前言：中文期刊網精心挑選了開關電源原理與設計范文供你參考和學習，希望我們的參考范文能激發你的文章創作靈感，歡迎閱讀。
開關電源原理與設計范文1
關鍵詞 電源管理系統；PMS；安全生產
中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）172-0211-03
流花11-1油田位于南中國海珠江口外海海域，距香港東南約220km，水深約310m左右。平臺電站由3臺進口小功率機組和一臺大功率國產機組并網供電，對運維人員來說，保持電站平穩運轉具有很大的挑戰性。
流花11-1FPS電站電源管理系統（PMS）由發電機組PLC控制系統，與VSD PLC系統，鉆機SCR PLC和集成在FPS生產控制系統（FCS）的電源管理PLC組成，實現對平臺現有電源管理功能。
電站電源管理系統（PMS）要切實保障油田電站正常生產和生活用電的需求，所以必須滿足以下條件：
1）確保人身安全和設備安全。
2）確保持續供電和可靠性供電。
3）確保電能質量和減少能源浪費。
4）盡可能做到節能減排，提高能源效率。
油田電站安全可靠運行、提供優質電能和提高電能經濟性，是PMS系統建設和運營的一項最基本任務。
1 設計原則
流花11-1FPS電站PMS系統按照以下原則進行設計：
1）符合國家標準、行業標準和相關規定，嚴格按照國家或者國際及行業最新規范和標準要求
2）性價比高，系統具有較高的性能價格比，使管道以最低的運行成本、最優的工況正常運行。
3）技術先進，功能強大，系統采用羅克韋爾自動化公司軟硬件產品進行開發，其產品在工業應用中已被證明是成熟的產品。系統具有強大的人機對話能力，能滿足各種現場復雜環境下的連續監控的功能。
4）系統安全、穩定、可靠。PMS系統的PLC控制器、控制電源、I/O系統、HMI等都采用冗余的架構，重復利用率可達到99.99%，當某一節點發生故障時，可自動進行切換，電站系統安全、穩定、可靠的運行。
5）可擴展性強，硬件是模塊化的，允許將來在容量和功能上的擴展。
2 硬件架構（圖1）
流花11-1FPS電站PMS系統控制系統硬件采用A-BPLC的ControlLogix系統，ControlLogix系統封裝外形小，不僅可提供離散、驅動、過程和安全控制，還具有可靠的通信功能和最先進的I/O，系統采用模塊化結構，使開發者能高效的進行設計、構建和修改，從而大幅節省培訓和工程設計成本。
2.1 過程信號采集
系統輸入信號：
1）發電機輸出功率。
2）發電機組出線斷路器狀態。
3）4160V A/B段母線頻率。
4）ESP，生產管匯及測試管匯運行優先權數據。
5）鉆/修井工況時，SCR系統斜率控制和相位控制。系統輸出參數：
1）以百分比柱狀圖形顯示的發電機功率。
2）VSD/ESP運行功率。
3）發電機組接入和停機提示信號。
4）系統錯誤，事件及故障報警信號及打印。
5）鉆機SCR系統模擬相控信號。
6）ESP/VSD 速度降低至預設低頻信號。
2.2 軟硬件配置
PMS系統的硬件要求配置如下：
1）ControlLogix系統采用雙環ControlNet網絡。
2）CPU采用冗余配置。
3）各控制子站的交換機網絡采用冗余環網架構。
4）由不間斷電源供電（即UPS），信號電源采用獨立的DV24V電源供電。
5）DO信號輸出的繼電器需確?？煽啃?。
6）HMI服務器由主服務器和備用服務器構成。
7）PLC程序基于RSLogix5000開發，上位機基于FactoryTalk View Studio開發。
3 系統功能（圖2）
3.1 電源管理及負荷分配
PMS系統與5臺機組通過以太網通訊交換數據，包括有功功率、無功功率、頻率、電壓等。并根據不同的在線發電機配置，PMS系統可與發電機的調速器和AVR協調工作，并實現以下功能。
1）有功功率和無功功率分配控制：在電站中發生負荷波動時，為了防止個別發電機的頻率和電壓可能會接近其PQ圖的邊界，此時PMS系統將分配各發電機組之間的出力，以提高系統在擾動下的穩定性。
