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開關電源原理設計范文1
【關鍵詞】開關電源節能 現網節能改造 通信
一、前言
改革開放以來，我國的經濟成就舉世矚目，但環境問題也越來越嚴重，引起大家的高度重視 ，2007年世界經濟論壇《全球風險報告》 中指出：21世紀全球面臨的最嚴重挑戰之一就是氣候變化。2014年11月12日中美兩國在京共同《中美氣候變化聯合聲明》，中國計劃到2030年將非化石能源比重提高到20%左右。十一五 期間，中國政府在節能減排上要求國內能耗降低20%，主要污染物排放總量減少10%。同樣在嚴峻的節能減排壓力下，各通信行業運營商越來越重視設備的節能，將節能作為首要的發展方向。在這個背景下，對開關電源提出了極高的節能要求，努力開發節能的產品和尋找現網設備的節能改造方法。
二、開關電源節能原理分析
（一）開關節能的原理
通信開關電源節能的關鍵是要提高系統的整體效率。通常開關電源的節能主要在兩個原理：第一個最直接的節能原理是提高整流器的效率。通過技術改進提高整流模塊的整體效率特性、降低模塊功耗等措施，從最初至今，整流器的效率已經在原有的基礎之上提高了百分之十，達到96%。隨著技術的進一步成熟和器件成本的下降，相信不久以后，規模應用將成為現實。開關電源節能的另一個節能原理是通過電源模塊的休眠管理，提高運行模塊的負載率可以提升系統實際的工作效率。
（二）開關節能的具體方法
如今，越來越多的行業開始廣泛應用開關電源，其具體發展要求是，輕量化、小型化、高頻化等。但是，隨著開關電源的頻率迅速提高，所產生的損耗也逐漸加大，因此需要考慮相關節能的方法。首先應該對開關電源的損耗進行系統的分析，要想達到上述發展要求，需要將開關電源的工作頻率由低頻轉向高頻。例如采用硬開關技術，這種技術損耗量小于線性電源采用串聯電阻改變電壓的方式，但隨著工作頻率的提高，相應的損耗依然會增加。其次，采用軟開關技術，能有效提高開關電源的頻率，也能降低開關電源的損耗，提高整體效率。軟開關技術是使用電感諧振及電容，將變壓器中的開關器件中電壓按照準正弦規律進行變換，讓開關管在電流為零的情況下立即關斷，在電壓為零的情況下立即開通的方法。最后，采用零開關技術，其主要在電路中增加電容或電感等相關儲能元件，具體分為零電流、零電壓開關。零電流開關指的是當開關管關斷或開通的時候，讓電流為零。零電壓開關指的是當開關管關斷或開通的時候，讓電壓為零。這樣可以最大程度降低開關損耗，起到節能的作用。
二、現網設備節能的必要性
隨著世界經濟特別是發展中國家經濟的快速發展，全球能源消耗總量不斷攀升。根據全球能源機構統計，近些年來，全球能耗高達82%，造成二氧化碳排放量高達80%，遠遠超過預想的估計，因此，節能是現階段的主要任務。如何采取有效的方法使現網設備最大程度的節能非常必要。能源的消耗一方面導致了溫室效應和一系列的自然災害，另一方面其與制造業、工業等成本的價格息息相關。所以，環境問題及氣候變化問題成了人類面臨的重要的挑戰，全社會也越來越重視節能。從全球范圍來看，通信行業與煤炭、有色、鋼鐵等行業相比，雖然不是能耗、排放問題最突出的行業。但一些數據顯示，一些通信行業的能耗也很大，某些運營商在全國企業能耗排行榜中排名靠前。政府在國際組織上的節能承諾，社會、公眾的重視形成對運營商的節能壓力越來越大。由于全球資源價格持續上漲，新的市場逐漸開闊繼而大大提高了網絡的擴容性。而我國通信企業整體仍處于發展階段，在增大網上運行設備容量的時候必然導致能耗需求也擴大，給運營商帶來了長期的財務壓力。為了應對氣候及能耗的挑戰，電信行業各主流運營商、設備商先后啟動節能減排計劃。近10年來已經取得了很大的進步，技術的進步與產品的更新換代使單位能耗持續下降，領先的運營商取得了超過50%的節約。
三、現網設備節能手段
（一）通信網絡中基站設備節能
基站設備分基帶、射頻和饋線三部分，其中能源消耗量占首位的是射頻部分，超過能源消耗量的百分之八十。但是，在射頻部分中，功放耗能幾乎占射頻部分的一半，因此，提升基站設備能效的關鍵點就是提高功放效率。而提高功放效率的方式有多種，比如，有智能減壓、智能匹配、新型高效功放等，但多載波技術是提高功放效率的最直接的辦法之一。
（二）通信網絡中站點節能
