基于小型高效直流开关电源的设计
2023-01-07
来源:好走旅游网
【高科技产品研发】’j 露 基于小型高效直流开关电源的设计 彭洪斌 (广西电网公司南宁供电局变电管理一所广西南宁530031) 摘要:目前,各种各样的开关电源以其小巧的体积、较高的功率密度和高效率正越来越得到广泛的应用。伴随着电力系统自动化程度 的提高,特别是其保护装置的微机化,通讯装置的程控化,对电源的体积和效率的要求也在不断提高。可以说,适应各类开关电源的控制集 成电路功能正在不断完善,集成化水平不断提高,外接原件也是越来越少。开关电源的研制生产正在日趋简化,成本也日益下降。 关键词:直流开关电源;开关电源;设计 中图分类号:TM46文献标识码:A文章编号:1671—7597(2013)0110039—02 1直流稳压电源概述 输入电压的变化可以通过调节占空比的大小来补偿,这样在工 直流稳压电源在一个典型系统中担当着非常重要的角色。 频电网电压变化较大时,它仍然能保证有较稳定的输出电压。 从某种程度上可以看成是系统的心脏。电源的系统的电路提供 4)电路形式灵活多样。设计者可以发挥各种类型电路的 持续的、稳定的能源,使系统免受外部的干扰,并防止系统对 特长,设计出能满足不同的应用场合的开关电源。 其自身产生的伤害。如果电源内部发生故障,不应造成系统的 开关电源的缺点主要是:存在开关噪声大。在开关电源 故障,而确保系统安全可靠运行。因此,人们非常重视系统直 中,开关器件工作在开关状态,它产生的交流电压和电流会通 流电源的设计或选用。直流稳压电源通常分为线性稳压和开关 过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰,这些干扰如 稳压两种类型。 果不采用一定的措施进行抑制、消除和屏蔽,就会严重影响整 1.1线性稳亚电源 机的正常工作。此外,这些干扰还会串入工频电网,使附近的 线性稳压电源是指起电压调整功能作用的器件始终工作在 其他电子仪器、设备、和家用电器收到干扰。因此设计开关电 线性放大区的直流稳压电源,期工作原理如图1。 源时,必须采取合理的措施来抑制其本身产生的干扰。 PWM开关电源在使用时比线性电源具有更高的效率和灵活 等特点。因此,在便携式产品、航空和自动化产品、仪器仪表 以及通讯系统等,要求高效率、体积小、重量轻和多组电源电 源输出的场合,得到了广泛的应用。但是开关电源的成本高, 而且需要开发周期较长。 2开关电源的设计 图1 2.1开关电源的工作原理 它由50H 工频变压器、整流器、滤波器以及串联调整稳 开关电源主要采用直流斩波技术,即降压变换、升压变 压器组成。 换、变压器隔离的DC/DC变换电路理论和PwM控制技术来实现的。 线性稳压电源的优点是具有优良的纹波及动态响应特性。 具有输入、输出隔离的PWM开关电源工作原理框图,如图2所示。 但同时存在以下缺点:输入采用50H 工频变压器,体积庞大且 和很重;电压调整器件工作在线性放大区内,损耗大,效率 低;过载能力差。 线性电源主要应用在对发热和效率要求不高的场合,或者 要求成本及设计周期短的情况。线性电源作为板载电源广泛应 用于分布电源系统中,特别是当配电电压低于40V时。线性电 源的输出电压只能低于输入电压,并且每个线性电源只能产生 一路输出。线性电源的效率在百分之三十五到百分之五十之 图2 间,损耗以热的形式耗散。 50Hz单相交流220V电压或三相交流220V/380V电压经EMI防 1.2 PWM开关稳压电源 电磁干扰电源滤波器,直接整流滤波;然后再将滤波后的直流 一般将开关稳压电源简称开关电源,开关电源与线性稳压 电压经变换电路变换为数十千赫或数百千赫的高频方波或准方 电源不同,它是起电压调整功能作用的器件,始终工作在开关 波电压,通过高频变压器隔离并降压(或升压)后,再经高频 状态 开关电源主要采用脉宽调制技术。 