2019精品开关电源设计技术化学
高精度开关电源的设计
高精度开关电源的设计李亮; 陈广来【期刊名称】《《天津理工大学学报》》【年(卷),期】2019(035)005【总页数】6页(P23-28)【关键词】开关电源; Buck电路; 低功耗; 低纹波率; 稳压【作者】李亮; 陈广来【作者单位】天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室天津300384【正文语种】中文【中图分类】TN86开关电源是在电力电子技术的基础上，通过调节开关管的占空比使其输出稳定电压的一种电源[1].DC-DC 的降压方式有两种，第一种是线性降压（LDO）电路，第二种是Buck 电路.根据线性降压式电源，负载功率越大，效率越低；负载功率越小，效率越高[2]；自身承担多余的电压实现降压的特点，针对大功率的工况下线性降压电压功耗大，发热量大，因此在工业控制领域以及电子技术领域，开关电源得到了广泛应用.例如，作为基准源以及给元器件提供精准稳定的电压[3]；在该场合下，电路设计中需要输出稳定、低功耗的电压源作为基准电源使用.为满足上述设计要求，本设计以Buck 拓扑结构电路为基础，通过该电路的核心器件电感实现能量的搬运，实现输入24 V 电压到12 V 的稳定输出.1 原理分析Buck 拓扑结构电路，主要由开关S、电感L、电容C 和二极管D 组成，Buck 拓扑结构电路的原理图如图1所示.由于电感L 是阻碍电流变化的器件，电感上的电流变化会产生感应电动势.当开关S 闭合时，电感上的电流发生改变会产生感应电动势，此时输入电压通过电感L 对电容C 进行充电，电感上的电流持续增加，电容C 上的电压维持输出电压稳定，最终负载RZ 上的电压等于电容C 两端的电压.当开关S 断开时，电感L 上的电流发生改变，电感L 上会产生与原电感极性相反的感应电动势，电感上的电压通过负载RZ 和续流二极管D 回到电感自身，当负载RZ 发生变化时，所需的电流变大，电容通过放电来维持负载RZ 的电流稳定.图1 Buck 拓扑结构电路Fig.1 Buck topological circuit通过开关S 的闭合与关断，使Buck 电路工作在稳定状态[4]，电感工作在连续模式[5-6]下，电感L 上的电流IL 波形如图2所示.由于电感上的电流不能激变，当开关S 闭合时，电感上的电流以一定的变化速率来维持电感L 上感应电压的不变，此时电感上的电流一直增加到Imax；当开关S 断开时，电感上的电流以一定的变化速率来维持电感L 上感应电压的不变，此时电感上的电流一直减小到Imin，再闭合开关S，当电感L 上的电流增加到Imax，再断开开关S 直到电感L 上的电流减小到Imin，往复进行.当开关S 闭合时，电源通过电感给电容充电，给负载提供能量；当开关S 断开时，电感上的能量还会继续给电容和负载提供能量，当电感L 上的能量为零时，负载上的能量需要电容来维持，保证输出稳定，这样负载上的纹波小.图2 电感工作在连续模式下电感上的电流波形图和对应的占空比Fig.2 Current waveform and duty cycle of inductor operating in continuous mode根据伏秒法则[7]，当开关S 闭合时，其中，占空比为即其中：Von 为开关闭合加在电感两端的电压；ton 为电感的导通时间；toff 为电感的关断时间；VL 为开关闭合时电感两端电压；Vin 为输入电压；Vout 为输出电压；VD 为二极管两端电压；Voff为开关关断时电感两端电压.2 电路设计该系统主要由驱动电路、Buck 电路、PWM 波产生电路、过压保护电路、过流保护电路组成，电路的总体设计框图如图3所示.其中PWM 波产生电路模块包括软启动电路和三角波发生电路，该模块能够实现占空比可调，电平电位可调，PWM 波的频率为20 kHz.图3 电路的总体设计Fig.3 Overall design of circuit2.1 驱动电路和Buck电路MOS 管具有开关速度快，导通电流大，耐压高，功耗低的优点，故采用MOS 管做为开关管.为了加快MOS 管的开通速度和关断速度来降低开关损耗[8]，故在开关管的前级加上驱动电路实现MOS 管的快速开关，如图4所示.比较器是OC 输出需要接上拉电阻R9，比较器输出为PWM 波，当比较器输出端的电压为高电平时三极管Q2 导通，大电流流经三极管Q2 和电阻R10，MOS 管快速开启.当比较器输出低电平时，三极管Q3 导通，MOS 管GS 之间的电压通过电阻R10，在三极管Q3 上产生大电流使MOS 管迅速关断.MOS 管的GS 之间可能会存在静电故在上电之前通过电阻R12 进行放电，避免上电过程中GS 之间的电压值过高影响MOS 管的寿命.在没有上电前比较器输出端是高阻态，假设比较器输出端电压为高电平时，三极管Q2 导通，通过限流电阻R10，使MOS 管的GS 间产生电压，该电压通过电阻R12 释放MOS 管GS 之间的电压.