一般來說，通信網絡的節能主要是站點的節能。站點的節能可以從兩方面來分析：網絡拓撲和網元。網絡拓撲的節能就是通過減少站點來提升單位話務量能效。以下為通信領域中減少站點兩個有效的手段：⑴規劃網絡，降低無效的系統開銷，以最少的站點服務最多的用戶來提高覆蓋效率。⑵使用Transmitting Diversity、High Receive Sensitivity及 PBT等關鍵技術增加設備本身的覆蓋半徑提高，從而提升基站設備本身的覆蓋能力。在現實中，將適宜的網絡規劃和較強覆蓋能力的設備配合使用通常能大幅度實現廣覆蓋場景下四分之一以上的能源消耗節約，無疑不是一種進步。
（三）通信網絡中新能源節能
減少碳排放最直接方法就是開發新能源。如：太陽能、核能、風能、潮汐能、生物能源等。企業減少碳排放的最有效途徑就是選擇無排放能源或者低排放能源。通常在一些邊遠地區，風能、光能資源比較豐富，可以根據當地氣候因素建一些風、光能源的小型站點。這些新能源小型站點也可能在市電不穩定的城區作為補充能源使用。而對于這些偏遠的小型站點來講，通常面臨的問題有以下三個方面：第一是引電困難；第二是電網公司引電價格可能過高；第三是小型站點本身的能耗不高，因此，通信運營商往往使用油機系統來解決能耗問題。
只有重視開關電源節能及現網設備節能的改造，才能有效的利用固有的能源材料，開創新的可再生能源。才能與環境和諧相處，共同促進社會經濟的發展。繼而帶動了通信網絡的節能開拓，發展新用戶、開拓新市場。使用新領域的節能設計補充帶網絡建設的需求，減少開關電源、現設備帶來的排放壓力。同時設備廠商及運營需要積極的投入到可持續發展、高效節能的研究當中。
參考文獻：
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開關電源原理設計范文2
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［6］ Using an Asynchronous Client Socket ［EB/OL］./zhcn/library/bbx2eya8(v=VS.90).aspx.
開關電源原理設計范文3
關鍵字： 開關電源； 模糊PID控制； DSP； 電源控制算法
中圖分類號： TN79?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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
近年來，隨著電力電子技術高速發展，開關電源得到廣泛應用，普通模擬開關電源逐漸顯示出其不足之處：采用模擬器件會導致元器件比較多，分散性大，穩定性差；設計缺乏靈活性，不便于修改，調試不方便，控制不靈活，無法實現復雜的控制算法。為設計出更精確、響應速度更快、效率更高、體積更小的開關電源，開關電源設計人員采用數字化電路與開關電源相結合來設計數字化開關電源。以DSP系統為基礎的開關電源電路簡單，結構緊湊，性能卓越，功能齊全。DSP系統具有較高的計算與控制能力，利用DSP進行A/D轉換后進行運算，可以有效抑制或消除各個功能模塊間相互干擾，提高開關電源輸出電壓的穩定性和精度。本文將重點分析和討論利用DSP系統設計開關電源的實現方法和控制算法。
1 基于DSP控制的實現方法
DSP系統已廣泛應用于開關電源控制電路，是開關電源的控制核心電路，可以有效利用DSP系統的高速性、可編程性、可靠性等特點，結合相應算法實現特定功能，可為開關電源輸出質量好、頻率和幅值可以任意改變的控制信號。圖1為采用DSP系統的控制電路開關變頻電源基本控制硬件框圖。
圖1 開關變頻電源基本控制硬件框圖
開關電源采用高頻SPWM技術和普通電壓逆變電路，DSP系統與IGBT功率模塊構成全數字控制電路。輸出的電壓和電感電流經過網絡轉換成DSP所需要的電平，連接至DSP的A/D單元進行模數變換；控制輸入單元輸入需要的電壓值及頻率值，從而得到逆變電路的基準電壓。
DSP系統經過特點算法進行相關計算后會產生一定死區的控制信號。由于輸出的數字PWM控制信號不足以驅動IGBT開關管，需要經過驅動電路對開關管進行驅動。DSP芯片具有較高的采樣速度和運算速度，可以快速地進行各種復雜的運算對電源進行控制，可以實現較高的動態性能和穩壓精度。為了有效保護開關電源器件，防止出現過壓、欠壓、過載等情況，系統專門設計了保護電路，一旦出現故障，DSP控制系統封鎖PWM脈沖控制信號，切斷開關電源電壓輸出。