整流、滤波电路;最后输出直流电压。通过取样、比较、放大 开关电源的优点; 及控制、驱动电路,控制变换器中功率开关管的占空比,便能 1)功耗小、效率高。电源中开关器件交替地工作在导通一 得到稳定的输出电压。在直流斩波控制中,有定频调宽、定宽 截止和截止一导通的开关状态,转换速度快,这使得开关管的功 调频和调频调宽3种控制方式。定频调宽是保持开关频率(开关 耗很小,电源的效率可以大幅度提高,可达到百分之九十到百 周期T)不变,波形如图3所示。 分之九十五。 2)体积小、重量轻。开关电源效率高,损耗小,则可以 省去较大体积的散热器;隔离变压用高频变压器取代工频变压 器,可大大减小体积,降低重量;因为开关频率高,输出滤波 电容的容量和体积大为减小。 3)稳压范围宽。开关电源的输出电压由占空比来调节, 图3 ''【7 SILICON VALLEY 辩 【高科技产品研发】 通过改变导通时间高。而定宽调频则是保持导通时间T 噪声,即远高于开关频率 的尖刺;开关频率纹波,指开关频 率 附近的频率成分; 低频纹波,频率低于的 成分,即低 on不变,通过改变开关频率,来达到改变占空比的一种控制方 式。由于调频控制方式的工作频率是不固定的,造成滤波器设 计困难,因此,目前绝大部分的开关电源均采用PWM控制。 2.2开关电源的主要性能指标 开关电源的质量好坏主要由其性能指标来体现。因此,对 于设计者或使用者来讲,都必须对其内容有一个较全面的了 解。一般性能指标包括电气指标、机械特性、适用环境、可靠 性、安全性以及生产成本等。这里仅介绍常见的电气指标。 频波动。 对纹波有多种量化方法,常用的有纹波系数、峰峰电压 值、按3种频率成分分别计量幅值以及衡重法。⑥效率:是电 源的重要指标,它通常定义为n=Po/Pi×l00%。式中,Pi为输 入有功功率;Po为输出功率。通常给出在额定输入电压和额定 输出电压、额定输出电流条件下的效率。对于开关电源来说, 效率提高就意味着损耗功率的下降,从而降低电源温升,提高 2.2.1输入参数 输入参数包括输入电压、交流或直流、频率、相数、输入 电流、功率因数以及谐波含量等。 1)输入电压:国内应用的民用交流电源电压三相为 380V,单相为220V;国外的电源需要参出口国电压标准。目前 开关电源流行采用国际通用电压范围,即单相交流85 ̄265V, 这一范围覆盖了全球各种民用电源标准所限定的电压,但对电 源的设计提出了较高的要求。输入电压范围的下限影响变压器 设计时电压比的计算,而上限决定了主电路元器件的电压等 级。输入电压变化范围过宽,使设计中必须留过大裕量而造成 浪费,因此变化范围应在满足实际要求的前提下尽量小。 2)输入频率:我国民用和工业用电的频率为50Hz,航 空、航天及船舶用的电源经常采用交流400Hz输入,这时的输 入电压通常为单相或三相115V。 3)输入相数:三相输入的情况下,整流后直流电压约是 单相输入时的1.7倍,当开关电源的功为3 ̄5kW时,可以选单相 输入,以降低主电路器件的电压等级,从而可以降低成本;当 功率大于5kW时,应选三相输入,以避免引起电网三相间的不 平衡,同时也可以减小主电路中的电流,以降低损耗。 4)输入电流:输入电流通常包含额定输入电流和最大电 流2项,是输入开关、接线端子、熔断器和整流桥等元器件的设 计依据。 