2）功率需量和功率因數控制：PMS系統會實時各發電機相對于母線的輸入/輸出功率，并計算功率差額。然后根據功率因數的范圍，在滿足發電機基本出力的前提下，調整AVR控制無功功率輸出，以維持系統的功率因數在合理范圍內。
3）母線頻率和電壓控制：當電站負荷發生變化時，系統調整發電機輸出的有功功率和無功功率，以維系電站的頻率和電壓穩定。
3.2 負荷優先脫扣
PMS系統會實時監測電站電氣設備的狀態，如發電機的出力、負載消耗的功率以及斷路器的狀態。當系統檢測到發電機斷路器跳閘，則會根據預計算的能量平衡結果，如果超過了電站所能承受的最大出力，則切除部分負荷，以確保電站發電機平穩運行。
優先脫扣系統可設置多個優先級，由運行人員預先定義。在系統中針對不同的優先脫扣觸發條件，形成一個優先級別卸載表，當優先脫扣觸發后，將系統計算得到的卸載級別與優先級別表對比后，發出卸載指令，卸載時間在80ms以內。
3.3 重載啟動時負荷的保證及分配
一些重載設備（大負載）都可在HMI上設定額定負載及啟動沖擊系數。系統根據機組剩余功率、要啟動的重載設備額定功率及啟動沖擊系數，實時計算發電機功率余量，以判斷此重載能否啟動。重載啟動后，機組按照前述負荷分配模式自動分配負荷。
3.4 斷路器的控制及自動同步控制
斷路器與控制系統之間通過硬接線，連接斷路器狀態、手車位置、分合閘指令等信號，實現包含基本的狀態監視、控制等功能。當進行發電機并車時，系統會判斷邏輯條件，發出發電機斷路器合閘指令，并最終由同期裝置完成并車。
3.5 備用發電機組自啟動控制
當在線機組發生故障停機，或過載，過流，過壓，低頻等極限情況時，處于備用狀態的機組自動啟動。
3.6 電站監控和報警系統
系統監視整個電站主要電氣設備的狀態和運行參數，當出現報警時，會有多種報警提醒方式，包括蜂鳴器，指示燈，旋轉報警燈，同時HMI上會有詳細的報警信息文字。
4 關鍵技術問題介紹
4.1 發電機轉速控制技術
發電機的調速系統中調頻器的作用在于，當發電機的負荷發生改變時，手動或者自動的操作調頻器，使發電機的靜態特性發生改變。如果負荷變動時，調速系統使原動機的轉速保持不變，則稱之為無差調節（Isoch）；而如果負荷變動時，原動機的轉速隨著負荷增大而降低，則稱之為有差調節（Droop）。多臺發電機并列運行時，為了實現對其調節的有效性及避免系統震蕩，都會采用單機Droop模式運行，調速系統完成部分調速任務，剩下的由機組控制系統來實現轉速無差調整。
4.2 發電機頻率調整策略
區域發電機組頻率調節時，可分為按頻率偏差調整、按交換頻率偏差調整和按頻率和交換功率偏差調整三種。按頻率偏差調整時，只能保證系統頻率不變，不能控制聯絡線上流通的功率；按交換功率偏差調整時，只能保證聯絡線上的交換功率不變，而不能控制系統的頻率。只有按頻率和交換功率偏差調整時，才可以保證區域范圍內功率的就地平衡。在PMS系統，對影響發電機頻率的各個調整因素進行邏輯排序，當發電機的頻率和對電站的有功貢獻發生偏差時，便對其進行相應調整。
5 結論
流花11-1FPS電站PMS系統自投入運行以來，系統運行效果良好，給整個電站提供了完整的安穩策略，極大地減少了故障停產的損失，取得了顯著的經濟效益，為整個油田安全穩定生產提供了可靠的保障。
參考文獻
[1]高健.淺談海上電網優先脫扣系統控制方法[J].通訊世界，2016（1）：174-175.
[2]劉新天.電源管理系統設計及參數估計策略研究[D].合肥：中國科學技術大學，2011.
開關電源原理與設計范文2
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
[1] LENK R.實用開關電源設計[M].北京：人民郵電出版社，2006.
[2] 張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京：電子工業出版社，1998.
[3] 趙同賀，劉軍.開關電源設計技術與應用實例[M].北京：人民郵電出版社，2007.
[4] 許邦建，唐濤.DSP處理器算法概論[M].北京：國防工業出版社，2012.
