開關電源的設計與實現

蔡乾 陳春芳 陳祎 王昭

摘要 開關電源被稱作高效節能電源，是當下穩壓電源發展趨勢的重要代表。經過近二十年的科研與推廣，開關電源逐漸朝著高效率、低能耗、小體積等方向發展。本文主要通過實驗探究的方式，對開關電源的設計以及實現進行了簡要的分析。

【關鍵詞】開關電源 設計 實現

開關電源具備體積較小、工作效率較高等優點，已經在各種現代電子設備當中得到了較為廣泛的應用。而因為開關電源相應的控制電路較為復雜，在實際應用當中會受到一些限制。怎樣對開關電源形成完善的設計，使其應用性能更好的體現出來，值得我們更為深入的探索。

1 開關穩壓電源

傳統的線性電源通常都是較大體積的工頻整流電源，這種電源效率較為低下，最高只能達到百分之四十，而隨著現代科技的發展，該種電源逐漸退出了歷史舞臺，對開關穩壓電源的應用越來越廣泛。與傳統線性穩壓電源相比較，開關穩壓電源有著效率較高、體積較小、功率較大、成本投入較低等特征，給如今各種便攜式的電子產品發展形成了良好的促進作用。近些年，半導體工藝呈現出了非常大的變化，制作工藝的高效化，不僅形成了更低的能耗和更高的效能，還有效拓展了系統運行的穩定性、可靠性以及電磁兼容性，使工作效率大幅上升。通常，開關電源的最低效率可以達到百分之八十。

2 數控開關電源主要原理

在針對數控開關電源進行設計的過程中，需要依據雙閉環控制以及穩壓穩流的自動轉換電路等原理，讓電源開關實際的電壓和電流可以達到給定值，并且確保電路實際工作過程的穩定性。

2.1 雙閉環控制

為有效拓展動態響應的速度，需要在對電源開關進行設計的過程中采取雙閉環形式的控制結構，從而實現直接對控制面板進行操作，對系統穩流值以及穩壓值的顯示與控制。在雙閉環的控制模式當中，電流主要是內環控制，電壓則是受到外環控制，結合PID調節器達到內外環一同控制的效果。雙閉環控制一般表現為對PID誤差的調控，其中外環控制指的主要是對電壓輸出值跟額定值之間進行對比，隨后經過相應的調控操作，使電壓控制形成外環。而內環控制主要是利用PID針對電流進行控制，把經過調制之后的電流進行傳輸，生成相應的數字脈沖，繼而對開關狀態實現有效控制，形成限流作用。在工作狀態為穩壓情況的時候，電流的PID調節將會向PWM調制器輸出一定的數字脈沖賦值，這時電壓環將會退出，形成以電流環為主導的形式，從而實現對開關狀態的控制，同時形成穩流效果。

2.2 穩壓穩流自動轉換電路

穩壓穩流的自動轉換主要是由電流、電壓以及負載這三個因素所共同決定。在電路實際工作狀態為穩流情況時，電壓環將會處在飽和狀態，無法起到任何作用，而內環當中的電流則處在工作狀態之中。與之相反的是，電路處在穩壓狀態的時候，電路環由于飽和而停止工作，電壓環處于工作狀態。而輸出電壓會超過給定值，且電流給定，這時運算方法器會處于飽和的狀態，電流環和電壓環呈現同時工作的情況，該種控制方式也就是雙環結構。也正是對雙環結構的有效設計，使所輸出的電流與電壓都可以穩定在一個特定范圍之內，自動轉換電路不僅能夠對電路進行轉換，還可以維持電源穩值。

3 開關電源的設計內容

開關電源的輸入濾波穩壓電路，指的主要是DC-DC變換器在輸入以前的電路，其中主要包含蒸餾濾波電路以及輸入濾波電路等各種單元電路，其拓撲結構和各種性能指標會影響到開關電源具體的應用可靠性、成本投入以及體積大小等，同時也決定了在開機瞬間浪涌電流的高低。為了能讓開關電源處在干擾較小，防止受到污染的電網環境當中，所以需要對在開關電源當中輸入前端電路，本實驗設計利用的前端電路如圖l所示。

在該原理圖當中：

（1） CX1以及CX2為X安規電容，主要作用在于差模濾波。

（2） L1、CYl以及CY2用在共模濾波。

（3） R2是NTC電阻，主要功能是開機時防止浪涌。

（4） Rl是泄放電阻，對工作人員形成保護。

（5） Ul以及Cl是整流濾波元件。

（6） FUSE是保險絲。

本次實驗所采用的參數主要包括：

（1）保險絲主要選擇3.15A/220V型號。

（2） Rl選擇兩個2.4MΩ串聯。

（3） CXl以及CX2容量是O.lμF。

（4） CYl以及CY2容量是1μF。

（5）11容量是lOmH。

（6） Ul選擇DB107型號的整流橋。

（7） Cl結合經驗值加以選擇，為82μF/400V電解電容。

（8） R2是NTC12D-7。

反激變換器其實屬于一種Bust-Boost變換器，對其輸出跟輸入之間的隔離主要利用高頻變壓器，能夠實現升壓和降壓，已經在100W之內隔離式的開關電源當中實現了非常廣泛的應用，具體可以結合輸出和輸入電壓范圍的差異，選擇單管或雙管的反激拓撲結構。在經過設計高頻變壓器、次級反饋回路以及選擇輸出濾波電容之后，在測試平臺當中進行具體的測試。經過對某專業儀表進行供電的過程加以測試，實驗結果標明，所設計電源供電具有較好的可靠性，各種儀表均能正常投入應用。如果出現儀表短路的情況，供電電源具備過流保護的功能，可以在第一時間將供電電源切斷，實現對儀表的保護。經過測試標明，保護功能具有較強的可靠性，能夠完成對儀表的有效保護。在長時間應用之后，產品工作性能依然保持穩定，紋波比較小，而且輸入電壓維持穩定，可以滿足儀表應用需求，并為儀表供電設計形成了良好的參考作用。

3 結束語

總而言之，對開關電源更為深入的研究與推廣具有十分重要的現實意義，對于我國電子研發和生產行業的發展具有良好的促進作用。相關從業人員應該積極探索，對國外的一些先進技術和理念加以借鑒，繼而與我國電子行業的整體情況相結合，創建出一套更為符合我國國情的開關電源設計體系，為國家經濟發展注入源源不斷的活力。

參考文獻

[1]何玲，吳恒玉，王志剛，多功能開關電源保護電路的設計與實現[J]，電子工業專用設備，2015，44 （04）：7-13.

[2]鄭堯，數控開關電源的設計與實現[J].通信電源技術，2015，32 （02）：136-138.

[3]蘭盈杰，雷宏，姜明輝.一種新型待機開關電源的設計與實現[J].信息通信，2015 （02）：86-88.