图4 Buck 电路和驱动电路Fig.4 Buck circuit and drive circuit当MOS 管开通24 V 电压通过电感时，由于电感的自感效应，电感上的电流持续增加，对电容充电，并为负载供电.当MOS 管关断时，由于电感的自感效应，电感上的电压通过负载和二极管会产生续流作用，保证负载上的电流稳定输出.如此反复进行，能够使负载上的电压和电流维持在稳定状态.2.1.1 电感参数的计算电感上的电流纹波率为γ=ΔI/IL，如图2所示，电感上的感应电压由电感上的电流变化率引起的，根据该特性对电感参数的计算进行了详细的推导和计算说明，推导过程见公式（5）.其中，γ 为电感上电流纹波率；IL 为电感上的电流；L为电感量；ΔIoff 为开关关断时电感上电流变化量；toff为电感的关断时间；T 为开关电源的周期；f 为开关电源的频率；Vc 为电容两端电压；VO 为输出电压.根据电感的计算公式（6）可以看出，电感量与开关电源的频率，占空比，输出电压，输出电流以及电感上的电流纹波率有关；为了保证输出电压的高精度，既要考虑实际MOS 管存在米勒效应，还要考虑电感上的电流纹波率的取值问题.当占空比一定的情况下，如果开关电源的频率越高，MOS 管的开通和关断的次数越多，MOS 管发热大，随着温度的升高，MOS 管导通，电流下降，负载电流仍然很大，会造成MOS 管损坏，温度更高处于极温下，寿命降低以及米勒效应的存在都会引起电感上的纹波率变大；当开关电源的频率过低时，MOS 管的开通和关断的次数低，这会直接引起电感上的电流纹波率变大；故开关电源的频率取为20 kHz，电感上电流的纹波率取0.1，电感上的电流纹波率小，保证电压输出电压纹波率低.输出电压为Vo=12 V，电感上电流纹波率γ=0.1，占空比D=0.5，输出最大电流IO=200 mA，开关电源频率f=20 kHz.计算得电感量L=15 mH，实际取值需要将电感量放1.2 倍的余量.电感上额定电流最小值IL=IO×（1+γ/2）=0.21 A，故电感取值L=60 mH，电感上额定电流取值IL=250 mA.2.1.2 输出电容参数的计算Buck 结构拓扑电路，输出电容上的电压纹波主要是由ESR 引起的，纹波率越大，发热越大，选择低ESR 成本高，体积大；低纹波率电容大，成本高；根据电源滤波输出波纹系数公式（7）[9]计算输出电容值.还要考虑输出电容的电流耐受能力，输出电容可以采用多个电容进行并联，这样既可以得到较小的ESR，还可以承受更大的纹波电流.纹波电流为纹波电压为输出电容的电容值为考虑实际情况下，系统可能出现瞬态过冲以及周围环境出现干扰，将电容值放一定的余量，将取电容值为100 μF，保证输出电压的纹波小.2.2 三角波发生电路设计三角波发生电路由OC 级输出的LM339 比较器组成，如图5所示.当比较器输出为高时，比较器正端的电压等效为R3 和R4 的串联，然后和R1 并联，再与电阻R2 串联，对电源进行分压.此时比较器正端输入电压为9V 并且电压源通过R4、R5 对电容C2 进行充电，当电容C2 两端的电压高于比较器正端电压时，比较器的输出为低，电容C2 开始放电.此时比较器正输入端的等效电压为电阻R2 和电阻R3的并联，再与电阻R1 串联，进行分压，比较器正输入端的电压为5V.通过改变电阻R1 到R5 的阻值以及电容C2 的容值，实现三角波频率可调[10].图5 三角波发生电路Fig.5 Triangular wave generating circuit2.3 软启动电路三角波发生电路电压上升速度低于电平电路的电压上升速度，比较器输出的PWM 波的占空比为100%，此过程中开关管会保持开通，导致电感上的电流持续增加，当电流过大时，会导致电感烧毁，为避免该现象的发生，故采用软启动电路[11].软启动电路如图6所示.在电路开始上电的过程中，电源通过R7 和R8 对电源进行分压，产生一个稳定的电压，其中三极管基极的电位可通过调节R7 的电阻值改变三极管基极电位，同时，电源通过电阻R6 对电容C3 进行充电[12].因此，刚开始上电的过程中，三角波电压上升速度高于电容C3 两端电压上升速度，故比较器不会输出高电平，避免了电感出现烧毁现象.由于三极管基极和发射极存在0.7 V 的压差，当电容电压上升到比三极管基极电压高0.7 V时，三极管导通，电容开始放电；当电容上的电压放到低于三极管基极电压时，三极管关断.该设计能够实现比较器正输入的电压稳定，使得比较器输出的PWM 波稳定且可调.图6 软启动电路Fig.6 Soft start circuit2.4 上电启动电路和自举充电电路上电启动电路和自举充电电路如图7所示.该电路采用MOS 管的N 管作为开关管，由于MOS 管的N 管开关速度和输出电流能力大于P 管，三极管的功耗大，IGBT 导通速度比MOS 管慢.