高性能開關電源的設計探討

劉秉科

（天水師范學院，甘肅天水，741001）

開關電源在通信系統得到廣泛應用，通信業迅速發展又助推開關電源技術的發展，使得開關電源在電子信息設備中得到廣泛應用。隨著大功率硅晶體管耐壓提高，1969年做成25KHz開關電源，經過多年努力開關電源電路拓撲類型等研究取得很大進展。開發出單端貯能式反激電路，單端正激式電路，半橋電路等，可適應不同場合的需要。功率晶體管性能得到較大提高。隨著通信開關電源技術的廣泛應用，人們對開關電源提出更高的要求。提出應用技術的高頻化，軟件控制的數字化，新一代電源技術含量提高，使之更加可靠穩定安全。為提高開關頻率，開發出相移脈寬調制的零電壓開關諧振變頻器，克服了準諧和多諧振變換器頻率變化大的缺點，大大減小了開關管損耗，進一頻提高電源效率。降低變換電路對分布參數的敏感性，提高電源開關的可靠性。開關電源的研發朝著高頻，高可靠性，低噪聲與模塊化的方向發展。

1 開關電源簡介

開關電源利用電子電力技術控制開關器件高頻率導通和關斷，實現DC/DC電壓變換。隨著電力電子技術的發展，開關電源優點日益突出。效率可達90%以上，由于使用了高頻變壓器使得體積重量大幅降低，抗電磁干擾能力強。開關電源應用已十分普及，小功率電源主要用于IT等領域，如攝像機，冰箱等儀器；大功率電源主要用于工業軍事領域。

現代開關電源按輸入電壓類型分為直流與交流兩大類，DC/DC開關分為隔離式與非隔離式，輸出輸入無電氣隔離作用為非隔離式。隔離式開關電源可按有源功率器件個數劃分。開關電源種類繁多，每種拓撲各有其優缺點，設計開關電源前應選擇合適的拓撲類型。反激式變換器拓撲在輸出功率5-150W電源中應用廣泛，具有輸出輸入電氣隔離，易于多路輸出，造價低等優點，目前單管反激式開關電源在家電領域已廣泛應用。建國初期我國郵電部門科研人員開發國產大功率電動發電機組成套設備作為通信電源，后引進蘇聯BCC51系列自動化硒整流器，與工廠研制成功國產XZL系列自動化硒整流器，用硒整流器裝備通信局替換電動發電機組。

1963年研制可控硅整流器，由于文革動亂研制工作停滯，1967年武漢通信電源廠形成系列化生產，供通信設備不斷改進。80年代生產20kHzDC/DC變換器，無法作為通信設備一次電源使用。90年代初我國大多數通信設備采用一次帶能源為可控硅整流器，有龐大的工頻變壓器，電解電容等，效率低，不易實現集中控制。開關電源發展趨勢為向高效，低耗，抗干擾方向發展。

2 系統整機分析

開關電源由機箱，電源控制電路與電源主電路組成。電源主電路負責完成功率轉換，將市電轉換為所需的直流電輸出。電源主電路研發中必須對各部分認真設計調試，以滿足電源設計要求。

控制電路是電源的大腦，應具有驅動電路，保護電路等功能。為使開關電源設備正常工作，必須讓電源各部分相互協調工作。DC-DC變換器是開關電源實現功率轉換部分，對開關器選用全橋電路較為合適，繞組能得到最優利用。功率開關在安全條件下運行，需要功率元件較多，三相整流橋提供直流電壓較高，目前常用全橋式變換器有傳統硬開關式及移相式兩種。硬開關PWM電路以其結構簡單得到廣泛應用，開關管工作在硬開關狀態，大電流關斷。開關瞬間有大量損耗，常加入緩沖電路，可限制開通時的du/dt，使功率負荷期間安全運行。

硬開關電路在開關頻率低時缺點不突出，隨著頻率提高電磁干擾又成為嚴重問題。從而出現了諧振式軟開關概念，增加附加元件，利用諧振電感作用使開關期間在正弦波零電壓處關斷。SPS裝置如圖1所示，電路主要由控制芯片LD7532A控制，通過LD7532A芯片對變電器輸出量進行內部調節，電壓出現異常可關掉電路。LD7532A芯片內部模塊包括基準電壓，誤差放大器，針對電壓的檢測器，芯片主要特點是在內部設置欠壓鎖定比較器，通過VCC引腳電壓，保持充足的動力。出現故障時，可采取LD7532A保護，LD7532A芯片具有消耗低優點，芯片啟動時，電路電壓不斷提高，閾值內部值過低時，裝置不能產生很強的脈沖信號，LD7532A裝置在芯片內部為了CMOS設計通過PWM控制最大啟動電流，電阻助力值過大會造成啟動時間過長，合理選擇電流有利于降低功耗。

