建筑用開關電源的節能設計與實現

李斌+孫偉

摘 要： 為了對開關電源進行節能設計，提高輸出功率，降低電能損耗，提出一種基于并聯諧振阻抗匹配的建筑用開關電源的節能設計方法。首先構建開關電源的總體設計模型，電源硬件設計模塊主要含功率放大器、A/D轉換器、無源高通濾波器和動態增益控制模塊，設計電源節能的等效電路圖，采用模塊化設計方法進行建筑用開關電源的電路設計，采用并聯諧振阻抗匹配方法提高輸出功率增益，降低電能開銷，實現節能優化。測試結果表明，采用該方法進行建筑用開關電源的節能設計，具有更高的輸出增益，帶載能力更好。

關鍵詞： 建筑； 開關電源； 節能設計； 輸出增益； 高通濾波器

中圖分類號： TN86?34； TM43 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）24?0184?03

Abstract： In order to realize the energy saving design of the switching power supply， improve the output power and reduce the electric energy loss， an energy saving design method of switching power supply based on parallel resonant impedance matching is proposed for construction industry. The overall design model of the switching power supply is constructed. The hardware design module of the power supply includes the power amplifier， A/D converter， passive high?pass filter and dynamic gain control module. The equivalent circuit diagram of energy saving design for the power supply was designed. The modular design method is used to design the circuit of switching power supply for construction industry. The parallel resonance impedance matching method is adopted to improve the output power gain， reduce the electric power consumption， and realize the energy?saving optimization. The test results show that the method used for the energy saving design of the switching power supply for construction industry has high output gain and strong load capacity.

Keywords： building； switching power supply； energy saving design； output gain； high?pass filter

0 引 言

近年來，電源技術和電能優化傳輸技術得到快速發展，同時也催生了建筑電氣產業的快速發展，建筑用開關電源的節能優化設計是實現建筑內部電源供電優化節能的重要組件。通過對開關電源的節能設計，結合雙向流動的三相逆變器使得功率場效應管（MOSFET）產生的感應電能能夠有效輸出到電源終端，提高輸出功率增益。開關電源是利用電氣自動化控制技術，進行開關管開通和關斷控制的電氣控制設備，開關電源一般采用脈沖寬度調制（PWM）控制IC進行輸出功率控制，實現PWM轉換和零電壓轉換（Zero?Voltage?Transition，ZVT）[1]。目前，開關電源以小型、輕量和高效率等優點在建筑電氣節能控制中得到廣泛應用，研究建筑用開關電源的節能設計方法，在促進節能減排，降低能源損耗方面具有重要意義，相關的設計方法受到人們的極大重視。本文研究一種基于并聯諧振阻抗匹配的建筑用開關電源的節能設計方法，通過對開關電源的硬件電路設計和節能控制模型設計，實現開關電源節能設計優化。

1 設計原理與總體構架

本文設計的建筑用開關電源主要由主電路、控制電路、檢測電路、輔助電源四大部分組成[2]，其中，主電路主要實現沖擊電流檢測、輸電電流濾波和整流控制以及逆變控制等功能，根據負載需要設計逆變電路，采用AC/DC和DC/DC轉換器進行反轉式串聯開關電源輸出[3]。根據上述設計原理，構造本文設計的建筑用開關電源的節能設計結構如圖1所示。

2 等效電路圖設計與電路分析

根據圖1構造的總體結構模型，采用脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOSFET進行開關電源的適配器設計，基于分散控制系統（Distributed Control System，DCS）的節能電源設計方案進行開關電源的節能控制設計，構造開關電源的等效電路示意圖如圖2所示。

圖2所示的開關電源等效電路圖采用的是DCS分散控制方法，構造T型等效電路圖，輸入220 V的初始電源接入，濾波電容采用DC 380 V左右電壓供電，PWM模塊為UC3843，啟動腳Vstart/control，得到開關電源初級側的輸入電壓為：

式中：，為發射頻率和輸入初級側的自感，有效信號的載波相位支持片外同步或異步傳輸能力；為繞組之間的互感；，為初級側和次級側電壓；和為靈敏度（動作電壓）參數，由濾波器的頻率響應得知開關電源的耦合系數為：

由放大器的動態范圍計算接收機內部濾波器的互感值，其中，通頻帶應設計為100～2 000 Hz，在無直流電壓輸出的情況下，整流二極管擊穿，電壓輸出為：

在有負載情況下，各級直流電壓具有高耦合性，電源的控制電路的漏感小于濾波電容漏電輸出。通過諧振電路進行多?？刂?，在諧振工作點附近開關管的工作不穩定，對此，在進行開關電源的逆變器設計中，采用如下約束式進行傳輸效率控制：