2 開關電源基本控制算法
2.1 PID控制
開關電源的數字化控制需要進行一定的控制算法來產生控制信號，實現控制規律。數字開關電源控制最初是借鑒模擬控制原理，通過數字化實現模擬控制信號。PID算法在數字控制中應用比較廣泛，它具有原理簡單、易于實現、適用面廣、控制參數相互獨立、參數的選定比較簡單等優點。
PID控制是應用最廣泛的控制規律。圖2為常規PID控制原理圖，系統由PID控制器與被控對象組成。PID控制器是一種線性控制器，它根據給定值[r（t）]與實際輸出值[y（t）]構成的控制偏差[e（t）]來計算：
[e（t）=r（t）-y（t）] （1）
將偏差的比例[P、]積分[I]和微分[D]通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。其控制規律為：
[u（t）=KPe（t）+1TI0te（t）+TDde（t）dt] （2）
或寫成傳遞函數的形式：
[G（s）=U（s）E（s）=KP1+1TIS+TDS] （3）
式中：[Kp]為比例系數；[TI]為積分時間常數；[TD]為微分時間常數。
圖2 PID控制框圖
數字PID控制是一種采樣控制，它只能根據采用時刻的偏差值計算控制量。因此，連續域PID控制算法不能直接使用，需要采用離散化方法。數字PID控制算法又分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法，還有一些微分先行法和帶死區的PID控制算法等。
2.2 模糊PID控制算法
目前，開關電源的各種應用場合對電源的動態性能提出了越來越高的要求，其中電壓超調與恢復時間是重要指標。負載的變化或者輸入電壓的變化引起輸出電壓變化，而輸出電壓值取決于濾波器和控制策略。由于開關變換器為一個時變、非線性系統，無法建立精確的數字模型。而模糊PID控制算法的優點在于不需要建立準確的變換器數字模型，非常適合DC?DC變換器的強非線性。自適應的模糊控制可以保證控制系統的信號穩定性。
模糊控制器是以誤差量化因子[e]和誤差變化率量化因子[ec]作為輸入，利用模糊控制規律自整定找出PID控制器三參數[KP，][KI，][KD]與和之間的模糊關系。模糊PID控制原理框圖如圖3所示。
圖3 模糊控制原理框圖
取[e]和[ec]為輸入語言變量，每個語言變量取“大、中、小”三個詞匯來描述輸入輸出變量的狀態。模糊推理的模糊規則一般形式為：
If [e=Ai]and [ec=Bj]then[Δu=Ci]
其中[Ai，][Bj，][Ci]為其理論上的語言值。
上述規則可以用一個模糊關系矩陣來描述：
[R=i，jAi×Bj×Ci]
根據各模糊子集的隸屬度幅值表和各參數模糊控制規則，應用模糊合成推理設計PID參數的模糊矩陣得到[KP，][KI，][KD]參數調整算式如下：
[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控制參數，[{e，ec}]是誤差[e]和誤差變化率[ec]對應控制表中的值，它需要查控制表得到。[KuP，][KuI，][KuD]作為修正系統，在控制過程中，控制系統通過對模糊邏輯規則的結果處理、查表和運算，完成PID參數的在線自校正。
3 系統硬件及關鍵點設計
3.1 硬件主體
本文設計的開關電源主要是將開關電源優良特性和DSP系統精細化控制相結合。開關電源采用反激式拓撲結構，包括EMI濾波電路、整流/直流平波電路、控制器、信號采樣、PWM驅動、鍵盤及顯示部件組成，力求使開關電源具有高效低耗、便攜化、負載輸出穩定、電路保護可靠、電網寬電壓輸入、電網污染小等特點。圖4為硬件系統主體設計示意圖。
圖4 系統主體設計示意圖
3.2 輸出電壓檢測隔離設計
開關電源輸出電壓檢測過程中對控制電路的隔離保護是非常必要的，這樣不僅可以實現控制電路的安全工作，而且避免了將輸出電路的噪聲引入控制電路中。電壓檢測電路與控制電路隔離保護采用光耦合器進行隔離，它由發光二極管LED、輸出光電二極管PD組成。光耦合器在開關電源的主振回路與輸出采樣之間進行電氣隔離，并為電源穩壓控制電路提供信號通路。
3.3 EMI濾波器設計