5)输入功率因数和谐波:目前,对保护电网环境、降低 谐波污染的要求越来越高,许多国家和地区都已出台相应的标 准,对用电装置的输入谐波电流和功率因数做出较严格的规 定,因此开关电源的输入谐波电流和功率因数成为重要指标, 也是设计中的一个重点之一。目前,单相有源功率因数校正 (FPC)技术已经基本成熟,附加的成本也较低,可以很容易 地使输入功率因数达到0.99以上,输入总谐波电流小于5%。 2.2.2输出参数 输出参数包括输出功率、输出电压、输出电流、纹波、稳 压精度、稳流精度、输出特性以及效率等。 1)输出电压:通常给出额定值和调节范围2项内容。输出 电压上限关系到变压器设计中电压比的计算,过高的上限要求 会导致过大的设计裕量和额定点特性变差,因此在满足实际要 求的前提下,上限应尽量靠近额定点。相比之下,下限的限制 较宽松。 2)输出电流:通常给出额定值和一定条件下的过载倍 数,有稳流要求的电源还会指定调节范围。有的电源不允许空 载,此时应指定电流下限。 3)稳压、稳流精度:通常以正负误差带的形式给出。影 响电源稳压、稳流精度的因素很多,主要有输入电压变化、输 出负载变化、温度变化及器件老化等。通常精度可以分成。3项 考核:①输入电压调整率;②负载调整率;③时效偏差。同 精度密切相关的因素是基准源精度、检测元件精度、控制电路 中运算放大器精度等。④电源的输出特性:与应用领域的工艺 要求有关,相互之间的差别很大。设计中必须根据输出特性的 要求,来确定主电路和控制电路的形式。⑤纹波:开关电源的 输出电压纹波成分较为复杂,通常按频带可以分为3类: 高频 可靠性,节能的效果明显,所以应尽量提高效率。一般来说, 输出电压较高的电源的效率比输出低电压的电源高。 2.2.3电磁兼容性能指标 电磁兼容也是近年来备受关注的问题。电子装置的大量使 用,带来了相互干扰的问题,有时可能导致致命的后果,如在 飞行的飞机机舱内使用无线电话或便携式电脑,就有可能干扰 机载电子设备而造成飞机失事。电磁兼容性包含2方面的内容: 电磁敏感性、电磁干扰分别指电子装置抵抗外来干扰的能 力和自身产生的干扰强度。通过制定标准,使每个装置能够抵 抗干扰的强度远远大于各自发出的干扰强度,则这些装置在一 起工作时,相互干扰导致工作不正常的可能性就比较小,从而 实现电磁兼容。 因此,标准化对电磁兼容问题来说十分重要。各国有关电 磁兼容的标准很多,并且都形成了一定的体系,在开关电源设 计时应考虑相关标准。 3开关电源的设计步骤 开关电源的设计一般采用模块化的设计思想,其设计步骤 是: 1)首先从明确设计性能指标开始,然后根据常规的设计 要求选择一种开关电源的拓扑结构、开关工作频率确定设计的 难点,依据输出功率的要求选择半导体器件的型号; 2)变压器和电感线圈的参数计算,磁性材料设计’是‘个 优质的开关电源设计的关键,合理的设计对开关电源的性能指 标以及工作可靠性影响极大; 3)设计选择输出整流器和滤波电容; 4)选择功率开关的驱动控制方式,最好选用能实现PWM控 制的集成电路芯片,也可利用单片机实现PWM控制; 5)设计反馈调节电路; 6)根据设计要求设计过电压、过电流和紧急保护电路; 7)根据热分析设计散热器; 8)设计实验电路的PCB板和电源的结构,组装、调试,测 试所有的性能指标; 9)根据调试结果进一步优化设计; l0)再调试,直到满足要求为止。 参考文献: [1】沙占友,新型单片开关电源的设计与应用【M】北京:电子工业出 版社。2001 [2】杨旭、裴云庆、王兆安,开关电源技术【M]北京:机械工业出版 社.2002. [3]Brown M,开关电源设计指南【M】第2/&,徐德鸿等译,北京: 机械工业出版社.2004 [4】高丽华,数字开关电源的研究[D】.南京:南京航空航天大学, 201n