開關電源原理與設計范文3
關鍵詞：開關電源；反激式電路；高頻變壓器
引言
開關電源是綜合現代電力電子、自動控制、電力變換等技術，通過控制開關管開通和關斷的時間比率，來獲得穩定輸出電壓的一種電源，因其具有體積小、重量輕、效率高、發熱量低、性能穩定等優點，在現代電力電子設備中得到廣泛應用，代表著當今穩壓電源的發展方向，已成為穩壓電源的主導產品。文章設計了一種基于TOP-Switch系列芯片的小功率多路輸出DC/DC的反激式開關電源。
1 電源設計要求
文章設計的開關電源將用于軌道車輛電動門控制系統中，最大的功率為12W，分四路輸出，具體設計參數如下：（1）輸入電壓Vin=110V；（2）開關頻率fs=132kHz；（3）效率η=80%；（4）輸出電壓/電流 48V/0.2A，15V/0.02A-15V/0.02A，5V/0.3A；（5）輸出功率12W；（6）電壓精度1%；（7）紋波率1%。（8）負載調整率±3%，電源最小輸入電壓為Vimin=77V，最大輸入電壓為Vimax=138V。考慮到設計要滿足結構簡單，可靠性高，經濟性及電磁兼容性等要求，結合本設計輸出功率小的特點，最終選用了單端反激式開關電源，它具有結構簡單，所需元器件少，可靠性高，驅動電路簡單的特點，適合多路輸出場合。
2 單端反激式開關電源的基本原理
單端反激式開關電源由功率MOS管，高頻變壓器，無源鉗位RCD電路及輸出整流電路組成。其工作原理是當開關管Q被PWM脈沖激勵而導通時，輸入電壓就加在高頻變壓器的初級繞組N1上，由于變壓器次級整流二極管D1反接，次級繞組N2沒有電流流過；當開關管關斷時，次級繞組上的電壓極性是上正下負，整流二極管正偏導通，開關管導通期間儲存在變壓器中的能量便通過整流二極管向輸出負載釋放。反激變壓器在開關管導通期間只存能量，在截止期間才向負載傳遞能量，因為能量是單方向傳導，所以稱為單端變化器[1]。
圖1 單端反激式開關電源的原理圖
3 TOP-Switch系列芯片的介紹及選型
TOP-Swtich單片開關電源是開關電源專用集成電路，它將脈寬調制電路與高壓MOSFET開關管及驅動電路等集成在一起，具備完善的保護功能。使用該芯片設計的小功率開關電源，可大大減少電路，降低成本，提高可靠性[4]。
對于芯片的選擇主要考慮輸入電壓和功率，由設計要求可知，輸入電壓為寬范圍輸入，輸出功率不大于12W，故選擇TOP264VG。
4 電路設計
本設計開關電源的總體設計方案如圖2所示。
4.1 主電路設計
4.1.1 變壓器設計
變壓器的設計是整個電源設計最重要的部分，它的設計好壞直接影響到整個電源性能。
（1）磁芯和骨架的確定
由參考文獻[1]可查出，當P0=12W時可供選擇的鐵氧體磁芯型號，由于采用包線繞制，而且EE型鐵芯廉價，磁損耗小且適用性強，故選擇EEL19。從廠家提供的磁芯產品手冊中可以查到磁芯有效截面積Ae=0.23cm2，磁路有效長度Le=3.94cm2，磁芯等效電感AL=1250Nh/T2
（2）確定最大占空比
（式中VOR為初級感應電壓，VDS為開關管漏源導通電壓，其中VOR=135V，VDS=10V）
（3）初級波形參數計算
初級波形的參數主要包括輸入電流平均值IAGV、初級峰值電流IP
輸入電流平均值
初級峰值電流
（其中KRP為初級紋波電流IR與初級峰值電流IP的比值，當反激式開關電源工作在不連續狀態時取KRP=1）
（4）確定初級繞組電感
（5）計算各繞組的匝數
初級繞組的匝數 實取33匝
次級為5v輸出的繞組定義為NS=4turn
對于±15V輸出 實取12匝
對于48V輸出 實取36匝
對于偏置繞組 實取10匝
4.1.2 無源鉗位電路的設計
反激式開關電源，每當功率MOSFET由導通變為截止時，在開關電源的一次繞組上就會產生尖峰電壓和感應電壓，和直流高壓一起疊加在MOSFET上，漏極電壓
這就要求功率MOSFET至少能承受450V的高壓，并且要求鉗位電路吸收尖峰電壓來保護功率MOSFET。本電源的鉗位電路由穩壓管和二極管D1組成，其中VR1為瞬態電壓抑制器P6KE200，D1為快恢復二極管IN4936，當MOSFET導通時，原邊繞組電壓上正下負，使D1截止，鉗位電路不起作用；當MOSFET截止瞬間，原邊繞組電壓上負下正，使得D1導通，電壓被鉗位在200V左右。
4.1.3 輸出環節的設計
以+5V輸出為例，次級繞組高頻電壓經肖特基二極管SB120整流后，用超低的ESR濾波，為了得到獲得更小的紋波電壓，在設計時又加入了次級LC濾波器，實驗表明，輸出的電壓更符合期望值。
4.2 反饋環節的設計
反饋回路主要由PC817和TL431組成，這里用的TL431型可調式精密并聯穩壓器來代替普通的穩壓管，構成外部誤差放大器，進而對輸出電壓作精密調整，當輸出電壓發生波動時，經過電阻R13、R14分壓后得到取樣電壓與TL431中的2.5V的基準電壓進行比較，在陰極K上形成誤差電壓，使光耦合器中的LED工作電流產生相應變化，再通過光耦合器去改變單片開關電源的控制端電流，進而調節輸出占空比，使輸出電壓維持不變，達到穩壓目的。
5 結束語
文章設計的開關電源具有結構簡單，所需元器件少，體積小，成本低的特點，并且滿足所有設計要求，在軌道車輛電動門控制系統中有很好的應用前景。
參考文獻
[1]楊立杰.多路輸出單端反激式開關電源的設計[J].現代電子技術，2007.