開關電源在正常工作時會產生傳導噪聲和輻射噪聲，毫無疑問噪聲主要產生于電源開關過程。開關過程中包含了最大的功率以及最大的電壓變化率dV/dt，同時也包括了最高頻率成分。噪聲的存在將污染電力線路，影響周圍精密電子儀器的運行，比如設計濾波器。EMI濾波器是一種由電感、電容組成的低通濾波器，它允許直流或者工頻信號通過，對頻率較高的其他信號有較大的衰減作用。圖5為EMI濾波模型，濾波器的基本結構就是一個分離的二階LC濾波器，其取值原則就是在最小的體積下可以獲得期望的抑制效果。在濾波器模型中還有一個額外的高頻LC濾波器；高頻濾波器當寄生參數使得前面的LC濾波器性能變差時，用來抑制這些高頻噪聲。
圖5 EMI濾波器模型
3.4 高溫保護電路
開關電源在設計中由于轉換效率不同，將部分能量以熱量輻射。溫度升高將影響系統正常工作甚至產生人身危險，為了保證系統安全，開關電源工作時溫度需要實時監控。圖6為溫度采集電路部分電路圖。當系統檢測到溫度過高時，控制模塊立即關斷開關電源輸出，待系統溫度達到工作溫度范圍后開始繼續工作。
圖6 溫度采集電路
4 開關電源性能分析
本文采用反激式開關電源和模糊PID控制算法進行仿真。反激式開關電源的等效模型傳遞函數為：
[U（S）d（s）=K1s+K2B1s2+B2s+B3] （5）
式中：[K1，][K2，][B1，][B2，][B3]為系統比例系數，由開關電源電器元件參數決定。
模糊PID控制器由系統誤差[e]和誤差變化率[ec]為輸入，通過不同時刻的[e]和[ec]值，利用模糊控制規則在線對PID控制器參數[KP，][KI，][KD]參數進行修改。模糊PID控制系統組成如圖7，圖8所示，階躍響應曲線如圖9所示。
圖7 模糊控制PID控制系統組成
圖8 誤差[e]和誤差變化率[ec]的隸屬函數
本設計開關電源把DSP完美融入到開關電源設計中，充分利用了DSP系統快速運算能力，采用模糊控制算法使開關電源控制智能化，電源快速達到穩定輸出，提高了抗負載擾動能力。
圖9 系統階躍響應
5 結 論
本系統將DSP作為開關電源控制單元，應用模糊PID控制算法，使開關電源和DSP系統完美配合工作。利用了DSP快速處理能力特點產生開關電源PWM控制信號，對開關電源輸出進行精確控制，提高了開關電源輸出精度和轉換效率，使開關電源控制實現智能化；能夠按照負載情況進行實時修正，使電源達到快速穩定輸出；同時利用DSP資源設計完成開關電源顯控單元及保護模塊，提高了開關電源操作性和安全性。
參考文獻
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開關電源原理設計范文4
關鍵詞：繼電保護；開關電源；電源故障；改進后的電源
中圖分類號：TG434.1 文獻標識碼：A
引言
近年來，停電事故的后果日益嚴重，大型停電事故主要是由連鎖故障引起的。如1996年7月美國西部電網(wscc)和1998年6月美國中部大陸電網(MAPP)解列事故，2003年8月美、加大停電事故、2003年的英國倫敦大停電等。而造成這些大規模停電事故的罪魁禍首正是繼電保護系統的隱性故障降引，有資料表明世界上大約有75％的大的停電事故都和保護系統的不正確運作有關，繼電保護的隱性故障已經成為電力災難性的一種機理。
1 繼電保護隱性故障
繼電保護隱性故障是指系統正常運行時對系統沒有影響的故障，而當系統某些部分發生變化時，這種故障就會被觸發，從而導致大面積故障的發生。隱性故障在系統正常運行時是無法發現的，但是一旦有故障發生，繼電器正確切除故障后，電力系統潮流重新分配，在這樣的運行狀態下就可能會使帶有隱性故障的保護系統誤動作。從而有可能造成連鎖故障，擴大事故范圍。
2 開關電源工作原理
用半導體功率器件作為開關，將一種電源形態轉變為另一形態，用閉環控制穩定輸出，并有保護環節的模塊，叫做開關電源。
高壓交流電進入電源，首先經濾波器濾波，再經全橋整流電路，將高壓交流電整流為高壓直流電；然后由開關電路將高壓直流電調制為高壓脈動直流；隨后把得到的脈動直流電，送到高頻開關變壓器進行降壓，最后經低壓濾波電路進行整流和濾波就得到了適合裝置使用的低壓直流電。
電源工作原理框圖如圖1所示。
3 故障現象分析
由于繼電保護用開關電源功能要求較多，需考慮時序、保護等因素，因此開關電源設計中的故障風險較高。另外供電保護裝置又較民用電器工作條件苛刻，影響繼電保護開關電源的安全運行。本文著重分析了兩種因設計缺陷而造成故障的開關電源。
3.1 輸入電源波動，開關電源停止工作
