電力高頻開關電源的設計與分析

時東陽

在當前的社會環境中，信息技術的發展速度十分迅猛，這也使得各種各樣的電子設備得到了廣泛的普及應用，而無論何種電子設備，其都需要穩定的電源提供支持。而線性電源就屬于一種常用的電源，然而，線性電源自身所具備的缺點也十分明顯，其內部輸入電壓的有效范圍相對較窄，輸出的電壓也必須要低于輸入電壓，并且其整體體積相對較大，在某些特殊場合當中無法達到基本的使用需求。而開關轉換器則是通過開關管，對基本的開合狀態進行更加全面的控制，使得電能的各種形態能夠更好地適用于開關當中，確保輸入電壓能夠穩定控制在一定范圍當中，同時，在開關電源進行正常工作的過程中，也可以采用高頻的DC/DC轉換器，使得開關電源轉換器能夠具備高頻化特征，這就形成了高頻開關電源。

（一）標準化以及模塊化

開關電源設備的標準化轉變，使得開關電源的應用范圍更加廣泛，這也進一步突出了開關電源標準化發展的重要作用。而實現開關電源標準化發展的關鍵就在于整合不同用戶所提出的基本需求，并針對性地制定出相應的要求內容，以此為基礎來對研制生產環節加以規范，同時，標準化還能夠更好地協調科研、生產以及使用三者之間的具體關系，確保開關電源系統自身具備更加科學合理的指標性能。而電力高頻開關電源的模塊化。主要就是將部分具備著特殊功能的電路進行集成處理，實現最佳的性能，提升整體資源利用率，而在當前的社會環境中，整體集成度也呈現出一種不斷提升的狀態，而將電力高頻開關電源當中一些特殊功能有效集成在一起，能夠強化其總體性能，在便于群眾使用的同時，提高應用系統自身的穩定性。

（二）數字化以及智能化

電力高頻開關電源設備的數字化發展，就是將現代化的數字信號應用到其中，以此來代替傳統的模擬信號，從而更好地完成一些制定功能。而在當前嵌入式的發展模式當中。可以明顯看出開關電源數字控制以及模擬控制這兩種現代化技術，其必然會在未來的發展進程中處于一種長期共存的狀態，這也進一步突出了數字化發展的重要性。而電力高頻開關電源的智能化，則是通過傳感器與計算機設備之間的有效結合來實現一些特殊功能，比如在電能變換電源設備當中實現自我診斷或是預先報警，并對設備生產、設備配送以及設備維修的全過程智能化精確管理等。

（三）高頻化以及小型化

在當前的社會環境當中，軟開關技術得到了較為全面的發展優化，并且逐漸向著成熟化的方向轉變，這也使得那些中功率器件內部的開關頻率逐步提升。而隨著功率開關器件頻率的逐步提升，開關電源自身的重量以及體積必然會隨之減少，并且具備更加優異的性能。因此，開關電源設備未來的主要發展趨勢就在于小型化以及高頻化，甚至還會出現頻率在1MHZ的開關電源，有著更高的工作效率。

（一）電力高頻開關電源的工作原理

開關電源主要就是通過脈寬調制波來對MOS管的開關時間比進行更加全面的控制，并輸出穩定電壓的一種電源。而在線性電源當中，開關管處在線性的工作狀態，而PWM開關電源則會讓開關管處在關斷或是開通狀態，這也是PWN開關電源與線性電源最為明顯的差異之處。而在這兩種工作狀態當中，開關管所產生的功率消耗相對較低，而出現這一情況的主要原因就在于開關管在導通過程中，雖然電流相對較大，但整體電壓卻比較低，在開關管關斷時雖然電壓會提升，但電流卻會減小，使得開關管當中的伏安乘積就是其所產生的具體損耗，由此可以看出，其所產生的損耗比較低。而與傳統的線性電源不同，在PWN開關電源當中所采用的則是脈沖寬度調制的方式，以此來對電壓展開穩定調節，開關電源中具備的中控芯片，能夠對脈沖占空比進行更好的調節。通過對脈沖波形占空比進行調整的方式，來更好的控制開關管的導通時間以及截止時間，從而對輸出端所輸出的電壓進行更加穩定的調節，而如果想要進一步提升輸入電壓，就可以采取增大匝比的方式。同時，變壓器內部所輸出的微端交流電壓，其在經過整流濾波處理過后就能夠得到相應的直流電壓。而后通過輸出電壓的采樣工作以及誤差比較工作，將其中存在的誤差信號傳送至控制芯片當中，形成一種穩定的脈沖波形來對開關管的通斷進行驅動，在控制能量傳輸狀態的同時，維持電壓的安全性以及穩定性。