檢查電源輸入端逆變功率開關管，建立包含直流輸出的高壓濾波電解模型，考慮電源的工作環境溫度[4]，在電源的諧振點附近將電流波形視為近似正弦，得到電源輸出的諧振角頻率和阻抗為：

引入過電壓保護（OVP）功能，確定輸入/輸出電壓規格，當系統工作在諧振點附近，建筑用開關電源的逆變電壓為：

根據以上設計，得到開關電源的次級側輸出電壓和次級側電流的關系模型描述為：

采用并聯諧振阻抗匹配方法提高輸出功率增益，得到開關電源濾波電容的借電電壓為：

次級側電流為：

考慮對電源進行過電壓保護（OVP）、過溫度保護（OTP）[5]，本電路中加入動態范圍25 dB 的AGC，得到諧振電流輸出電流和輸出電壓為：

3 電源模塊化設計

采用模塊化設計方案進行建筑用開關電源電路設計，分別對開關電源功率放大器、A/D轉換器、無源高通濾波器和動態增益控制模塊[6]設計，描述如下：

（1） 功率放大器。功率放大器是實現開關電源的輸出功率放大功能，放大倍數應該大于50 000倍，采用兩級放大器進行功率放大器設計，使用雙運放器件來實現，得到設計電路如圖3所示。

（2） A/D轉換器。A/D轉換器采用四級A/D轉換晶振設計，把檢波器輸出的交流信號，調整輸入級信號幅值大小，實現開關能源的節能設計要求。

（3） 無源高通濾波器。高通濾波器設計是實現電流整流控制和干擾濾波，采用CMOS工藝制造的七階橢圓函數電容濾波器設計無源高通濾波器，設計指標滿足通帶內紋波<0.1 dB，阻帶衰減>51 dB（當f>1.3 fc 時），負載阻值不能小于10 kΩ，在濾波器輸出端外接晶振輸入端（通常還需并接10 MΩ的電阻），增大驅動能力。

（4） 動態增益控制模塊。動態增益控制模塊采用并聯諧振阻抗匹配方法提高建筑用開關電源的增益控制和節能能力。采用3個多通道緩沖串口McBSPs進行動態增益控制，經DMA 控制器接入內存，通過對六個輸入端的設置同步脈沖進行外部脈沖源驅動，完成開關電源設計。

綜上分析，得到本文設計的建筑用開關電源的電路集成設計圖如圖4所示。

4 實驗測試

在對本文設計的建筑用開關電源進行測試中，通過分析電源逆變器的輸出電壓、輸出電流、次級側電壓等參量分析其節能性能，設定功率放大器的截止頻率=2 905 Hz，直流信號在1.2～1.4 V之間，起控點設在，得到輸出性能曲線如圖5所示。

分析圖5結果得知，采用本文方法設計的開關電源具有較好的輸出指標表現，功率和電壓的輸出增益較高，通過節能設計提高了電源系統的帶載能力。

5 結 語

為了提高建筑用開關電源的輸出功率，降低電能損耗，提出一種基于并聯諧振阻抗匹配的建筑用開關電源的節能設計方法。進行電路設計分析，重點對開關電源的功率放大器、A/D轉換器、無源高通濾波器和動態增益控制等模塊進行了詳細設計，采用并聯諧振阻抗匹配方法提高輸出功率增益，降低電能開銷，實現節能優化。電路調試結果表明，采用該方法進行建筑用開關電源的節能設計，具有更高的輸出增益，帶載能力更好，具有實用價值。

參考文獻

[1] RAJAPAKAHA N， MADANAYAKE A， BRUTON L T. 2D space?time wave?digital multi?fan filter banks for signals consisting of multiple plane waves [J]. Multidimensional systems and signal processing， 2014， 25（1）： 17?39.

[2] 焦文良，王旭東，那日沙，等.多重聯結大功率直流電源控制策略研究[J].電機與控制學報，2016，20（5）：53?59.

[3] 王志強，馬新敏，王超，等.兩相兩重斬波變換的半導體激光器電源研究[J].激光技術，2015，39（3）：386?390.

[4] 陳凱，許海銘，徐震，等.適用于移動云計算的抗中間人攻擊的SSP方案[J].電子學報，2016，44（8）：1806?1813.

[5] 吳旭.基于增強穩定組模型的移動P2P網絡信任評估方法[J].計算機學報，2014，37（10）：2118?2127.

[6] 齊曉輝，王峰，金濤，等.多通道中頻采樣數字下變頻應用技術研究[J].科學技術與工程，2013，13（7）：1821?1826.