圖1 PWM控制電路

根據電路功能可將控制電路分為脈沖產生電路，保護電路等。脈沖產生電路為控制電路核心，提供控制信號所需脈沖信號，驅動開關元件。控制電路輸出PWM信號，需選用合適的驅動電路，將控制電路輸出PWM脈沖信號進行功率放大以驅動動大功率開關管，脈沖幅度關系到開關過程，應認真設計調試驅動電路。保護電路是控制電路的重要部分，為提高電源可靠性需完善保護電路功能，應具備過流保護與欠壓保護等基本功能。

3 開關電源主電路設計

PWM集成控制器分為電壓型與電流型兩種，電壓型有電壓反饋控制，電流型也有電流反饋控制。當流過開關管電流達到設定值開關管自動關斷，多條開關電源并聯工作時PWM開關控制器具有均流能力。自動消除工頻輸入電壓經整流后的波紋電壓，可減小濾波電容容量，具有更快的負載動態響應等優點。基準電壓通過誤差放大器放大，輸出差值信號與鋸齒波比較，改變輸出脈沖寬度。

圖2 開關電源輸入電源方式

電路主要由控制芯片LD7532A控制，通過LD7352芯片對變壓器輸出量進行內部調節。電壓出現異常可關掉電源保護芯片。LD7532A芯片內部模塊包括基準電壓，誤差放大器，芯片特點是在內部設置欠壓鎖定比較器，通過VCC引腳電壓確保能量加載到PWM控制器，有時可能出現故障，如電流高峰引發錯誤操作，可采取LD7532A保護，由于LD7532A芯片具有消耗低等優點，啟動時電路電壓不斷提高，其閾值內部值過低裝置不能產生很強的脈沖信號。LD7532A裝置在芯片內部為CMOS設計通過PWM控制最大啟動電流，電阻阻力值過大造成啟動時間過長，合理選擇電阻有利于降低功耗。

檢測電路反饋可采用精密穩壓源TL431，通過對輸出電壓取樣檢測，反饋信號傳遞到初級變壓器，通過LD7532A芯片控制占空比保持輸出電壓穩定。由于電源開關引起漏電，出現電感電壓突然增高情況，設計緩沖器以釋放能量。考慮到SPS裝置對變壓器閉合回路產生寄生電感，其產生的反向電壓是造成開關器損壞的主要原因，必須設計RCD緩沖電路。

4 元器選擇與仿真

設計輸入交流電壓范圍為90-240V，直流電壓為交流電壓的1.3倍，考慮裕量輸入最低電壓105V，開關管電壓應力為700V，整合二極管電壓應力。如變壓器匝比設為8，選擇初級匝數為64。開關管關斷時，變壓器存儲能量對輸出電容充電，充電電流不斷減小至輸出電流，設輸出電容電壓波紋為110mV。電源組裝后對開關單元測試，分析不理想波形，利用仿真軟件進行驗證分析，針對波形問題提出對策解決方案。通過仿真可了解因實驗設備限制無法測試的部分信息。

輸出電壓測試目的是確保輸出電壓調整率在規定范圍。根據設計指標要求，電源輸出電壓在允許范圍內，但輸出電壓在輕載與滿載電壓相差較大，負載調整率不達標。輕載時輔助繞組Vcc值為+16.4，與設計值+15相差很大，分析結果顯示，電源輸出電壓不穩的原因是多路輸出電源交叉調整特性造成。

開關管關斷時，存儲能量如何被副邊多路輸出分配根據副邊漏感決定。用于反饋的主輸出負載重，其他各路輔輸出負載調整率差。Vcc繞組接近原邊繞組，VCC繞組漏感小，滿載時相比其他負載很輕，為驗證是否為漏感引起差異，用軟件進行仿真分析。仿真輸入電壓250V，仿真輸出電壓與設計額定值一致，副邊漏感為0，輸出電壓與理論值一致。將理想變壓器原邊-副邊，磁芯-副邊耦合系數設為0.95，VCC電壓提升，二次側其他路輸出電壓下降，各路副邊繞組漏感增加，電壓下降。

仿真無法精確設置繞組耦合，未仿真出與實際測試值相同結果。通過對比可知變壓器繞組耦合度與漏感均影響電源交叉調整率，造成VCC電壓與額定電壓差距較大，主要由于繞組間的不同耦合度導致。針對VCC電壓偏高，其他各路負載加重使VCC電壓升高，可采用線性穩壓器，增加整流二極管個數等措施解決。調試時VCC繞組串聯5.6Ω功率電阻分擔電壓，滿載時能滿足工作電壓需求。

5 結語

本文提出大功率直流開關電源系統主電路，及監控系統設計方案，分析了硬件電路設計。高頻電壓設計中，繞組繞制等多個環節需反復設計調試以達到理想效果。直流濾波環節參數選擇非常重要，PWM驅動電路設計非常關鍵，通過并聯均流控制，按平均值均流法可得到良好均流效果。設計運用單端反激式變換器結構中，應采取LD7532A芯片控制PWM控制器，因芯片LD7532A內部消耗功率低，安全性具有很大的技術優勢。對電源裝置損耗很小，達到極高的效率，通過實驗檢測得出高性能開關電源設計方法。