, QI Li, WANG Zai-li
(Unit 63889 of PLA, Mengzhou 454750, China)
Abstract： RCC (ringing choke convertor) is one of the most popular ways to design low/medium SMPS (switch mode power supply). Due to the parameters are interactional in the design of RCC SMPS, the interaction makes calculation and debugging complex. The existing ways preelect the frequency, and then validate them repeatedly by AP. Several time calculation is needed. Moreover, the system is hard to work in the best state. The transformer design is the key link in SMPS, and the most important reference is frequency in transformer design. If the working frequency can be obtained in advance, or at least make certain of the influence factors, the account and debugging time will be shorten obviously. The formula for frequency is derived first to determine the main source of frequency, and the relation of the transformer inductance and the input voltage. And then the other parameters of the transformer are confirmed, at last the other parameters of whole SMPS are determined. The rationality of the design was proved by the simple debugging for SMPS hardwares.
Keywords： RCC; switch mode power supply; frequency account; transformer design
RCC（Ringing Choke Convertor）式开关电源具有所需器件少，成本低，不用外部时钟控制，工作于临界连续状态，可以方便地实现电流型控制，在结构上是单极点系统，容易得到快速稳定的响应，具有自动功率限制等优点 [1-2 ]。RCC电路原理简单，由开关变压器和主开关管谐振产生振荡，副开关管可以调节占空比，以此调节输出电压 [3-4 ]。但是RCC电源的占空比、工作频率随使用环境和内部参数的变化而改变，使得开关管控制极的电流驱动波形难以确定，给器件参数选定，尤其是变压器的设计带来困难 [5-6 ]。传统设计主要有诺模图法和磁芯面积乘积AP计算校验法 [3-4 ]。这两种方法在定频率计算中较实用，但若未知频率，将不能用以上两种方式设计。传统的方法是给RCC电源预设一频率，然后设计变压器 [1，3，5 ]。但因变压器参数直接影响到电源的工作频率，所设计的变压器工作频率经常与预设频率相差太大而不能正常工作；电源参数需多次重复设计，导致初期设计计算量大，而且该“拼凑法”在后期调试中，实际频率很难与理论值吻合，导致电源不能工作在设计的最佳状态。
本文推导出频率计算公式，并得出频率与输入电压成正比，与负载电流、初、次级电感量成反比。在确定的输入电压和已知的最大输出功率下，根据电源给定的输入电压、输出电压、额定工作频率和占空比直接求取变压器的初、次级匝数，一次设计就能确定变压器所有参数，解决了高频变压器设计中需要反复设计与验证的问题。基于该方法设计了一台5 V/10 A的开关电源，并对电源的工作频率、占空比等参数进行了验证。
