淺談單片開關電源的設計

李子軒

（長江大學電子信息學院 434000）

淺談單片開關電源的設計

李子軒

（長江大學電子信息學院 434000）

電源對于任何電子設備的工作運行來說，都是至關重要的，單片開關電源的研發設計，是在保證電子設備安全高效運行的基礎上，對電源穩定性、節能性和智能性的技術探索。本文重點討論了單片開關電源的發展歷程、工作原理和性能優勢，同時也對目前單片開關電源存在的一些問題和發展趨勢作了一定程度的分析。

單片；開關電源；設計

前言

可靠的電源是一切電力電子設備實現運行的前提，單片開關電源從20世紀70年代以來，經過電路的簡化、運行頻率的提高、功能的集成控制等一系列技術層面上的革新，得到了包括辦公設備領域、計算機與通信領域、機電自動化領域、家用電器領域和醫學設備領域的廣泛應用。

1 單片開關電源的系統理論綜述

單片開關電源是電子電力技術高速發展的產物，在深入了解單片機控制的開關電源前，對傳統電源優缺點的了解很有必要。傳統的電源主要以線性電源為主，線性電源是將交流電經過變壓器降低電壓幅值，再經過整流電路整流后，得到脈沖直流電，后經濾波得到帶有微小波紋電壓的直流電壓，它的主要部件是功率管，因為其在工作過程中由于長期處于線性放大狀態，所以其輸出電流隨著功率管里的電流增大而增大，隨之耗費的功率也就越大，有效使用功率就降低，嚴重影響了電源的效率，另外，線性電源很難在一個固定的電壓范圍內工作，從而導致輸入精度較低，即使安裝輸入調整器控制輸入精度，隨著而來的只會是更大的功耗和更低的效率，加上線性電源硬件設備體積和重量較大，讓基于單片機和集成電路控制的開關電源成為發展的必然。

我們今天電子科技領域所普遍應用的開關電源，是經過了長達幾十年的發展才逐步成型的，總結起來，它的發展方向主要有兩個：①電源控制電路集成化的發展，包括脈寬調制控制器集成電路的成功研發和高速脈沖頻率調制芯片的成型這兩個發展階段；②基于單片控制的中小功率開關電源的發展，解決了低壓輸出，400W以下大中功率產品的電源配置問題，芯片技術讓開關電源的體積更小、成本更低、節能性更高，而單片機控制電路讓穩壓電源更為高效。

2 單片開關電源的工作原理和設計流程

單片開關電源的核心是脈沖寬度調制、微控制器和金屬-氧化層-半導體-場效晶體管（MOSFET），通過控制控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓。具體流程是輸入一個基準電壓，假設為6V，通過整流濾波電路后，電壓在電網波動作用下減小，導致采樣的電壓值也減小，假設減小為5.9V，誤差為0.1V，那么系統會經過比較和放大，脈沖寬度調制會使脈沖調制電路根據誤差大小，提高占空比使得輸出電壓增大，同樣的道理，輸出電壓假設為6V，電網波動下輸出電壓升高至6.1V，脈沖調制電路也會相應降低占空比使得輸出電壓減小到穩定的6V，控制整個系統電壓的動態穩定。

在具體的單片開關電源的系統設計上，一般包括系統方案驗證、重難點分析、硬件設計、軟件設計和系統調試這幾個階段。在系統方案論證時，需要清楚地規劃好系統各個模塊的工作形式和連接方法，比如整流濾波電路、采樣電路、放大電路、控制電路、電子開關電路等，還要對產品實際可能引發的問題進行對策分析，比如如果輸出電壓與輸入電壓不隔離，容易引起觸電事故等。重難點分析是結合產品的功能定位和功能實現之間的思考，比如怎樣提高電源的工作效率，怎樣處理高頻干擾問題，以及怎樣處理實際應用中的成本、接口連接方式等。而硬件設計主要在于硬件型號和參數的選擇，比如輸出整流管的選取、輸出濾波電容的選擇，反饋電路中整流管的選擇等，最后的軟件設計和系統調試，主要應用的是計算機編程思想，以C語言程序設計為工具，發送指令，這主要是根據系統論證方案的工作流程來的，比如對單片機，主要根據鍵盤輸入值和取樣值之間的差值，修改脈沖占空比，并輸出控制功率開關管，以便得到期望的輸出電壓值，并根據模/數轉換器所采樣的電壓和鍵盤輸入比較，根據差值調用PID算法再次修改脈寬使輸出電壓穩定。

基于單片機控制的開關電源具有良好的設計彈性，因為借助了計算機編程技術，可以完美融合設計團隊靈活的設計思想，進行程序化運作，單片機的電路結構也非常簡單，易于維修，成本相對低廉。除此之外，單片機和芯片技術可以在改善開關電源體積重量、提升產品性能的同時，對其進行適當的功能擴展，比如在可視化人機交互方面，完全可以實現更智能的實時監控功能。

3 單片開關電源的高頻干擾問題以及未來的發展趨勢

盡管單片開關電源在性能、體積和重量上相對傳統電源具備明顯的優勢，但其大致的工作流程還是需要按照從交流整流為直流，然后逆變為高頻，最后經過濾波電路得到穩定的輸入電壓這個順序進行的，這個過程中存在一定的諧波干擾，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，都形成了潛在的電磁干擾源。針對這個問題，我們一般可采取共模干擾電路來達到對電磁感染的抑制作用，因為大多數電磁干擾現象都是由電磁干擾源、耦合途徑、干擾接收機三個主要因素構成，所以我們處理的方式一般有三種：①減小電磁干擾源的干擾能量，比如設置吸收回路；②破壞電磁干擾路徑，如通過濾波；③采用屏蔽手段，達到抑制電磁感染的目的。

隨著半導體技術和微電子技術的高速發展，集成度高、功能強大的大規模集成電路的不斷出現，使得電子設備的體積和重量不斷下降，這就要求有效率更高、體積更小、重量更輕的開關電源，使之能滿足電子設備的日益小型化的需要，這是未來開關電源設計所應考慮的最直接的問題。

4 結語

單片開關電源的研發設計和發展過程，除了科學技術的創新，更反映了科技發展的一般規律，即節能環保、高效智能的可持續科學發展觀，未來的電子科技，將與互聯網信息技術和計算機編程技術有機融合，創造出更具實用性的多元科技產品。

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TN86

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1004-7344（2016）07-0330-01

2016-2-1