采用悬浮电路可以大大简化MOSFET 驱动电路[13-14]，故采用悬浮设计的思路.当MOS 管导通时，MOS 管的源极S 的电压约为24 V，此时电容C5 的电压会悬浮在24 V，当稳定工作时，电容C5 两端电压维持在12 V，此时，电容C5 正极的绝对电压为36 V，电容C5 负端的绝对电压为24 V.图7 上电充电电路和自举充电电路Fig.7 Power on charging circuit and bootstrap charging circuit自举电容C5 在达到稳定工作要保持驱动电路电压为12 V，PWM 波产生电路提供稳定的电压源.当开始上电时，24 V 电压通过电阻R16 给自举电容C5 进行充电，由于三极管be 之间存在10 V 稳压管以及0.7 V 的压降，当自举电容上的电压充到11.7 V时，三极管Q5 开始导通，三极管Q5 的集极电压为11.4 V，此时电压通过电阻R14 到三极管Q4，使三极管Q4 导通，此时三极管Q4 的集电极一直保持在0.3 V，自举电容能够给驱动电路和PWM 波产生电路进行供电.刚开始上电过程中，PWM 波产生电路的速度远大于上电充电电路中自举电容电压电压下降的速度，这样可以保证开关电源稳定输出.当开关管闭合时，自举电容的绝对电压为36 V，高于12 V，由于电容C4 上的电压一直保持在绝对的12 V 不变，无法实现对自举电容充电.但是当开关管断开时，自举电容上的绝对电压值低于12 V，此时电容C4 上12 V 的电压通过二极管对自举电容充电.图8 过压保护电路和过流保护电路Fig.8 Overvoltage protection circuit and over-current protection circuit2.5 过压保护电路和过流保护电路过压保护电路和过流保护电路如图8所示.当开关管开通时，电感上的电流持续上升，此时电感上的电流等于电阻R13 上的电流，故采用电阻R13 进行电流采样.为了降低功耗，采用2Ω 的电阻进行采样.当电阻R13 上的电流过大时，电阻R13 上的电压上升，使三极管Q7 导通，此时三极管Q7 集电极上的电压会迅速降到0.3V，使PWM 波输出为低电平，开关管断开，此时电感上的电流下降，避免电感上电流过大，导致烧毁[15].自举充电电路采用悬浮设计思想，直接检测电容C4 的电压会导致电路过于复杂.当开关管闭合时，电容C4 上的电压高于自举电容C5 上的电压值，对自举电容C5 进行充电，自举电容C5 上的电压值最终等于电容C4 上的电压值，故可以通过检测自举电容上的电压值进行过压保护.当输出电压过高时，自举电容上的电压升高，当电压值高于稳压管D4 的导通电压时，三极管Q8 导通时，集电极电压会降为0.3 V，使比较器AR2 的正输入端降低，PWM 波产生电路的输出为低电平，开关管闭合，故电容C4 上的输出电压降低[16].3 结论根据电源要满足低纹波率，高可靠性以及低功耗等应用场合，本文设计了一种基于Buck 电路的降压式开关电源.本设计由Buck 电路、驱动电路、三角波产生电路、软启动电路、自举充电电路、过压保护电路和过流保护电路组成.Buck 电路实现能量的搬运.驱动电路起到MOS 管的快速关断和开通作用.三角波电路和软启动电路实现频率和占空比可调的PWM 波.自举充电电路为驱动电路和三角波产生电路进行供电.过压保护电路为避免输出电压过高导致被供电系统出现故障.过流保护电路为避免电感上电流过大，导致电感烧毁.该开关电源电感上电流纹波率控制在10%，最终输出电压纹波率小于0.8%.输入电压为24 V，输出电压为12 V，最大输出电流在0.2 A.该开关电源具有纹波率低，稳压精度高、稳流，功耗低，成本低，体积小，重量轻，过流保护和过压保护等特点.该开关电源可以广泛应用于工业自动化控制、仪器仪表、医疗设备、通讯设备等领域.参考文献：【相关文献】［1］Luo P，Wang D，Peng X L.An adaptive voltage scaling buck converter with preset circuit［J］.Chinese Journal of Electronics，2019，28（2）： 229-236.［2］魏泰鸣，杨毅.一种高效率低纹波的Buck 电路改进方案［J］.价值工程，2018，37（22）：176-178.［3］Paul 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分析ACDC开关电源模块的电路设计
分析AC/DC开关电源模块的电路设计作者：安天平来源：《科学与信息化》2019年第31期摘要 AC/DC开关电源在当今电子工业领域中的应用十分广泛，AC/DC作为开关电源的一种，也被称为一次电源，其中AC是交流、DC是直流，通过高压整流滤波可以获得直流高压，这样在DC/DC变换器输出端就会得到稳定直流电压。