1 RCC原理
1.1 RCC原理
RCC原理图如图1所示。上电后，C3两端电压使电流经起振电阻R1，R2，驱使主开关管Q1导通，随着Q1导通，经由反馈电感T1的反馈信号加强对Q1控制极正向驱动，使Q1迅速导通。因感应电动势与电流变化率成正比，当变压器初级电流最大(饱和导通)时，T1′两端电压为0，Q1退出饱和状态开始关断。此时，T1′感生反向电动势，加速Q1关断，同时饱和状态R4两端电压驱使Q2开通，并将Q1控制极短路，使Q1关断，经起振电阻R1，R2重新使Q1导通，依此循环 [3，7-8 ]。RCC电路始终工作在临界导通模式，不会出现反激变换中的连续能量传递模式，其初级电流始终都是一个锯齿形三角波形，而不会出现梯形波 [8-10 ]。RCC电路调节电压的输入方式是通过控制初级峰值电流来实现的［3］。
1.2 自振荡频率计算
若变压器T1的初级、次级电流为i1,i2，电压为u1,u2，匝数为N1,N2，电感量为L1,L2，分析变压器初级电感，由电磁感应定律知，在导通时间Δt下有以下关系：u1=L1i1Δt
（1） 在Δt为导通时间Ton时，初级有电流最大值：I1max=u1Ton/L1
（2） 则导通时间：Ton=L1I1max/u1
（3） 由变压器基本原理得次级最大电流值为：I2max=N1N2•u1L1Ton
（4） 由于次级电流以u2/L2比率减小，则次级输出瞬时电流为：i2=I2max-u2L2Δt
（5） 当Δt=Toff时，有：I2max-u2ToffL2=0
（6） 由式（3），式（4），式（6）可知，关断时间为：Toff=N1N2Ton=N1N2•L2u2I1max
（7） 由式（3），式（7）可知，占空比为：D=11+u1u2L2L1
（8） 由式（8）可知，占空比与变压器初级电感量L1成正比，与输入电压u1、次级电感量L2成反比，占空比不受初、次级电流变化的影响。
理想状态下变压器的输入输出能量相等：12L1I21maxf=u1i1
（9）由式（3），式（7），式（9）整理得： f=12i2u2u2L1/u1+L22
（10） 由式（10）可知，振荡频率f随u1的升高而升高，随输出电流i2、初次级电感量L1，L2的增大而减小。根据式（8），式（10），可确定变压器的初、次级电感L1，L2，它们是检验电源能否达到设计要求的重要参考。
2 设计实例
基于频率计算法设计了一个50 W的RCC开关电源，其原理图如图2所示。为了图面清晰，图中未画出工频滤波和整流电路。该电源采用典型RCC拓扑结构，其整流、滤波、缓冲吸收电路、电压负反馈电路、过流控制的设计可参照文献［3，11-12］。
2.1 选择磁芯
所设计的电源最大输出功率为Pout=50 W，所需的输入功率Pin=Pout/η，预计效率为0.8，以时变压器能承载的最大功率应不小于62.5 W。若设计的电源最低工作频率不低于50 kHz，查磁芯参数表知，EE30磁芯在50 kHz时最大输出功率为64 W [13-14 ]，能满足所需功率的要求，其磁芯有效截面积Ae=109 mm2。
2.2 求初、次级匝数
自激反激式变压器匝数N的计算公式为［1］：N=u22BwAef
（11）式中：输出电压u2=5.7 V（含整流管压降0.7 V），若允许磁芯工作磁通密度Bw≤120 mT，将Bw代入式（11）得N2≥4.35，则取整为5匝。
由于变压器的输入/输出能量相等：12u1I1maxTon=12u2I2maxToff=u2i2T
（12） 从而有：I2max=2i21－D
（13） 由于次级最大平均电流为10 A，设计占空比D为0.3，则输出瞬时极限电流I2max=28.57 A，由式（6）解出次级电感量L2=2.45 μH。同理可以得出初级极限电流I1max=1.34 A，初级电感量L1=1.39 mH。由式（4）知N1=106。
2.3 选定线径
漆包线电流密度J=4 A/mm2，则线径为：Φ=2×I/(J×π)
（14） 相应可得初次级绕组线径分别为：Φ1=0.253 mm，Φ2=1.784 mm。对照GB（国标）线径表，取接近且不小于计算值的初级线径为0.28 mm，次级线径为1.25 mm，两股并绕。
2.4 磁芯窗口空间校验
线圈所占窗口面积为：Aw1=πΦ214N1+πΦ222N2=17.6 mm2
（15） 查相应磁芯参数表知，EE30磁芯的窗口面积Aw=73.35 mm2，若窗口使用系数取推荐经验值 [3 ]0.4，则0.4Aw=29.34 mm2＞Aw1，磁芯空间可以容下绕组。