[2]沙占友.開關電源實用技術[M].北京：中國電力出版社，2011.
開關電源原理與設計范文4
關鍵詞：開關電源 維護檢修 故障處理
中圖分類號：TN838 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2013）09-0105-01
穩定可靠，安全的動力保障是數字化全固態調頻發射機安全播出的先決條件，新型的開關電源與傳統的電源相比，體積小而且工作穩定，電路損耗小，其多輸出電壓輕松的解決了模塊和控制單元輸入電壓不同的難題。且由于大規模集成電路的運用和屏蔽設置很好的解決了發射機房設備之間的電磁干擾。鑒于以上優點，權衡發射機整體效率，電源的可靠性和日常值機中維護等問題，開關電源無疑是目前固態調頻廣播發射機電源的最佳選擇。它與功率放大器集成裝配運行。采用高度集成的濾波阻抗元件運用，使其重量體積有了很大的改變。包括功率開關管和多種電路拓撲組合等新器件，新技術的應用，提高電源系統效率。發射機電源內設的電磁干擾濾波電路和相關高尖峰脈沖吸收電路是電源的電流諧波符合要求的重要保證，它不但可以改善電源對電網的負載特性，減少給電網帶來嚴重的污染，也減少對其它網絡設備的諧波干擾。
1 開關電源原理
調頻發射機使用的開關電源電路主要由電源濾波電路、高壓整流濾波電路、功率變換電路、低壓整流濾波電路、PWM電路、保護電路、檢測比較放大電路、輔助電源等組成，通過以一定頻率連續地控制功率開關管進行通斷操作，從而以便可以通過能量儲存元件向變換器或負載提供電量的電源形式。只要通過改變占空比、開關頻率或相關相位，平均輸出電壓或電流便可得到控制。開關電源的開關頻率范圍很大。對于電源功率大于90W的工作場合，開關電源通常采取兩級變換方式，即功率因數校正（PFC）控制變換器和DC/DC變換器。該電路是將整流過來的直流電壓變換為可調的高頻矩形波電壓，這是開關電源的核心部分。特別是功率因數校正電路，它是為了保證輸入電壓和電流同相工作而設置的。其結果是功率因數接近1，視在功率全部轉換為有功功率，因而系統效率得到了改善。如果沒有PFC校正電路，輸入電流會以窄脈寬高峰值脈沖形式輸入開關電源引起嚴重的諧波干擾成分。這些諧波組分不僅沒有向負載提供任何能量，而且還引起變壓器和其它設備發熱。功率因數校正電路分為有源和無源兩種類型。調頻廣播發射機的開關電源大都采用有源功率因數校正電路，它是由具有有源功率因數校正的AC/DC變換器和獨立DC/DC變換器兩大部分組成。AC/DC變換器主要包括：EMI濾波器、慢啟動電路、橋式整流、PFC控制器、功率驅動電路及變換器電路。
AC輸入經過EMI濾波電路濾除差摸和共摸電磁干擾信號后，輸入至慢啟動電路，再經延時后全壓加到橋式整流電路，輸出的直流電壓提供給功率場效應管MOSFET的漏極。PFC控制器是由8引腳的LT1249功率因數控制芯片和較少的元件所構成的電路。其第8引腳輸出開關頻率為100kHz的驅動信號，經驅動電路加到MOSFET功率開關管的柵極，MOSFET變換器開始以一定的占空比進行通斷工作，并輸出所需求的直流電壓。功率驅動電路：其作用是把PWM調制電路輸出的信號進行功率放大后，分別驅動MOSFET開關管開通或者關斷，實現主電路和控制電路之間的電氣隔離。驅動電路的結構和參數會對MODFET開關管的運行性能產生顯著影響，如開關時間、開關損耗、短路電流保護能力等。當短路故障發生時，驅動電路會通過合理的柵極電壓使保護電路動作，并發出故障信號到控制系統。
變換電路用于電流變換，把電流變換為線性直流電壓信號，供測量電路使用，電路主要有一個副主變壓器變壓，經全波整流，線性電路板處理后，產生的直流電壓提供給控制電路板從而與電壓反饋信號進行比較放大，根據產生的差值，輸出相應寬度的脈沖信號，以調整電源輸出電壓的大小。