3.1.1 故障現象：外部輸入電源瞬時性故障，隨后輸入電壓恢復正常，開關電源停止工作一直無輸出電壓，需手動斷電、上電才能恢復。
3.1.2 故障再現：用繼電保護試驗儀，控制輸入電壓中斷時間，通過便攜式波形記錄儀記錄輸入電壓和輸出電壓的變化?？刂戚斎腚妷褐袛鄷r間長短，發現輸出存在如下三種情況：
a)輸入電源中斷一段時間(約100～200ms)后恢復，此后輸入電壓恢復正常，開關電源不能恢復工作。(此過程為故障情況)，具體時序圖見圖2所示。
b)輸入電壓長時中斷(大于250ms)后恢復，+5V、+24V輸出電壓均消失，此過程與開關電源的正常啟動過程相同。具體時序圖見圖3所示。
c)輸入電壓短暫中斷(小于70ms)后恢復，+5V輸出電壓未消失，而+24V輸出電壓也未消失，對開關電源正常工作沒有影響。具體時序圖見圖4所示。輸入電壓消失時間短暫，由于輸出電壓未出現欠壓過程，電源欠壓保護也不會動作。
3.1.3 故障分析：要分析此故障，應先了解該開關電源的正常啟動邏輯和輸出電壓保護邏輯。輸入工作電壓，輸出電壓+5V主回路建立，然后由于輸出電壓時序要求，經延時約50ms，+24V輸出電壓建立。
輸出電壓欠壓保護邏輯為：當輸出電壓任何一路降到20％乩以下時，欠壓保護動作，且不能自恢復。
更改邏輯前，因輸入電壓快速通斷而引起的電源欠壓保護誤動作，其根本原因是延時電路沒有依據輸入電壓的變化及時復位，使得上電時的假欠壓信號得不到屏蔽，從而產生誤動作，如圖2所示。
3.1.4 解決措施：采取的措施是在保護環節上增加輸入電壓檢測電路，并在延時電容上并接一個電子開關，只要輸入電壓低于定值(開關電源停止工作前的值)，該電子開關便閉合，延時電路復位，若輸入電壓重新上升至該設定值，給保護電路供電的延時電路重新開始延時，電源重啟動時的假欠壓信號被屏蔽，徹底解決了由于輸入電壓快速波動所產生的電源誤保護。從而避免了圖2的情況，直接快速進入重新上電邏輯，此時的輸出電壓建立過程見圖3所示。邏輯回路見圖5所示。
3.1.5 試驗驗證：用繼電保護試驗儀狀態序列模擬輸入電源中斷，用便攜式波形記錄儀記錄輸出電壓隨輸入電壓的變化波形。調整輸入電壓中斷時間，發現調整后的電源僅出現b)、c)兩種情況，不再出現a)即故障情況。
3.2 啟動電流過大，導致供電電源過載告警
3.2.1 故障現象：電源模塊穩態工作電壓為220V，額定功率為20.8W，額定輸出時輸入電流約為130mA。當開關電源輸入電壓緩慢增大時，導致輸入電流激增，引起供電電源過載告警。
3.2.2 故障分析：經查發現輸入電壓為60V時，電源啟動，此時啟動瞬態電流約為200mA，穩態電流為600mA，啟動時穩態電流和瞬態電流將為600士200mA，造成輸出電流激增。而由于條件限制，此電源模塊的供電電源輸出僅為500mA，因此造成供電電源過載。
由于開關電源工作需要一定的功率，設計中由于未考慮到電源啟動時，輸出回路的啟動需要一定的功率，而啟動電壓比較低，所以功率的突增，必然帶來開關電源啟動瞬態電流的激增，電流的激增對供電電源有較大的沖擊。
3.2.3 解決措施：啟動需要的功率一定，如果要減小啟動電流，可以考慮增加啟動電壓的門檻。將開關電源的啟動電壓提高到130～140V。
3.2.4 試驗驗證：調整開關電源的啟動電壓后，通過試驗儀模擬輸入電壓緩慢啟動。當開關電源在滿載情況下，試驗中緩慢上升輸入電壓(上升速率5V／s或10v／s)，從0～130V啟動，啟動時穩態電流降低到200～220mA，穩態電流大約為200士l00mA，因而啟動時穩態電流和瞬態電流將為400士loon迭，啟動電流較改進前減小300nA，不會對供電電源造成太大的沖擊?？捎行П苊廨斎腚妷核查g降低時，給整個供電回路造成較大的電流沖擊。
結束語
從以上問題分析可知，開關電源設計時，需要關注電能變換的各個環節，開關電源的輸出電壓建立和消失時序和電源的保護功能，是緊密聯系的，當其中的某一環節存在缺陷時，開關電源就不能正常工作。因此在開關電源設計前，應重點進行兩種工作：
考慮諸如此類的問題，如啟動功率一定時，啟動電壓門檻過低，會產生輸出電流瞬態突增的現象。
在設計后盡可能依據繼電保護用開關電源行標，經專業測試部門驗證。從而設計出穩定可靠的開關電源。
參考文獻
[1]沈曉凡，舒治淮，劉軍，等．2007年國家電網公司繼電保護裝置運行情況[J]．電網技術，2008，32(16).
開關電源原理設計范文5
隨著電子技術的飛速發展以及國家出臺的節能降耗政策，與電子設備密不可分的開關電源技術在人們生活、工作中的得到越來越廣泛的應用，任何的電子設備離不開可靠的電源，相應地它們對電源的要求越來越高。為了開關電源的快速發展也為促進我國的國民經濟進一步發展做出貢獻必須堅持走技術創新之路，堅持可持續發展觀，將節能減排與技術發展緊密結合。
1、高頻化
理論分析以及實踐經驗表明， 當我們把供電頻率提高的時候，用電設備的體積重量以其供電頻率的平方根成反比地減小。這正是開關電源新技術得以實現功率變頻而帶來明顯效益的根本原因。以此方法應用到電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、合閘用等各種直流電源類整機加以類似地改造，其主要材料可以節約90%甚至更高， 還可以做到省電30%及以上。技術升級帶來物質材料的減少，從而降低了成本，提高了市場競爭力，也節約了各種物資。這些經濟效益的反應體現了技術含量的價值。如果單純地追求高頻化，開關電源的噪聲也會隨之而增大。采用部分諧振轉換回路技術，原理上在提高頻率的同時又可以降低噪聲。所以，開關電源的又一發展方向是盡可能地降低噪聲影響。
2、數字化
傳統的開關電源技術中，是靠模擬式信號控制來設計和工作的。幾十年前，開關電源技術完全是建立在模擬電路的基礎之上的。但是數字信號處理技術日臻完善成熟，越來越多的優點被顯示出來：便于計算機處理和控制，可以使模擬信號傳遞的真實可靠，提高其抗干擾的能力，便于軟件包調試和遙感、遙測、遙調，也便于其它技術的植入。目前，在整個的電子模擬電路系統中，網絡、電視、通訊、音響設備、照片處理等都逐步實現了數字化，而最后一個沒有數字化的領域就是電源。近年來，數字電源的研究勢頭旺盛，成果也越來越多。開關電源的發展離不開數字化。
3、模塊化
模塊化指功率器件的模塊化以及電源單元的模塊化。生活中常見的器件模塊，含有一單元、兩單元、六單元直至七單元，包括開關器件和與之反并聯的續流二極管，實質上都屬于“標準”功率模塊（SPM）。近年，有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中去，構成了“智能化”功率模塊（IPM），不但縮小了整機的體積，更方便了整機的設計制造。實際上，由于頻率的不斷提高，致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重，對器件造成更大的電應力（表現為過電壓、過電流、毛刺）。為了提高系統的可靠性，有些制造商開發了“用戶專用”功率模塊（ASPM），它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中，使元器件之間不再有傳統的引線連接，這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計，達到優化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路（ASIC）。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片，再把整個模塊固定在相應的散熱器上，就構成一臺新型的開關電源裝置。由此可見，模塊化的目的不僅在于使用方便，縮小整機體積，更重要的是取消傳統連線，把寄生參數降到最小，從而把器件承受的電應力降至最低，提高系統的可靠性。
4、綠色化
電源系統的綠色化有兩層含義： 一是發電容量的節約，發電過程對環境造成了很大的污染，節電就意味著為環境的綠化做了貢獻。二這些電源盡可能少地或不對電網產生污染，許多電子設備向電網諸如嚴重的高次諧波電流，使總功率因數下降，使電網電壓出現很多問題甚至缺角和畸變。國際電工委員會（IEC）對此還制定了一系列標準，如IEC555、IECl000、IEC917等。在當今，節能環保被人們越來越重視，電子產品的耗能問題將愈來愈突出，對電能的合理利用也是非常重要的。在開關電源的廣泛應用發展下，開關電源的體積變小了，效率提高了， 正向著小型化和高頻化的方向發展，但也存在著能量的損耗，所以節能對于開關電源也有重要意義。首先，開關電源的節能就是提高開關電源的效率，對開關電源的能耗進行分析可知對開關電源的電路結構和元器件進行改進可以提高開關電源效率，從而達到節能目的。其次，降低開關電源的開關損耗方法主要是軟開關技術，理論上說是可以將開關電源的開關損耗降低到零，使其更加節能環保?？梢婇_關電源小型化的發展趨勢與開關電源的節能是相輔相成的。在大力提倡節能環保的環境下， 對開關電源節能的研究、提高開關電源的效率就顯得意義重大，它適應了當今科技發展的潮流， 也符合人們生活的需要。
開關電源的發展趨勢將以“四化”為主流即應用技能的智能化、硬件結構的模塊化、軟件控制的數字化、產品性能的綠色化，這些會使產品性能可靠、成熟、經濟、實用。
5、開關電源技術發展的前景展望
當開關電源按照理想的發展趨勢發展下去，將標志著開關電源技術的成熟。隨著電力電子技術的不斷創新，開關電源產業發展前景更加廣闊，我國的開關電源也得到快速發展。近年來，隨著通信行業的發展，以開關電源技術為核心的通信用開關電源，吸引了國內外一大批科技人員對其進行研究和開發，開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨。我國產品的性能雖然有了很大提高，能基本滿足國內用戶的要求，但與國外比起來，在設計技術、生產規模、制造工藝、可靠性重視程度和產品更新速度等方面，仍然存在不小的差距。因此，為了把具有幾十億產值需求的電力操作電源系統的國內市場還有其它許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業電源產業牢牢占據。我國應提高質量管理、加強可靠性設計、降低產品的設計和生產成本、加快產品創新開發、實現產品的標準化和系列化， 成為國內電源生產廠商迎接挑戰，壯大自身實力。
參考文獻
[1]周志敏，周紀海，開關電派實用技術設計與應用.北京人民郵電出版社，2003.
開關電源原理設計范文6
1 引言
隨著PWM技術的不斷發展和完善，開關電源得到了廣泛的應用，以往開關電源的設計通常采用控制電路與功率管相分離的拓撲結構，但這種方案存在成本高、系統可靠性低等問題。美國功率集成公司?POWER Integration Inc?開發的TOP Switch系列新型智能高頻開關電源集成芯片解決了這些問題，該系列芯片將自啟動電路、功率開關管、PWM控制電路及保護電路等集成在一起，從而提高了電源的效率，簡化了開關電源的設計和新產品的開發，使開關電源發展到一個新的時代。文中介紹了一種用TOP Switch的第三代產品TOP249Y開發變頻器用多路輸出開關電源的設計方法。
2 TOP249Y引腳功能和內部結構
2．1 TOP249Y的管腳功能
TOP249Y采用TO－220－7C封裝形式，其外形如圖1所示。它有六個管腳，依次為控制端C、線路檢測端L、極限電源設定端X、源極S、開關頻率選擇端F和漏極D。各管腳的具體功能如下：
控制端C：誤差放大電路和反饋電流的輸入端。在正常工作時，利用控制電流IC的大小可調節占空比，并可由內部并聯調整器提供內部偏流。系統關閉時，利用該端可激發輸入電流，同時該端也是旁路、自動重啟和補償電容的連接點。
線路檢測端L：輸入電壓的欠壓與過壓檢測端，同時具有遠程遙控功能。TOP249Y的欠壓電流IUV為50μA，過壓電流Iav為225μA。若L端與輸入端接入的電阻R1為1MΩ，則欠壓保護值為50VDC，過壓保護值為225VDC。
極限電流設定端X：外部電流設定調整端。若在X端與源極之間接入不同的電阻，則開關電流可限定在不同的數值，隨著接入電阻阻值的增大，開關允許流過的電流將變小。
源極S：連接內部MOSFET的源極，是初級電路的公共點和電源回流基準點。
開關頻率選擇端F：當F端接到源極時，其開關頻率為132kHz，而當F端接到控制端時，其開關頻率變為原頻率的一半，即66kHz。
漏極D：連接內部MOSFET的漏極，在啟動時可通過內部高壓開關電流提供內部偏置電流。
2．2 TOP249Y的內部結構