2.5 气隙计算
为了有效防止磁芯磁饱和，RCC式开关电源高频变压器应在磁芯中插入气隙 [10，14 ]，使磁芯的导磁率下降。气隙Lg的计算公式为 [3 ]：Lg=μ0AeN21L1
（16）式中：μ0为真空中磁导率，所有量均为已知。计算得Lg=1.26 mm。由于磁芯为EE型对称安装，磁芯气隙均分到磁芯所留空隙中，EE30磁芯安装时，需要保留Lg/2=0.63 mm的间隙。变压器的主要参数如表1所示。
3 实验结果及分析
输出电流为10 A时初级电流i1和次级电压u2如图3所示。从数字示波器的波形可以看出，此时的占空比D为0.31，与设定的占空比相差3.33%，频率f为47.6 kHz，与设定频率相差3.93%。这是由于高频变压器次级线圈取整引起的，通过调节磁芯气隙可以简捷调节变压器初、次级线圈的电感值，使各项指标与理论值相吻合。因误差不大，该设计中没有做此调整。
采用自耦变压器调压，测得在母线电压降低为250 V，次级电流保持10 A时次级电压如图4所示。
图3 满载时的初级电流、次级电压此时的占空比D为0.36，频率f为40 kHz，说明RCC变压器工作占空比随输入电压的减小而增大，工作频率随输入电压的减小而减小。将u1=250 V代入占空比计算式（8）和频率计算式（10），求解得出D=0.343，f=40.7 kHz，实际工作占空比与理论值相差5.56%，工作频率与理论值相差1.72%。输入直流电压为300 V，输出电流为5 A时，变压器次级线圈电压如图5所示。
此时的占空比D为0.3，频率f为100 kHz，说明当改变输出电流值时，电源的工作占空比并没有发生变化，占空比与输出电流大小没有关系。而工作频率随输出电流的减小而线性增大。将io=5 A代入占空比计算式（8）及频率计算式（10），求解得出D=0.3，f=92 kHz，工作频率与理论值相差8.69%。
4 结 语
RCC电路通过变压器初级线圈与开关管谐振产生自振荡，在输入电压和负载一定时，振荡频率受初、次级电感量的影响较大。因RCC工作频率可变，而过低频率将导致磁芯磁饱和，因此设计RCC变压器时必须留有气隙，以增大磁阻，防止磁芯饱和。与普通变压器工作方式不用，RCC变压器初、次级线圈相当于储能电感，加之变压器磁芯装配预留气隙产生的漏感以及缓冲网络引发的损耗，不能简单用初级的压匝比求次级匝数。为此，本文提出了一种用于RCC开关电源设计的频率计算验证方法，可以根据变压器的输入电压、输出电压、工作频率和占空比等参数直接计算变压器的相关参数。依照该方法设计的电源不需重复设计和校验即可工作在预设的状态，解决了RCC变压器需反复设计的问题。基于该方法设计了一台实验样机，实验表明，其工作状态与设定状态基本一致，说明用变压器匝数直接计算法设计RCC电源是可行和有效的。本文推导出了RCC电源的工作频率、占空比与变压器初、次级电感量、输入电压、输出电流的关系，为RCC式开关电源的设计和调试提供了依据。
参 考 文 献
［1］ 徐丽红,王佰营.ST自激式开关电源设计［EB/OL］. [2008-11-16 ]..
［3］ BILLINGS Keith. Switchmode power supply handbook [M ]. 2nd ed. Beijing: Posts&Telecom Press, 2007: 161-170; 193-197.
［4］ 张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计修订版［M］.北京:电子工业出版社,2007.
［5］ Runlife.RCC培训资料［EB/OL］. [2011-11-13 ]..
［7］ 王兆安,黄俊.电力电子技术［M］.4版.北京:机械工业出版社,1996.
［8］ 丁道宏.电力电子技术［M］.北京:北京航空工业出版社,1998.
［9］ 佚名.RCC电路间歇振荡现象的研究［D］.南京:南京航空航天大学,2002.
［10］ 蔡宣三,龚绍文.高频功率电子学［M］.北京:科学出版社,1993.
［11］ 赵春云,曹经稳.常用电子元器件及应用电路［M］.北京:电子工业出版社,2007.
［12］ 邱关源.电路［M］.4版.北京:高等教育出版社,1999.
［13］ 赵修科.实用电源技术手册(磁性元器件分册)［M］.沈阳:辽宁科学技术出版社,2002.