（二）電力高頻開關電源的電路設計

1、輸入整流濾波電路。在電力高頻開關電源當中，濾波電路具體囊括了輸入低通濾波以及輸入輸出整流這兩種類型，其中的輸入低通濾波電路，能夠對電網內部所傳遞的噪聲以及開關電源反饋至電網當中的高頻噪聲進行濾除;輸入整流濾波電路也被稱作工頻濾波電路，其不僅能夠確保整流電壓更加平滑，也能夠確保電壓保持自身原本的功能;而輸入整流濾波則是一種高頻濾波電路，能夠將那些高頻脈沖經過濾波處理后轉變為平穩直流，還能夠起到維持電流連續性的基本功能。而在具體的電路設計過程中，就可以采取共模電感來對電網內部產生的共模干擾進行科學合理的抑制，在L1當中，可以將兩股線圈同方向的繞相在同一個鐵芯當中，這樣就能夠根據電磁感應原理，使得電流可以在兩個線圈當中進一步產生一種相同磁場，在共模電流相互抵消過后，就會產生一種增大繞組的感抗，使得共模電流在其中得到進一步衰減，從而達到濾波的主要目的。通常情況下，共模電感的典型值大約在10mH-50mH，而電容C1與共模電感之間所產生的漏感，可以用于削弱電網當中所產生的差模信號，而共模電感可以選擇UU10.5 10mH。而變換器的具體結構，決定了輸入端所輸入的電流為直流電，但所需要輸入的則是交流電，這就可以通過二極管所具備的單向導電性，進一步實現交流與直流之間的轉換，應當采用四只二極管，將其進一步構建成一種橋式電路，交流電輸入到其中過后，每半個周期就會有一組二極管進行導通處理，這種結構的集成化通常也被稱作為整流橋，不僅能夠降低開關電源的重量以及體積，還可以解決更大的成本。在對整流橋進行選擇的過程中，則要考慮到耐受電流以及耐受電壓等多方面因素，以此為基礎來明確具體的整流橋選用型號。

2、高頻變壓器的設計。在電力高頻開關電源當中，高頻變壓器自身的性能會直接影響到開關電源自身的整體性能，這也進一步突出了高頻變壓器在整體開關電源設計過程當中的重要性。通過科學合理的變壓器設計，能夠穩步提升開關電源的各方面性能。而在單片開關電源當中，變壓器的性能更是會直接影響到電源效率，甚至還會對開關電源的電磁兼容指標等方面產生影響，因此，這就需要在綜合考慮各方面因素后，設計出效率更高的變壓器。變壓器主要就是用來交換電流、阻抗以及電壓的一種工具，在原邊線圈當中如果出現了交流電，變壓器的磁芯就會產生對應的交流磁通，使得副邊線圈能夠更好的感應到相應的電流或是電壓。通常情況下，變壓器主要是由線圈以及磁芯這兩部分所構成，線圈又可以詳細劃分為初級繞組與次級繞組，其中與電源進行連接的繞組就是初級繞組，而剩下的線圈則被稱為次級繞組。如表1所示，在高頻開關電源當中，高頻變壓器能夠起到隔離高于輸入端與低壓輸出端以及能量傳輸的重要作用，所以，這就需要在明確常用磁性材料基本性能的前提上，控制好相應的電感量，避免出現磁飽和現象，以此來計算出更加合適的氣隙，這也是變壓器制作過程當中的重要設計環節。

在信息化時代中，各類電子設備在運轉過程中都需要采用高頻開關電源。因此，為了確保開關電源能夠向著高功率密度化以及高頻化的方向發展，就必須要對電源開關以及變壓器涉及到的各種參數進行科學合理的設計，進一步找尋出最為優質的設計方案，在根本上提升電力高頻開關電源的整體質量。