2 日常應用中維護與檢修
在發射機日常使用過程中開關電源也會出現多方面因素導致的故障。發射機房的環境因素、外電的波動，由于不熟悉設備造成的停播為防患于未然，在發射極日常維護中，為使開關電源能長期可靠連續運行，應做到以下幾點：
（1）及時進行日常檢查和定期保養，看有無噪音以及異常聲響氣味等。（2）看輸出以及輸入電壓是否在正常范圍內。（3）排風扇是否運行正常。（4）檢查各處連接電路是否牢固。（5）每半年要對電源進行一次徹底的清掃，清理元件上面的積灰和浮塵。清理的時候，確保發射機關機并拔出電源的連接線，卸開開關電源蓋板，有條件的話最好進行放電處理。用鼓風機對灰塵進行去除，若有頑固灰塵，可用棉紗蘸少量酒精進行擦拭。除塵完畢，注意元器件有無松動，及時修復。
開關電源的檢修：全面了解內部電路的布局和結構是檢修開關電源查找問題的先決條件，打開電源外殼，檢查保險管是否熔斷，清楚開關電源不同輸出電壓的用途。觀察電源內部，看電容等元器件是否有破裂、漏液、電路板上是否燒焦痕跡等。
發射機機柜，功放外殼，電源外殼，面板都通過導體很好相連，最終連接到接地端地線敷設是最基本最簡單的安全措施。發射機安裝到位后，應將本機的接地端（位于發射機電源部分的底板上）彎角與機房地下銅排可靠地連接在一起，以避免由于漏電而發生停播甚至意外傷害事件。
3 結語
調頻發射機開關電源功率一般比較大，工作溫度高并且基本常年連續工作，容易發生故障。只有熟悉了開關電源的工作原理，加強日常維護把小的問題積極排除不留安全隱患，多積累經驗才會在遇到問題時候快速有效地完成檢修工作，為安全播出奠定良好基礎。
參考文獻
開關電源原理與設計范文5
關鍵詞 自激振蕩；開關電源；分析
中圖分類號TN86 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2011）44-0078-02
0 引言
目前，CRT彩色電視機中主要采用分立元件組成的自激振蕩式并聯型開關電源電路。由于其核心器件電源調整管工作在非線性狀態，與串聯穩壓電源相比，具有體積小、重量輕、效率高、電壓適應范圍寬等顯著優點，但是其工作原理復雜、維修困難，在實際教學過程中學生難以迅速掌握。本文介紹了以自激振蕩過程為核心的分析方法，便于在教學過程中使學生熟悉其工作原理，具備快速檢修開關電源的能力。
1 開關電源的工作原理
220V交流電直接經低頻整流濾波后得到300V左右的直流電壓，利用高頻自激振蕩電路將直流電轉化為30kHz~60kHz的脈沖信號，再經儲能變壓器的能量轉換送入高頻整流濾波電路，經高頻續流二極管整流后得到所需的多組直流電壓輸出。通過取樣調整電路，改變高頻脈沖的脈沖寬度或脈沖周期來穩定輸出電壓。
開關電源電路常分為低頻整流濾波電路、自激振蕩電路、穩壓電路、保護電路和高頻整流濾波電路等部分。其工作過程中的關鍵環節是產生高頻脈沖，在將能量轉化為高頻脈沖時，開關管工作在飽和導通和截止狀態，提高了能量利用效率；將能量轉化為高頻脈沖，可以通過改變占空比調節向輸出端提供的能量，有利于適應電網電壓大范圍的波動；將能量轉化為高頻脈沖后，可以減小高頻濾波電容容量，有利于縮小電源體積，減少電源重量。
2 自激振蕩電路原理分析
自激振蕩電路起振是自激式開關電源正常工作的必要條件，開關調整管和變壓器初級繞組L1參與振蕩過程。當開關調整管工作在飽和導通狀態時，在變壓器初級繞組L1上產生上正下負的感應電動勢，次級繞組L2產生上負下正的感應電動勢，初級繞組L1中的電流逐漸增大；當開關調整管截止時，變壓器初級繞組L1上產生上負下正的感應電動勢，次級繞組L2產生上正下負的感應電動勢，續流二極管vD導通，向負載提供能量，并對電容C充電。當開關調整管再次導通，續流二極管vD截止時，由電容C向負載提供能量。