开关电源原理设计范文4
【关键词】DSP 高频 通信电源 探讨
随着电力通信网络建设的全面铺开，各地方电力通信服务的领域也得到了快速扩展。从现实的角度来看，电力通信系统当中各环节的运作都脱离不开系统电源装置的电流供给，整个高频通信电源装置的性能至关重要。从以往高频通信电源的设计及其目前应用情况来看，将朝着高效率、高频化的通信电源系统研发方向发展。为此，需要将原有的通信电源装置进行改良设计，经研究可知，在DSP支撑下的高频通信电源装置的设计是在开关电源功率因数校正原理的基础上而来的，该电源开关的频率为100KHz。
1 分析基于DSP的高频通信电源的可行性及其设计方案
1.1 基于DSP的高频通信电源的可行性研究
近年来，凭借多项科技的发展，我国的通信网络运行更为高效，其中的各部分装置的性能也越来越优良。在具体执行通信系统操作的过程中，系统的电源特性优劣对于整个环境中的电流分流以及系统稳定都有一定的影响。在以往，普通的通信电源的应用使得通信网络的高效能运作受到了一定的阻碍。为了升级通信网络中的各项功能，便提出一种基于DSP的高频通信电源的设计方案，以供构建更加完善的通信系统的过程中实施。
DSP是数字信号处理器的缩写，它是一种用数值计算的方式来对信号进行加工的技术类型的装置。该装置是具备专用的计算机性能的一种芯片，DSP技术在实践领域中的应用范围较为广泛，且该装置的应用特性极佳。
1.2 基于DSP的高频通信电源的设计方案分析
从具体情况来看，“小型高效”是电源系统装置发展的主流趋势，凭借先进的技术手段来实现高频化的电源设计，是当前乃至未来一段时间通信直流电源的发展方向。从整体情况来看，基于DSP的高频通信电源的设计方案的整个设计内容较为繁杂，但其核心就在于将数字信号处理器与整个电源系统相匹配，从而实现高效能、高频化的通信电源系统设计的目标。在DC/DC变换电路上所采用的是全桥移相控制的ZVS变换器，它作为电源装置的主变换电路。通过深入了解全桥移相控制变换器的工作原理，能够发现其存在全桥移相控制变换器副边占空比丢失的问题，因此，在DSP的支持下，将其结构进行适当的调整，即保留以往高频变压器原边串联的谐振电器装置的架构，并同时在滞后桥臂处增加辅助谐振网络的移相全桥的变换结构。这样一来，便可以实现超前臂与滞后臂开关管装置的零电压开关的设计，极大地改善了以往通信电源的性能。
2 基于DSP的高频通信电源设计方案的实现
2.1 在DSP支撑下的高频通信电源设计方案的实现
通过对集中常用的电源模块实施并联操作的测试可知，系统当中电流的自动均流状况都存在一定的问题，在此基础上，提出了一种将控制电路相结合的实用性平均电流自动均流电路的设计方案，这便解决了应用原有通信电源所产生的电流分流等现实问题，提升了电力能源的有效利用，以及维护了通信设备的安全、稳定运行管理。从实践操作过程来看，高效率是考核通信电源装置运作效能最关键的指标，对于高功率因数的通信开关电源而言，可以用两级电路组成的运作方式来实现高效率方案的设计，相对来讲，为了保证装置设计的经济性，小功率通信电源就无需进行此操作，并尽量降低通信系统中小功率期间的损耗。
2.2 综述基于DSP的高频通信电源装置的优势
从以往的研究过程中可知，电源的控制已经从传统的模拟控制形态跨越至全数字化控制的阶段，这也是通信电源装置技术沿革的必然发展方向。之所以会设计一种基于DSP的高频通信电源装置，其原因在于这套智能化的控制系统能够模拟人脑的思维模式，提升通信电源装置在整个系统中的自适应等方面的性能，强化通信系统的运营服务质量。此外，鉴于DSP的体积较小，且系统升级便捷，如若在日后遇到硬件资源配置等问题，则也极容易快速调整，不会影响整体通信系统的有序运作，与此同时，基于数字信号处理技术的高频通信电源装置控制系统的可靠性较以往有所该善，这样一来，该设计方案具备较高的产业价值，会带动产业经济的发展。
3 结束语
总而言之，通过分析高频通信电源及其相关技术的基本发展状况，能够了解到实际应用中对高频通信电源装置的需求，并以实践经验来探究更先进的高频通信电源。经研究分析以及实际运用可知，基于DSP的全数字控制下的高频化、高效率的新型通信开关式电源装置，能够辅助系统环境得到性能更稳定的直流电，而且，相比以往所采用的电源装置的形态而言，基于DSP的高频通信电源装置的体积更加小巧，但其为整个系统所输送的直流电量更充沛，可以满足系统应用的现实要求。
参考文献
[1]曾令燎，郭钟宁，贾雪奎等.基于DSP的高频高能脉冲电解电源设计[J].电加工与模具，2013，05（05）：35-36.