单个AC/DC开关电源模块功率从几瓦到几百瓦均有产品，相应的开关电源模块电路设计也有很大差异。
基于此，本文首先提出AC/DC开关电源模块含义，进而探究AC/DC开关电源模块的电路设计。
关键词 AC/DC;开关电源;电路设计引言如今市面上的开关电源品种非常多，对于开关电源来说，具有集成化、轻量化、效率高等特点，因此在电子设备领域中的应用十分广泛。
开关电源主要是利用了现代电子技术，通过调节驱动开关管的方波占空比，从而维持输出电压稳定的一种电源。
AC/DC是开关电源的一种，同时AC/DC开关电源种类非常多，需要用户结合自身需求，做好AC/DC开关电源的选择工作。
AC/DC作为一种高集成产品，其电路结构十分复杂，如何保证电源模块电路设计质量是需要重点考虑的问题。
1 AC/DC开关电源相关阐述AC/DC开关电源也被城市为外置电源，是一种便携式电子设备间、电子电器供电电压变换设备，可以将交流电压转化为供设备正常运行的直流电流。
在电源变换器当中，主要是由降压电路、整流滤波电路、稳压电路。
在AC/DC转换应用中，要有较宽的输出范围，通常是在85-265V范围内交流输入，对输出电源转换率要求非常高，还可以实现节能降耗的功能。
同时，还需要重点考虑AC/DC开关电源设计中的满负载率。
全面提高AC/DC转换器效率，降低能源损耗，是AC/DC开关电源模块电路设计的核心要点[1]。
2 AC/DC开关电源模块电路设计2.1 系统总电路设计方案在整个AC/DC开关电源模块电路当中，主要包括滤波器、整流器、DC/DC交换器、驱动器、比较器以及反馈电路、给定电路、保护电路。
开关电源之高频变压器设计
开关电源之高频变压器设计发表时间：2019-06-18T17:24:32.980Z 来源：《科技研究》2019年4期作者：张升[导读] 本文主要介绍高频变压器具体参数的确定、及其在设计过程应当注意的问题及并提出相应的解决办法。
（中山市木林森光电有限公司 528415）摘要：开关电源设计中的难点之一就是高频变压器的设计，由于高频变压器是开关电源中进行能量储存和能量传输的重要部件，其合理性与参数计算的正确性将直接影响到开关电源的整体性能。
而衡量高频变压器的好坏，除了要考虑一般变压器中涉及的效率、运行特性等方面，还要考虑到其交直流损耗、漏感、线圈本身分布参数等诸多方面影响。
本文主要介绍高频变压器具体参数的确定、及其在设计过程应当注意的问题及并提出相应的解决办法。
关键词：开关电源；高频变压器；设计要点1 开关电源之高频变压器的主要构成及分类从广义上来说，凡以半导体功率的开关器件为开关管，经对开关管进行高频开通以及关断控制，会将电能形态转化为其他电能形态装置，这就是所谓的开关转换器。
用开关转换器作为主要的组成部件，以闭环自动控制来稳定它的输出电压，并且在电路中增加保护环节电源，此为开关电源。
若用高频DC/DC 转换器作为开关电源工作时的开关转换器则就成为高频开关电源。
高频开关电源基本的路线是由开关型的功率变换器，整流滤波电路，交流直线转换电路以及控制电路组成。
高频开关电源变压器分类方式：(1)按照驱动方式的不同可以分为他激式和自激式；(2)按照电路的拓扑结构可以分为隔离式和非隔离式；前者包括正激式，反激式与半桥式，全桥式，推挽式；后者包括降压型与升压型等；(3)按照输出输入间是否有着电器隔离，可将其分为隔离式与非隔离式；(4)按照DC 转换器/DC 开关条件，可将其分为硬开关以及软开关。
2 开关电源之高频变压器的设计要点2.1 整体设计对于实用的可调开关电源，需能控制输出电压在合适的范围内调节，并且保证电流不超过所设计的最大值。
一种用于4G通信模块的低压差电源设计方法
电荷积累过程，因此不会出现输出电压跌落的异常情况， 进一步保证了输出电压正常，以维持 4G 通信模块的正常工 作，从而解决了特殊条件下 4G 通信模块的供电问题，提高 了开关电源的利用效率。
充电模块的实现方式有很多种，该文给出其中 2 种 ： 第一种，充电模块包括供电单元和充电线路。供电单 元可以是常规的直流电压输出设备 ；充电线路的一端连接 供电单元，另一端连接开关电源中与开关管相关的自举电 容。第二种，由于开关电源的电压输入端连接有直流电，因 此，可以直接利用开关电源的输入端的直流电为自举电容 充电。此时，该充电模块就仅是一条充电线路，该充电线 路的一端连接开关电源的电压输入端，另一端连接开关电 源中与开关管相关的自举电容。 如 图 1 所 示， 开 关 电 源 芯 片 为 美 国 芯 源 公 司 的 MP2315，电源芯片 U1 内部集成了 MOSFET 管。电路中 VIN 节点为开关电源芯片的输入端，输入范围为 4.5 V~5 V。为 了解决低压差的情况下，开关电源输出电压异常的问题，在 电路中增加了一条充电线路（图 1 中 D1、R4），该线路的 一端连接开关电源的电压输入 VIN 端，另一端连接自举电 容 C4。为了保证为自举电容单向供电，在充电线路上串设 有二极管单元。为减小二极管压降，二极管单元由 2 个二 极管同向并联构成。此外，为进一步减小二极管压降，二 极管还可采用肖特基类二极管。另外，充电线路上还串设 充电电阻 R4，用于消除噪声干扰，减小压降，电阻 R4 可 选小阻值电阻。双二极管和电阻 R4 组成了 RD 充电线路。 该文分别测试了输入电压为 4.5 V，有 RD 充电线路和 无 RD 充电线路情况下的输出电压。结果表明，无 RD 充电 线路时输出电压较低，而且不稳，有短暂电压跌落情况 ； 而增加 RD 充电线路后，输出电压稳定为 4 V，输出正常。