自激式電源電路中，常利用正反饋電路實現開關調整管的飽和導通和截止，使其集電極串接的初級繞組L1上不斷產生上正下負或者上負下正的感應電動勢，通過線圈的互感作用傳遞給次級繞組，從而將直流能量轉化為高頻脈沖，為負載端供電。同時，不少開關電源中穩壓過程和保護過程的實現，是通過調整開關管的飽和導通時間實現的。因此，開關電源工作原理的分析應以自激振蕩過程為核心。自激振蕩電路通常由開關管發射結和開關變壓器反饋繞組參與構成，因此在振蕩回路的分析過程中應注意以下兩點：
1）如果沒有反饋電路的作用，開關調整管是可以保持導通狀態而不會截止的；
2）有些電路整個自激振蕩過程采用LC自激振蕩電路形式，有的電路部分工作過程采用LC自激振蕩電路形式，且常利用反饋繞組作為LC振蕩電路中的振蕩線圈。
3 穩壓電路原理分析
輸出電壓從高頻整流濾波電路得到，忽略二極管vD的正向壓降，輸出電壓的計算公式如下：UO= Um×TON/T (其中Um脈沖峰值電壓，TON為脈沖寬度，T為周期)。當輸出電壓發生變化時，改變脈沖寬度和改變脈沖周期都可以調節輸出電壓達到穩壓目的，這兩種輸出電壓的調整方式被稱為調頻式和調寬式。目前，自激式開關電源常采用改變脈沖寬度的方式，即通過改變電源調整管的飽和導通時間長短來穩定輸出電壓。
如圖2所示，取樣電路對穩壓電源的主輸出電壓進行取樣，取樣電路分為電阻分壓電路中利用電位器取樣或利用電源變壓器中的取樣繞組取樣，將輸出電壓的變化取樣送入取樣放大管的基極。基準穩壓電路通常為穩壓二極管，常接在取樣放大管的發射極以穩定發射極電壓。當輸出電壓發生變化時，取樣放大管的導通程度發生改變，通過脈寬控制電路去微調電源調整管的飽和導通時間，可以達到穩定輸出電壓的目的。
需要注意電源調整管由飽和導通狀態轉入截止狀態，主要通過減小基極電流IB后，利用正反饋作用不斷減小集電極電流IC和基極電流IB來實現的，電源調整管的飽和導通時間主要是由自激振蕩電路決定。但在有些開關電源電路中，自激振蕩過程和穩壓過程中都要對基極電流IB進行分流，但要注意自激振蕩過程中的分流是為了使開關調整管進入截止狀態，穩壓過程中的分流是為了改變高頻脈沖寬度進而實現穩壓，一定要區分兩者目的的不同。
4 保護電路原理分析
開關電源電路中的保護電路主要包括過壓保護電路、過流保護電路和尖峰脈沖吸收電路，這些電路主要是為了保護電源調整管設計的，避免調整管集電極出現較大的沖擊電壓使其擊穿，或者避免出現大電流燒毀開關管。自激式開關電源正常工作的重要條件是振蕩電路的正常工作，若停振則電源不工作，所以各種保護電路也是針對著自激振蕩電路而設計的。
1）過壓保護。由于電網電壓波動或負載原因使低頻整流輸出的直流電壓突然升高時，圖2中開關調整管V的集電極會受到電壓沖擊而損壞。保護電路的設計思路是破壞自激振蕩的工作條件，通常在開關調整管V的基極和發射極之間接上壓控晶體管，當直流電壓突然升高時，將這種變化通過反饋繞組傳遞到壓控晶體管上，使其迅速進入飽和導通狀態，將開關調整管V的基極和發射極短接，迫使開關管停止自激振蕩，開關電源不再有直流電壓輸出，從而避免過高輸入電壓對開關管的損害；
2）過流保護。由于開關調整管V處于飽和導通期間，基極有較大電流以維持其飽和導通狀態。如果負載電流突然增加，則飽和導通時間會延長，所需的基極電流也會增大。開關調整管V中的基極電流和集電極電流的增加，會引起調整管燒毀。過流電路的設計思路是當基極電流增大時對其分流，通常利用開關調整管V的基極和發射極之間接上的壓控晶體管，使其導通構成對開關管基極較大的分流，使開關調整管飽和導通的時間相應縮短，使集電極電流的增長不超過允許值，起到過流保護的作用；