[2]刘敏，李永江，刘泽军.基于DSP的通信电源监控系统的设计[J].电源技术，2013，12（12）：2214-2216.
[3]曾敏，魏良红，马成等.基于DSP的高频逆变电阻点焊电源的研究[J].机械工程学报，2011，06（06）：82-85.
[4]刘敏，邓海丽，李永江.基于DSP的高频加热电源能量监控系统设计[J].电源技术，2013，09（09）：1684-1685.
作者简介
胡诚（1982-），男，湖北省咸宁市人。大学本科学历。现为国网鄂州供电公司工程师，从事电力系统通信运行检修工作。
作者单位
1.国网鄂州供电公司 湖北省鄂州市 436000
开关电源原理设计范文5
[关键词]单片开关电源 复合式 AC/DC MAX8873
一、引言
电源是现代电力电子设备不可缺少的组成部分,其性能的优劣直接影响设备的性能。传统的电源由于笨重、效率低而逐渐被重量轻、体积小、效率高的开关电源所代替。复合式开关电源作为一种高效率的开关电源,是对线性稳压电源和开关稳压电源进行优化组合形成的一种电源设计方案,它即具有输出电压稳定程度高、纹波电压小、电源转换效率高等众多优点。本文介绍了一种新型复合式开关稳压电源,该电源采用了一种新型单片AC/DC单片开关电源作为前级稳压器,为低压差线性稳压器MAX8873提供直流输入电压,然后利用低压差线性稳压器MAX8873获得高质量的稳压输出,组成高效率、输出可调的复合稳压电源。实验证明该电路具有良好的性能,有很高的实用性。
二、AC/DC开关电源
本设计采用基于Trench DMOS工艺设计的一种AC/DC开关电源管理芯片。该芯片的工作方式为PWM即脉冲宽度调制方式;电路正常工作温度范围是-35℃至130℃;工作的开关频率为100KHz;占空比调节范围是3%～65%。其特点是宽压输入,输出电压纹波小,芯片效率高。该开关电源变换器集成了耐650V高压的功率开关管、电流限流比较器、振荡器、旁路调整器/误差放大器、高压电流源、基准源和过温、过压/欠压、过流及自动重启等保护电路,采用PWM调制模式达到在不同的负载下的高效率,采用隔离结构降低了芯片的EMI。开关电源控制集成电路的原理图如图1所示:
针对变压器原边绕组的漏感产生的高压毛刺,采用二极管D1与稳压管VR1并联接入原边绕组侧,用来吸收高压毛刺。光电耦合三极管U2的偏置电压由二极管D3与电容C3构成的整流电路提供。稳压管VR2、电阻R1、光电耦合三极管U2、电容C5组成电压反馈电路,用来确保电压稳定能都稳定输出。稳压管VR2和电阻R2保证了电源空载或轻载时输出电压的稳定性。利用电容C2降低输出直流电压的交流纹波。
电路工作原理:输入交流电先经过整流桥BR1整流,之后再经电容C1滤波,最后转变为脉动的直流电压。当MOSFET开关管导通时,电容C1两端的电压加到反激变压器的原边,流过原边绕组的电流线性增加,变压器储存能量。当MOSFET开关管关断时,电感原边电流由于没有回路而突变为零,此时稳压管VR1的击穿电压高于原边的感应电势而截止。
该AC/DC开关电源控制芯片结构示意图如图2所示,该集成电路的主要组成部分有旁路调整器/误差放大器、锯齿波/振荡发生电路、PWM比较器、基准电压源、软启动电路、上电复位电路及其它保护电路等。
从图2可以看出控制芯片的最大特色是把外置管脚数控制为三个。振荡器和功率管的内置使管脚数减少,功率管的内置还提供了启动偏置电压。控制引脚C不仅给内部供电,还提供了反馈电流信号,可用于控制电路的旁路电流和控制PWM占空比。此外,来利用功率管的导通电阻作为敏感电阻,来实现各个周期内的限流保护,这些都是该电路的特色。
三、低压差线性集成稳压器MAX8873
低压差集成稳压器是近年来应用广泛的高效率线性稳压集成电路。传统的三端集成稳压器普遍采用电压控制型,为保证稳压效果,其输入输出压差一般取2V~4V来保证正常工作。低压差稳压器采用电流控制型,选用低压降的晶体管作为内部调整管,能够把输入输出压差降低到0.6V以下,提高了电源的转换效率。产品主要有MAXIM公司生产的MAX8873系列,MICREL公司生产的MIC39500系列,TI公司生产的TPS767系列,LT公司生产的LT1528系列等。本文采用应用广泛的MAX8873芯片,MAX8873的典型工作电路如图3所示。
MAX8873是MAXIM公司生产的输出120mA的低压差线性稳压器。其中IN和OUT分别为电压输入端和输出端,GND为公共端,SET和SHDN分别为调整端和控制端。其主要特点有:组成电源元件最少,压差低,静态电流低,有关闭电源控制,输出电压固定,由外接电阻组成的分压器时输出电压可调,内部有输出电流限制、过热保护及电池反接保护等。
MAX8873有两种工作模式:工作在预置的电压模式下或工作在可调的电压模式下。在预置的电压模式下,内部电位器能够设置它的输出电压,我们通过连接SET端到地选择这种模式。在可调模式下,我们通过在SET端连上两个外部电阻作为分压器来选择输出电压,电压范围可从1.25V到6.5V。
为了减小寄生电容的影响,我们在电阻R1两端串上一个10PF到25PF的电容。而在预置电压模式下,SET端和地之间的阻值不能小于100K,否则SET端的电压将超过两种工作模式的门限值60mV。
四、新型复合式开关稳压电源的设计
本复合式开关稳压电源的原理图如图4所示。
电源输入交流宽输入电压85V-265V,双路输出电压+5V/1.5A,-5V/1.5A,输出功率15W。电路包括输入整流滤波,脉宽调制,高频变压器,电流反馈,低压差线性稳压,整流滤波输出等几部分。交流输入经整流滤波后,产生一个的直流电压加在变压器初级绕组的一端和控制芯片的源极,变压器初级的另一端由控制芯片内的高压功率管驱动。变压器两组副边经整流滤波后分别产生±5.5V的输出电压,该电压经LC滤波后输入到MAX8873中,经MAX8873输出后再通过下一级LC输出滤波得到±5V的高稳定输出。
在设计PCB板时要注意,电容C2负极应直接连反馈绕组,将反馈绕组上的浪涌电流直接返回到输入滤波电容,提高抑制浪涌干扰的能力。控制端附近的电容应尽可能靠近源极和控制端的引脚。控制芯片的源极采用单点接地法,即控制端旁路电容C12的负极、反馈电路的返回端、高压返回端应分开布线,最后在源极管脚处汇合。安全电容C13应通过宽而短的印制导线分别接至反馈绕组和次级绕组的返回端。尽量使用大尺寸的低电感引线。
五、实验结果
在市电输入下,当负载从0达到额定值时,电路的负载调整率为95%,输出电压纹波在40mV左右,输出纹波主要由变压器漏感的电压和整流管电压产生,可以通过进一步优化PCB版布局等方法来改善。
六、结束语
本文采用基于Trench DMOS工艺设计的一种AC/DC开关电源管理芯片和低压差线性稳压器MAX8873设计了一种新型通用的复合式开关稳压电源。该电源具有体积小,效率高,输出电压稳定,负载调整率好等优点,实验表明该电源是一种性能良好的高精度稳压源。
参考文献:
[1]黄俊,王兆安.电力电子变流技术.北京:机械工业出版社,1999.
[2]刘胜利.现代高频开关电源实用手册.北京:电子工业出版社,2001.
[3]沙占友.新型单片开关电源设计与应用技术.北京:电子工业出版社,2004.
开关电源原理设计范文6
关键词:低功耗设计; 多电源多电压单元库的环境;统一功率格式
UPF-Compliant Library/Environment
in the Multi-Supply Multi-Voltage Era
Tsai Shi-Huei,Koan Huang, CHEN Hung-ming
(Faraday Technology China Corp.,Shanghai,200233 China)
Abstract:While various low power design techniques need to be employed to reduce device power consumption and increase battery lifetime, how to efficiently design and manage these complex low power schemes intertwined with chip design activities becomes a major concern. In this paper, we will review traditional MSMV library environment, then compare it with Unified Power Format-based methodology. Later, we will introduce specific library requirements and share some views on UPF-based methodology.
Keywords: Low Power Design; Multi-Supply Multi-Voltage;Unified Power Format
1传统的方法
传统上电源和地在设计RTL的阶段是不被考虑的。造成这个结果的原因在电源线和地线在布局布线的时候单元会自动地接合。因为相同的资料会经由每个使用过的单元与模块所携带,资料会被视为冗余,因此在逻辑设计的时候会被移除,以便使RTL设计人员能够更加专注于信号线的逻辑行为。
2过渡到多电压多电源设计
随着多电压多电源设计的流行,情况发生了很大变化。因为供应电压的不同,除非设计应用到多轨(multi-rail)单元,否则单元不再能被自动地接合。一个实际的实现方式是将这些单元集合成一组再供给相同的电压参考源,限制他们在一个特定分配的区域,然后给他们连接一个适当的电压源,这样,有效地构成了我们经常提到的“电压域”的概念。
电压域打开或关闭是按照正常模式或待机(Standby)模式的操作来设计,用以减少电源的浪费。电源线不再是静态的连接,而是和特定电压域的电源开或关等状态的行为有关。为了截取电源开关状态的差别,电源跟地连接的需求至少在门级仿真的时候,正确的电源开关行为要能够被确认。
对每个电压域基于模块的方法可能习惯于得到综合产生的电压域网表,然后在该电压域的网表加入传统电源与地的连接,并且在芯片整合的时候进行调整。
3改写传统的流程
所以利用现在的工具以及传统的流程来处理多电压多电源设计一般来说要牵涉到下列的工作:
将每个电压域以模块的方式来呈现
在门级网表的阶段接上电源线和地线
在电压域间连接适当的逻辑
将电源的开与关视为模块功能的一部分
经由仿真来做最后的确认
因此我们看到了在门级网表加入电源与地连接线的需求,所以经由这个流程接口也能达到一致,而相应的电源开关行为能够经由电力来源的状态被捕捉到,表1举一个例子来说明从单元的角度来看差别何在。
4会发生问题的地方
虽然上述的方式可行,但使用者必须注意避免在人工定制的过程里出现必定会发生的人为错误。有些在传统流程里常会发生问题的地方如下所列:
在网表级处理电源与地线
为了集合并且联接相同电压的组(cluster)所做的手工连接
芯片实现时所做的顶层整合
验证时对电源/地线行为的建模/仿真
因为数字仿真只有“0”或“1”两种状态的处理,并没有告诉我们逻辑“1”是指1.0 V或1.2 V电压,所以我们很难去利用传统的仿真来判别一个电平移位器(level shifter)已经被正确地用在两个不同的电压域之间。同样地,在仿真的时候,如果被连接到逻辑“1”,你将不知道这个电压源是1 V还是1.2 V。因此,除了仿真之外,需要大量的检查清单来帮忙解决潜在的人工错误以及在仿真过程的遗漏。
5需要解决的办法
从以上的探讨,我们了解到一旦电源和地的资料能被很清楚地定义,那么不同电压域就能够被分开来处理,每个电压域能够用传统流程来处理。然而,在整合的阶段,每个电压域的电源线与地线需要被显示正确连接到的供应电压,而信号跨过不同的电压域将需要做电平移位,隔离或不断电(always-on)逻辑的处理来确保每个连接的功能性与电性都没有受到损害。
所以基本上我们需要一个对每一个电源域基于模块的设计方法,这方法看起来要求跟现在设计的代码风格几乎一致,还要能减少人工处理网表时容易发生错误的方式。考虑到现在SoC设计的规模跟复杂度,一个加速SoC设计协作的方法也是必须的。
6电子设计自动化(EDA)
产业给的回响
电子设计自动化产业看到了客户的需求自然是不会错过,他们的回答是使用额外的电源规格作为输入来促进设计自动化,不修改现有的设计以及编码风格,一个典型的流程建议如图1。
没有额外的电源规格输入,工具将如过去实现单一电源的设计,当输入额外的电源规格,工具将电源的需求考虑进去而实现出多电压多电源的设计。
7核心方法学
因为工具对多电压多电源的处理能力是由额外加入的电源规格所引发,这样有助于探索电源规格的内容而得到更多的领悟。尽管规格本身告诉我们设计本身电源要求的意图,但真正的物理实现是需要包括额外的单元来处理在不同电压域之间电气方面的安全保护。总的来说,我们看到新的方法学要求设计的电源规格,针对电源管理定制的单元库以及支持针对多电压多电源低功耗设计的工具三者协同来完成。
7.1单元库
因为我们已经知道由单电压设计转到多电压多电源的低功耗设计包含了电源与地作为信号线的连接,在设计里头单元与端口(Port)需要处理电源与地的管脚将不可避免。我们能预见在Liberty里面必须要有新的句法(Syntax)来描述PG管脚才能支持电源与地等管脚的建模,相关的构成(Construct)以及属性(attribute)也需要用来应付不同电压域间的接口以及控制与保持(retention)逻辑的信号。
对标准单元,我们必须在Liberty的句法上关注下列各方面在建模式的考量:
需要对电源与地的管脚明确的建模
需要对输出管脚电源关断功能建模
需要特别详述对输入输出管脚相关的电源与地管脚
表2扼要说明在Liberty针对电源与地管脚的属性新的句法。
表3扼要说明针对特殊的电源管理单元在Liberty库里相对的句法。
智原科技已经将上述的特殊电源管理单元打包到PowerSlashTM锦囊里提供给客户开发低功耗应用的设计,锦囊里一般的内容如图2所示。
7.2电源规格与工具
电源规格如电子设计自动化产业所定义的,以UPF为例,对于一个低功耗设计已经完整的定义如下:
电源域
供给电源的网络
电源状态
电源防护策略
下列的工作可以视为对工具经典的规格要求:
划分电源域
指派以及连接电源/地轨
塞入不断电,保持以及接口逻辑
实现设计并且验证
图3 说明能加入电源规格的EDA工具促使多电压多电源设计自动化完成,所见的版图是客户在65 nm工艺下的低功耗设计。
我们看到了为了支持综合、静态时序分析、测试、仿真、形式验证以及布局布线工具等各个阶段的设计流程,下列的资料是必须要提供的:
在域里特殊单元的功耗以及相关的时序
在域里不断电,保持单元的行为建模
在域里特殊单元的开关行为建模
在域里个别域的电源开关行为建模
对接口逻辑特殊单元的功耗以及相关的时序
对接口逻辑不断电,保持单元的行为建模
对接口逻辑特殊单元的开关行为建模
除了个别域的电源开关行为建模是跟RTL行为仿真有关外,其他的资料能够被以各种单元库的形式来建模,所以EDA工具能够提供相应的操作。
8总结
由以上的讨论,我们知道新的方法学能够利用引入电源规格来自动化的处理多电压多电源设计,但这需要IP供应商提供相对应的单元库, 设计者要提供电源规格,EDA供应商要提供功能强大的工具来促使整个设计的自动化得以实现。
作为一个专业的IP供应商, 除了提供符合UPF规格的库外,智原科技进一步开发了内部使用的工具来提高ASIC客户准备电源规格的效率,这个服务也作为标准交付的一部分。
此外,电源规格应该是设计规划的一部分而且在设计的初期阶段就该被广泛地讨论与检视。从建模的角度,一个用户定制化的机制来支持新的电源管理特殊单元也已经被工具提供商所认可。
参考文献
[1]Synopsys Low Power Verification Tools Suite User Guide Version 2008.12, January 2009
[2]Synopsys Low-Power Flow User Guide Version B-2008. 09, September 2008
[3]Library Compiler User Guide: Modeling Timing, Signal Integrity, and Power in Technology Libraries Version B-2008.09, September 2008
[4]Unified Power Format (UPF) Standard Version 1.0, February 2007
作者简介
蔡旭回, IP技术部 经理 智原科技(上海)有限公司件。