开关电源设计 开题报告
开关电源设计开题报告开关电源设计开题报告一、选题背景和意义开关电源是一种常见的电源供应方式，具有高效率、体积小、重量轻、稳定性好等优点，被广泛应用于各种电子设备中。
随着科技的不断发展，对于开关电源的需求也越来越高。
因此，深入研究开关电源的设计原理和方法，对于提高电子设备的性能和可靠性具有重要意义。
二、研究目标和内容本次开题报告的研究目标是设计一种高效、稳定的开关电源，并对其进行性能测试和优化。
具体内容包括：1. 开关电源的基本原理和工作方式；2. 开关电源的设计流程和关键技术；3. 开关电源的性能测试方法和指标；4. 开关电源的优化方法和策略。
三、研究方法和步骤本次研究将采用以下方法和步骤：1. 文献综述：对于开关电源的相关理论和技术进行深入了解和梳理，了解目前的研究状况和存在的问题。
2. 设计方案确定：根据文献综述的结果，确定一种适合的开关电源设计方案，并进行初步仿真和优化。
3. 实验搭建：根据设计方案，搭建开关电源的实验平台，包括电路板的设计和制作。
4. 性能测试：对搭建好的开关电源进行性能测试，包括输出电压稳定性、效率、负载能力等指标的测量。
5. 优化改进：根据性能测试结果，对开关电源进行优化改进，提高其性能和可靠性。
6. 结果分析和总结：对优化后的开关电源进行测试和分析，总结研究结果并提出进一步改进的建议。
四、预期成果和创新点本次研究的预期成果包括：1. 设计出一种高效、稳定的开关电源原型；2. 提出一种有效的开关电源设计方法和优化策略；3. 对开关电源的性能测试结果进行分析和总结，为后续研究提供参考。
本次研究的创新点主要体现在以下几个方面：1. 对于开关电源的设计原理和方法进行深入研究，提出一种新的设计方案；2. 对开关电源的性能测试方法和指标进行探索和改进，提高测试的准确性和可靠性；3. 提出一种有效的开关电源优化方法和策略，提高其性能和可靠性。
五、研究计划安排本次研究计划按照以下时间安排进行：1. 第一阶段（一个月）：进行文献综述，了解开关电源的相关理论和技术；2. 第二阶段（两个月）：确定设计方案，进行初步仿真和优化；3. 第三阶段（一个月）：搭建实验平台，进行性能测试；4. 第四阶段（两个月）：对性能测试结果进行分析和优化改进；5. 第五阶段（一个月）：撰写研究报告和总结。
开关电源的工作原理及技术趋势
2021.11科技论坛开关电源的工作原理及技术趋势赵利华(四川长虹电子控股集团有限公司，四川绵阳，621000)摘要：在家用电器、电子设备的应用实践中，电源是不可缺少的部分，而且其性能的优劣会对家用电器、电子设备的技术指标以及使用安全性造成显著的影响，所以明确电源的具体价值和要求，对电源利用做分析与讨论有突出的现实意义。
关键词：开关电源；工作原理；技术趋势Working principle and technical trend of switching power supplyZhao Lihua(Sichuan Changhong Electronic Holding Group Co.,LTD.,Mianyang Sichuan,621000) Abstract：In the application practice of household appliances and electronic equipment,the power supply is an indispensable part,and its performance will have a significant impact on the technical indicators and use safety of household appliances and electronic equipment,so the specific power supply is clear Values and requirements,analysis and discussion of power utilization have outstanding practical significance.Keywords:switching power supply;working principle;technology trend1开关电源要明确开关电源的工作原理和技术趋势,必须要对开关电源有清楚的认知。