3）尖峰脈沖吸收電路。開關調整管在飽和導通轉向截止時，在高頻整流二極管尚未導通的時刻，在圖2初級繞組L1和次級繞組L2上保持較大的電磁能量，會使線圈L1上出現上負下正的感應電動勢。由于分布電容和漏感的作用，容易產生自激振蕩并出現較大的尖峰脈沖。為了避免尖峰脈沖擊穿開關管，吸收電路的設計思路是消除尖峰脈沖，通常在初級繞組L上并接電阻和電容構成的阻尼電路，消除振蕩從而保護開關調整管。
5 結論
由于自激振蕩式開關穩壓電源的體積小、重量輕、電網電壓適應范圍寬的優點，目前在彩色電視機和民用電子產品中應用較廣泛。開關電源中的穩壓電路和保護電路都是針對自激振蕩電路原理設計的，自激振蕩電路的正常工作是電源正常工作的充分條件，因此在教學和維修過程中，以自激振蕩電路原理為核心進行分析，是理解整機工作原理和快速維修的關鍵。
參考文獻
[1]姜夔.電視機原理與維修[M].高等教育出版社，2002.
[2]何祖錫.彩色電視機原理與維修[M].電子工業出版社，2008.
開關電源原理與設計范文6
[關鍵詞]開關電源 電磁干擾 抑制措施 改進措施
開關電源EMI（Electro magnetic Interference），就是通過用電子線路組成開關式（方波）震蕩電路來達到對電能的轉換。這種方式有好多優點，一是穩壓范圍寬，在一定范圍內輸出電壓與輸入電壓變化無關，電腦電源可以在80V～240V都可以正常工作，是其它方式電源無法比擬的。二是效率高，由于采用開關震蕩工作方式，熱損耗特別少，發熱低。三是結構簡單，相對于其它相同功率的電源，開關電源的體積與重量要少得多。因此，在眾多的電子設備中，開關式電源已經是相當普遍。隨著開關電源應用領域的不斷擴大，其電磁干擾已成為一個很嚴重的問題，開關電源的功率管工作在非線性條件下，采用脈寬調制（PWM）開關控制方式，加之開關頻率的不斷提高，使得電磁干擾越來越突出，對電網造成污染。因干擾的存在，輸入電源的電網受到了干擾，影響到其它設備，使其不能正常的工作，也影響到電網的供電質量。所以，尋找干擾抑制的方法是很必要的。這里分析與比較了幾種有效的方案，并為開關電源EMI的抑制措施提出新的參考建議。
一、開關電源電磁干擾的產生機理
開關電源首先將工頻交流電整流為直流電，然后經過開關管的控制變為高頻，最后經過整流濾波電路輸出，得到穩定的直流電壓。因此，自身含有大量的諧波干擾。同時，由于變壓器的漏感和輸出二極管的反向恢復電流造成的尖峰，都會產生不同程度的電磁干擾。開關電源中的干擾主要集中在電壓、電流變化大（即dv/dt或di/dt很大）的元器件上，尤其是開關管、輸出二極管和高頻變壓器等。同時，雜散電容會將電網的噪聲傳導到電子系統的電源而對電子線路的工作產生干擾。開關電源產生的干擾,按噪聲干擾源種類來分,可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種;若按耦合通路來分,可分為傳導干擾和輻射干擾兩種?，F在按噪聲干擾源來分別說明:
1.二極管的反向恢復時間引起的干擾;
2.開關管工作時產生的諧波干擾;
3.交流輸入回路產生的干擾;
4.其他原因。
元器件的寄生參數，開關電源的原理圖設計不夠完美，印刷線路板（PCB）走線通常采用手工布置，具有很大的隨意性，PCB的近場干擾大，并且印刷板上器件的安裝、放置，以及方位的不合理都會造成EMI干擾。
二、開關電源EMI的特點
作為工作于開關狀態的能量轉換裝置，開關電源的電壓、電流變化率很高，產生的干擾強度較大；干擾源主要集中在功率開關期間以及與之相連的散熱器和高平變壓器，相對于數字電路干擾源的位置較為清楚；開關頻率不高（從幾十千赫和數兆赫茲），主要的干擾形式是傳導干擾和近場干擾;而印刷線路板(PCB)走線通常采用手工布線，具有更大的隨意性,這增加了PCB分布參數的提取和近場干擾估計的難度。