TOP249Y的內部工作原理框圖如圖2所示，該電路主要由控制電壓源、帶隙基準電壓源、振蕩器、并聯調整器／誤差放大器、脈寬調制器（PWM）、門驅動級和輸出級、過流保護電路、過熱保護電路、關斷／自動重起動電路及高壓電流源等部分組成。
3 基于TOP249Y的開關電源設計
筆者利用TOP249Y設計了一種新型多路輸出開關電源，其三路輸出分別為5V／10A、12．5V／4A、7V／10A，電路原理如圖3所示。該電源設計的要求為：輸入電壓范圍為交流110V～240V，輸出總功率為180W。由此可見，選擇TOP249Y能夠滿足要求。
3．1 外圍控制電路設計
該電路將X與S端短接可將TOP249Y的極限電流設置為內部最大值；而將F端與S端短接可將TOP249Y設為全頻工作方式，開關頻率為132kHz。
圖2
在線路檢測端L與直流輸入Ui端連接一2MΩ的電阻R1可進行線路檢測，由于TOP249Y的欠壓電流IUV為50μA，過壓電流Iav為225μA，因此其欠壓保護工作電壓為100V，過壓保護工作電壓為450V，即TOP249Y在本電路中的直流電壓范圍為100～450V，一旦超出了該電壓范圍，TOP249Y將自動關閉。
3．2 穩壓反饋電路設計
反饋回路的形式由輸出電壓的精度決定，本電源采用“光耦＋TL431”，它可以將輸出電壓變化控制在±1％以內，反饋電壓由5V／12A輸出端取樣。電壓反饋信號U0通過電阻分壓器R9、R11獲得取樣電壓后，將與TL431中的2．5V基準電壓進行比較并輸出誤差電壓，然后通過光耦改變TOP249Y的控制端電流IC，再通過改變占空比來調節輸出電壓U0使其保持不變。光耦的另一作用是對冷地和熱地進行隔離。反饋繞組的輸出電壓經D2、C2整流濾波后，可給光耦中的接收管提供電壓。R4、C4構成的尖峰電壓經濾波后可使偏置電壓即使在負載較重時，也能保持穩定，調節電阻R6可改變輸出電壓的大小。
3．3 高頻變壓器設計
由于該電源的輸出功率較大，因此高頻變壓器的漏感應盡量小，一般應選用能夠滿足132kHz開關頻率的錳鋅鐵氧體，為便于繞制，磁芯形狀可選用EI或EE型，變壓器的初、次級繞組應相間繞制。
高頻變壓器的設計由于要考慮大量的相互關聯變量，因此計算較為復雜，為減輕設計者的工作量，美國功率公司為TOP Switch開關電源的高頻變壓器設計制作了一套EXCEL電子表格，設計者可以方便地應用電子表格設計高頻變壓器。
3．4 次級輸出電路設計
輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構成。整流二極管選用肖特基二極管可降低損耗并消除輸出電壓的紋波，但肖特基二極管應加上功率較大的散熱器；電容器一般應選擇低ESR?等效串聯阻抗?的電容。為提高輸出電壓的濾波效果，濾除開關所產生的噪聲，在整流濾波環節的后面通常應再加一級LCC濾波環節。
3．5 保護電路設計
本電源除了電源控制電路TOP249Y本身所具備的欠壓、過壓、過熱、過流等保護措施外，其外圍控制電路也應有一定的保護措施。用D3、R12、Q1可構成一個5．5V的過壓檢測保護電路。這樣，當5V輸出電壓超過5．5V時，D3擊穿使Q1導通，從而使光耦電流增大，進而增大了控制電路TOP249Y的控制端電流IC，最后通過內部調節即可使輸出電壓下降到安全值。
圖3
為防止在開關周期內，TOP249Y關斷時漏感產生的尖峰電壓使TOP249Y損壞，電路中設計了由箝壓齊納管VR1、阻斷二極管D1、電容C5、電阻R2、R3組成的緩沖保護網絡。該網絡在正常工作時，VR1上的損耗很小，漏磁能量主要由R2和R3承擔；而在啟動或過載時，VR1即會限制內部MOSFET的漏極電壓，以使其總是處于700V以下。
4 電源性能測試及結果分析
根據以上設計方法，筆者對采用TOP249Y設計的多路輸出開關電源的性能進行了測試。實測結果表明，該電源工作在滿載狀態時，電源工作的最大占空比約為0．4，電源的效率約為90％，紋波電壓控制、電壓調節精度及電源工作效率都超過了以往采用控制電路與功率開關管相分立的拓撲結構形式的開關電源。