2019年反激式开关电源设计大全
2019年反激式开关电源设计大全前言对一般变压器而言，原边绕组的电流由两部分组成，一部分是负载电流分量，它的大小与副边负载有关；当副边电流加大时，原边负载电流分量也增加，以抵消副边电流的作用。
另一部分是励磁电流分量，主要产生主磁通，在空载运行和负载运行时，该励磁分量均不变化。
励磁电流分量就如同抽水泵中必须保持有适量的水一样，若抽水泵中无水，它就无法产生真空效应，大气压就无法将水压上来，水泵就无法正常工作；只有给水泵中加适量的水，让水泵排空，才可正常抽水。
在整个抽水过程中，水泵中保持的水量又是不变的。
这就是，励磁电流在变压器中必须存在，并且在整个工作过程中保持恒定。
正激式变压器和上述基本一样，初级绕组的电流也由励磁电流和负载电流两部分组成；在初级绕组有电流的同时，次级绕组也有电流，初级负载电流分量去平衡次级电流，激励电流分量会使磁芯沿磁滞回线移动。
而初次级负载安匝数相互抵消，它们不会使磁芯沿磁滞回线来回移动，而励磁电流占初级总电流很小一部分，一般不大于总电流10％，因此不会造成磁芯饱和。
反激式变换器和以上所述大不相同，反激式变换器工作过程分两步：第一：开关管导通，母线通过初级绕组将电能转换为磁能存储起来；第二：开关管关断，存储的磁能通过次级绕组给电容充电，同时给负载供电。
可见，反激式变换器开关管导通时，次级绕组均没构成回路，整个变压器如同仅有一个初级绕组的带磁芯的电感器一样，此时仅有初级电流，转换器没有次级安匝数去抵消它。
初级的全部电流用于磁芯沿磁滞回线移动，实现电能向磁能的转换；这种情况极易使磁芯饱和。
磁芯饱和时，很短的时间内极易使开关管损坏。
因为当磁芯饱和时，磁感应强度基本不变，dB/dt近似为零，根据电磁感应定律，将不会产生自感电动势去抵消母线电压，初级绕组线圈的电阻很小，这样母线电压将几乎全部加在开关管上，开关管会瞬时损坏。
由上边分析可知，反激式开关电源的设计，在保证输出功率的前提下，首要解决的是磁芯饱和问题。
抗干扰ACDC开关电源芯片的研究与设计
设计与制造Design and manufacture0 引言电子产品逐渐普及后，人们对电源环保性、节能性、高效性的要求也越来越高，在开关电源发明以来，因其一些特殊优点，得到了业界的关注与认可。
开关电源有着成本低廉、高效率、发热小、外围电路简单、输出电压灵活的特点，使其在电网、通信设备等领域中广泛应用，在技术的成熟下，开关电源也朝着微型化、节能、高效方向发展。
1 AD/DC开关电源的应用现状开关电源由于其各种优点，在显示器、计算机、通信设备、交换机等领域中都有应用。
在几十年的发展下，开关电源功率密度得到了显著提升，工作频率也逐步升高，体积越来越小。
但是，在开关管非理想特征的影响下，电压、电流是不能突变的，两者在交叠下，会出现损耗，这影响了开关电源的高频发展，也带来了电磁干扰问题。
怎样开发高频开关电源，又降低负面效应，是当前业界关注的重点。
从狭义阶段开关电源的发展趋势来看，会朝着数字化、智能化、集成化、高频率方向发展[1]。
AD/DC开关电源是开关电源的一个重要类型，输出信号采用了直流电压与电流，在输入信号上，采用了低频交流电压，在开关电源的运行中，很容易受到内部、外部条件的干扰，因此在设置时，多采用隔离设置方式，并安排升压装置。
AD/DC开关电源原理是交流信号在经过PFC功率矫正器与桥式整流器之后，转化为直流信号，再通过升压装置来传输，完成信号的输出，整流后，就完成了转换。
在AD/DC开关电源中，是采用光耦合方式来输出信号，针对电源芯片的设计，必须要考虑到反馈电源信号、参考电压信号之间的误差。
2 电源芯片理论2.1 AC/DC开关电源此类电源采用的是交流电压，在输入时，需要通过整流、滤波电容将其转化成类直流电压，为了确保使用安全，需要将其隔离，也要应用到变压器，因此，AC/ DC开关电源的体积相对较大，对元器件的使用要求也更高[2]。
2.2 变压器反激式拓扑结构在开关管VT导通时，Np会充电，并开始储能，在VT截止时，整流二极管D会导通，提供能量，根据电流的连续与断续，变压器反激式拓扑结构包括DCM模式与CCM模式两类。
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PF
无功率因数电路时PF取0.5。
36
单端反激电源典型波形
• 次级整流二极管波形
37
单端反激电源介绍
• 单端反激
动画演示： topology.swf
38
变压器设计
• 软磁磁芯特点：较高的导磁率，低 的矫顽力，高的电阻率。
导磁率高，在一定的线圈匝数时，通过不大的激 磁电流就能有较高的磁感应强度，线圈就能承受较高 的外加电压，因此在输出一定功率要求下，可减轻磁 芯体积。磁芯矫顽力低，磁滞回环面积小，则铁耗也 小。高的电阻率，则涡流小，铁耗小。
在正弦半波内，只要 Ton是常数，Ip将和Vin 成线性关系，所以Ip的 平均值也将是正弦波， 从而实现PFC功能。
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功率因数校正（PFC）
• 公司使用的PFC芯片LT1249
21
开关电源设计方法
• 单端反激电源设计
1、确定系统要求：Vacmax、 Vacmin、Vo、Io、Po、η 2、根据输出要求选择反馈电路和偏置电压Vb：
P6KE200A
24
开关电源设计方法
5、按所希望的工作模式和电流波形设定初级电流波形参数Kp。 对于通用输入（AC85V～265V）设定Kp＝0.4。
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开关电源设计方法
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开关电源设计方法
6、根据Vmin和Vor确定 Dmax 推荐设定： Dmax ＜0.4。
7、计算初级峰值电流Ip
连续模式（Kp≤ 1）
13、计算初级绕组匝数Np和偏置绕组匝数Nb。
计算初级匝数：
NP
NS
VOR VO VD
计算偏置绕组匝数 ：
NB
NS
VB VDB VO VD
校核最大磁通密度Bm和气隙长度，可以调整L和Ns 或磁芯/骨架。
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开关电源设计方法
14、计算次级峰值电流Isp。
I SP
IP
NP NS
次级绕组最大反向峰值电压PIVs
PIVS
VO
VMAX
NS NP
偏置绕组最大反向峰值电压PIVb
PIVB
VB
VMAX
NB NP
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开关电源设计方法
17、确定次级整流管和偏置绕组整流管。 整流管额定反向耐压：Vr≥ 1.25× PIVs 整流管额定电流：Id ≥3×Io
I
2 P
3
28
开关电源设计方法
9、根据交流输入电压Vac，Po和η选择开关元件（PI）
10、计算变压器初级电感Lp
连续模式
LP
I
2 P
KP
106 PO 1 KP
2
f
sm in
Z
1
不连续模式
LP
106 PO
I
2 P
2
fsmin
Z
1
S——视在功率，VA P——有功功率，W Q——无功功率，var
φ 角为功率因数角，它的余弦(cosφ )是有功功率与视 在功率之比即cosφ ＝P/S称作功率因数。
15
功率因数校正（PFC）
• 无PFC的典型电路和线路波形
16
功率因数校正（PFC）
• 无PFC的电路对电网的影响
(1)降低发电机有功功率的输出。 (2)降低输、变电设备的供电能力。 (3)造成线路电压损失增大和电能损耗的增加。 (4)造成线路高谐波成份。
29
开关电源设计方法
11、根据fs和Po选择磁芯和骨架，并从磁芯骨架产品目 录中确定Ae，Le，Al，和Bw。
以上数据查表得到。
12、设定初级绕组层数L和次级绕组圈数Ns。 • 开始时用L＝2 • 开始时每伏输出电压，用Ns＝0.6匝～0.8匝/ V • L和 Ns可以调整
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开关电源设计方法
10
开关电源基本拓朴
• PUSH PULL 推挽变换器
开关管电压应力大（Vin），且容易出现磁通不平衡现
象，目前较少应用。
11
开关电源基本拓朴
• HALF BRIDGE 半桥变换器
通过串联电容C3可以自动修正，避免磁心饱和 。应 用比较广泛。但C1和C2体积太大，影响电源体积。
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开关电源基本拓朴
15、计算次级有效值电流Isrms。
连续模式（大）
I srm s
ISP
（1
-
DMAX）
(
K
2 P
3
KP
1)
不连续模式：
Isrms I SP
1 - DMAX 3 KP
根据上面计算结果确定次级绕组导线直径。
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开关电源设计方法
16、确定次级和偏置绕组最大反向峰值电压PIVs，PIVb。
TL431或稳压管 Vb推荐 15V
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开关电源设计方法
3、根据输入电压和Po确定输入电容Cin。 推荐 2uF～3uF/ W
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开关电源设计方法
4、根据输入电压确定反射输出电压Vor和钳位齐纳二极管电压Vclo。
设定反射电压： Vor＝135V
使用200V钳位齐纳二极管， Vclo ＝200V
非隔离电源应用，典型应用如MC34063等。
5
开关电源基本拓朴
• BUCK BOOST 极性反转变换器
非隔离电源应用，典型应用如MC34063等。
6
开关电源基本拓朴
• FLYBACK 单端反激变换器
元件少，成本低，小功率电源应用很广泛，输出功率小
于70W。
7
开关电源基本拓朴
• FORWARD 单端正激变换器
IP
1
I AVG
KP 2
D MAX
不连续模式（Kp≥
1）I P
2 I AVG D MAX
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开关电源设计方法
8、计算初级有效值值电流Irms
连续模式（Kp≤ 1）
Irms IP
DMAX
(
K
2 P
3
KP
1)
不连续模式（Kp≥ 1）
Irms
DMAX
• 无PFC的电路对元件选择的影响
1、共模电感 2、整流二极管 3、初级滤波电容
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功率因数校正（PFC）
• 提高功率因数的方法
一类是无源功率因数校正法； 另一类是有源功率因数校正法，它是通过在电网和电 源装置之间串联插入功率因数校正装置，其中单相 BOOST电路因具有效率高、电路简单、成本低等优点 而得到广泛应用，并称之为有源功率因数校正（APFC ）电路。在有源功率因数校正控制芯片中，其种类繁 多，有峰值电流控制法、平均值电流控制法等。
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变压器设计
• 变压器的主要作用：
电气隔离； 磁耦合传送能量； 变比不同，达到升压或降压。
• 为什么自己设计变压器
主要是涉及的参数太多，如：功率，电压，电流，频率， 温度，电感量，变比，漏电感，磁材料参数、铜损耗， 铁损耗 等
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变压器设计
• 独立绕组
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变压器设计
• 堆叠绕组
43
变压器设计
应用于200W以下的电源。
8
开关电源基本拓朴
• 2 SWITCH FORWARD 双管正激变 换
开关管电压应力降低，输出功率可以达到400～500W，
但驱动较复杂。
9
开关电源基本拓朴
• ACTIVE CLAMP FORWARD 有源钳位正激变换器
能很好地实现无损吸收，能达到电源较高效率 的要求 ，但调试困难，较少应用。
串联电阻技术 串联二极管技术 均流技术 （UC3902）
49
谢 谢！
50
开关电源设计技术
1
线性电源
缺点：效率低，体积大，重量大。 优点：电路简单，干扰小。
2
开关电源发展趋势
• 高可靠性 • 高功率密度 • 低待机功耗 • 高功率因数
3
开关电源基本拓朴
• BUCK 降压变换器
非隔离电源应用，典型应用如MC34063，LM2576等。
4
开关电源基本拓朴
• BOOST 升压变换器
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无源功率因数校正
• 缺点
(1)功率因数不高。 (2)由于工作在工频，要求电感量大， 电感体积就大。（3）工作范围窄，需要开关切换。
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功率因数校正（PFC）
• PFC的实现
Vin di I LPK L dt Ton
I LPK
Ton L
Vin
I inpk
1 2
I LPK
从上式可以看出，
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变压器设计
磁性材料的磁化曲线 ：
磁化曲线一般来说是非线性的，具有2个特点：磁饱和现象及磁 滞现象。即当磁场强度H足够大时，磁化强度M达到一个确定的饱和 值Ms，继续增大H，Ms保持不变；以及当材料的M值达到饱和后， 外磁场H降低为零时，M并不恢复为零，而是沿MsMr曲线变化。
动画演示： magnetic
• FULL BRIDGE 全桥变换器
应用于大功率电源，控制比较复杂。
13
功率因数校正
Power Factor Correction (PFC) • 为什么要进行功率因数校正？ • 如何实现功率因数校正？
14
功率因数校正（PFC）
• 为什么要进行功率因数校正？
有功功率、无功功率、视在功率之间的关系 ：S＝ P2 Q2