三、目前抑制干擾的幾種措施
形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設備。因此，抑制電磁干擾也應該從這三方面著手。首先應該抑制干擾源，直接消除干擾原因;其次是消除干擾源和受擾設備之間的耦合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑;第三是提高受擾設備的抗擾能力,減低其對噪聲的敏感度。目前抑制干擾的幾種措施基本上都是用切斷電磁干擾源和受擾設備之間的耦合通道，它們的確是行之有效的辦法。常用的方法是屏蔽、接地和濾波。
1.采用屏蔽技術可以有效地抑制開關電源的電磁輻射干擾。系統中的安全保護地線、屏蔽接地線和公共參考地線各自形成接地母線后,最終都與大地相連。
在電路系統設計中應遵循“一點接地”的原則。如果形成多點接地，會出現閉合的接地環路，當磁力線穿過該回路時將產生磁感應噪聲，實際上很難實現“一點接地”。因此，為降低接地阻抗，消除分布電容的影響而采取平面式或多點接地，利用一個導電平面(底板或多層印制板電路的導電平面層等)作為參考地，需要接地的各部分就近接到該參考地上。為進一步減小接地回路的壓降，可用旁路電容減少返回電流的幅值。在低頻和高頻共存的電路系統中，應分別將低頻電路、高頻電路、功率電路的地線單獨連接后，再連接到公共參考點上。
2.濾波是抑制傳導干擾的一種很好的辦法。例如,在電源輸入端接上濾波器，可以抑制開關電源產生并向電網反饋的干擾，也可以抑制來自電網的噪聲對電源本身的侵害。在濾波電路中,還采用很多專用的濾波元件，如穿心電容器、三端電容器、鐵氧體磁環，它們能夠改善電路的濾波特性。恰當地設計或選擇濾波器，并正確地安裝和使用濾波器，是抗干擾技術的重要組成部分。
EMI濾波技術是一種抑制尖脈沖干擾的有效措施，可以濾除多種原因產生的傳導干擾。測試表明，只要適當選擇元器件的參數，便可較好地抑制開關電源產生的傳導干擾。
四、目前開關電源EMI抑制措施的不足之處
現有的抑制措施大多從消除干擾源和受擾設備之間的耦合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑出發。這的確是抑制干擾的一種行之有效的辦法，但很少有人涉及直接控制干擾源，消除干擾，或提高受擾設備的抗擾能力。殊不知后者還有許多發展的空間。
五、改進措施的建議
我認為目前從電磁干擾的傳播途徑出發來抑制干擾，已漸進成熟。我的視點要回到開關電源器件本身來，在電路方面要注意以下幾點:
1.印制板布局時,要將模擬電路區和數字電路區合理地分開，電源和地線單獨引出，電源供給處匯集到一點;PCB布線時，高頻數字信號線要用短線，主要信號線最好集中在PCB板中心，同時電源線盡可能遠離高頻數字信號線或用地線隔開。其次，根據印制線路經電流的大小，應盡量加粗電源線寬度，減少環路電阻。再次，可以根據耦合系數來布線，盡量減少干擾耦合。
2.印制板的電源線和地線印制條盡可能寬，以減小線阻抗，從而減小公共阻抗引起的干擾噪聲。
3.器件多選用貼片元件和盡可能縮短元件的引腳長度，以減小元件分布電感的影響。
4.在Vdd及Vcc電源端盡可能靠近器件接入濾波電容，以縮短開關電流的流通途徑，如用10μF鋁電解和0.1μF電容并聯接在電源腳上。對于高速數字IC的電源端可以用鉭電解電容代替鋁電解電容，因為鉭電解的對地阻抗比鋁電解小得多。
六、結論
產生開關電源電磁干擾的因素還很多，抑制電磁干擾還有大量的工作。全面抑制開關電源的各種噪聲會使開關電源得到更廣泛的應用。
參考文獻:
