开关电源的原理与设计范文

[关键词]开关电源；PWM；UC3875；驱动电路

中图分类号：TM743文献标识码：A文章编号：1009-914X（2015）26-0257-01

0引言

开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。开关型稳压电源采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。以功率晶体管（GTR）为例，当开关管饱和导通时，集电极和发射极两端的压降接近零；当开关管截止时，其集电极电流为零[1]。所以其功耗小，效率可高达70%-95%。而功耗小，散热器也随之减小。开关型稳压电源直接对电网电压进行整流、滤波、调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压器。此外，开关工作频率为几十千赫，滤波电容器、电感器数值较小。因此开关电源具有重量轻、体积小等优点。

1开关电源的类型

按驱动方式分类有：（1）自激式开关电源其借助于变换器自身的正反馈控制信号，实现开关自持周期性开关。开关管起着振荡器件和功率开关的作用[2]。（2）他激式开关电源其电源内部备有专门独立的振荡电路，与振荡器同步的控制信号驱动开关管[3]。

按能量转换过程的类型分类有：（1）直流～直流（DC～DC）。（2）逆变器（DC～AC）。（3）开关整流器（AC～DC）。（4）交流～交流变频器（AC～AC）。

2开关电源设计

在几种常用的变换电路中，因为半桥、全桥变换电路功率开关管承受的电压比推挽变换电路低一倍，由于市电电压较高，所以不选推挽变换电路。半桥变换电路与全桥变换电路在输出同样功率时，半桥变换电路的功率开关管承受二倍的工作电流，不易选管，输出功率较全桥小，所以采用全桥变换电路。

在设计制作的1.2kW（48V/25A）的软开关直流电源中，其主电路为全桥变换器结构，四只开关管均为MOSFET（1000V/24A），采用移相ZVZCSPWM控制，即超前臂开关管实现ZVS、滞后臂开关管实现ZCS，电路结构简图如图1。VT1～VT4是全桥变换器的四只MOSFET开关管，VD1、VD2分别是超前臂开关管VT1、VT2的反并超快恢复二极管，C1、C2分别是为了实现VTl、VT2的ZVS设置的高频电容，VD3、VD4是反向电流阻断二极管，以实现滞后臂VT3、VT4的ZCS，Llk为变压器漏感，Cb为阻断电容，T为主变压器，副边由VD5～VD8构成的高频整流电路以及L1、C3、C4等滤波器件组成。

图11.2KW软开关直流电源电路结构简图

其基本工作原理如下：当开关管VT1、VT4或VT2、VT3同时导通时，电路工作情况与全桥变换器的硬开关工作模式情况一样，主变压器原边向负载提供能量。通过移相控制，在关断VT1时并不马上关断VT4，而是根据输出反馈信号决定的移相角，经过一定时间后再关断VT4，在关断VT1之前，由于VT1导通，其并联电容C1上电压等于VT1的导通压降，理想状况下其值为零，当关断VT1时刻，C1开始充电，由于电容电压不能突变，因此，VT1即是零电压关断。

由于变压器漏感L1k以及副边整流滤波电感的作用，VT1关断后，原边电流不能突变，继续给Cb充电，同时C2也通过原边放电，当C2电压降到零后，VD2自然导通，这时开通VT2，则VT2即是零电压开通。

当C1充满电、C2放电完毕后，由于VD2是导通的，此时加在变压器原边绕组和漏感上的电压为阻断电容Cb两端电压，原边电流开始减小，但继续给Cb充电，直到原边电流为零，这时由于VD4的阻断作用，电容Cb不能通过VT2、VT4、VD4进行放电，Cb两端电压维持不变，这时流过VT4电流为零，关断VT4即是零电流关断。

关断VT4以后，经过预先设置的死区时间后开通VT3，由于电压器漏感的存在，原边电流不能突变，因此VT3即是零电流开通。

VT2、VT3同时导通后原边向负载提供能量，一定时间后关断VT2，由于C2的存在，VT2是零电压关断，如同前面分析，原边电流这时不能突变，C1经过VD3、VT3、Cb放电完毕后，VD1自然导通，此时开通VT1即是零电压开通，由于VD3的阻断，原边电流降为零以后，关断VT3，则VT3即是零电流关断，经过预选设置好的死区时间延迟后开通VT4，由于变压器漏感及副边滤波电感的作用，原边电流不能突变，VT4即是零电流开通。

3UC387构成的驱动电路设计

UC3875是美国Unitrode公司针对移相控制方案推出的PWM控制芯片，实用于全桥变换器中驱动四个开关管，四个输出均为图腾柱式结构，可以直接驱动MOSFET或经过驱动电路放大，驱动大功率MOSFET或IGBT。由于该期间设计巧妙，是一种应用前景较好的控制芯片。

本电源的主功率管选用的MOSFET，是电压型驱动方式，驱动功率要求比较小。采用脉冲变压器将功率管的驱动端和控制电路隔离。UC3875的驱动端具有2A的电流峰值，但为了提高电路的可靠性，防止UC3875因为功率太大而损坏，所以采用达林顿驱动的晶体管组成输出电路来驱动脉冲变压器的原边。超前桥臂的驱动电路如图2所示，之后桥臂的驱动电路也一样。

图中，D1、D2和D3、D4是肖特基二极管，用于防止驱动管的电压由于低于或高于电源电压而损坏。R21和R22是限流电阻，DW1、DW2和DW3、DW4是齐纳稳压管，用来限制脉冲变压器的输出电压，防止功率管损坏。T1和T3选中TIP122，T2、T4选用TIP127，T1？T4是达林顿驱动的晶体管，耐压为100V，持续电流为5A，峰值电流可达8A，其开启时间和关断时间分别为1.5μs和2.5μs，而开关电源的设计的频率为70KHZ，即14μs>1.5μs+2.5μs，满足设计要求。

图2功率管驱动电路

除了输出电流限制外，本电源还设置有五个保护功能：输入过电压保护、输入过流保护、输出过压保护、输出过流保护、过热保护。五种保护都是通过一个或门UC3875的电流检测端C/S+（5脚），使其电压高于2.5V，导致UC3875关断输出。输入、输出电流分别取自串联在输入、输出回路中的分流器上的信号（0-75mV）。

4结束语

本文介绍了由UC3875芯片作为控制电路的1.2KW移相控制全桥变换软开关电源，由于开关管在ZVS条件下运行，可实现高频化，而且控制简单，性能可靠，适用于大功率场合。且能保持恒频运行，就不会同时出现大电压、大电流，减少了开关所受的应力，实现了高效化。大大减小了电源的体积。

参考文献

[1]曲学基.稳定电源基本原理与工艺设计[M].北京：电子工业出版社，2004.

[2]李定宜.开关稳定电源设计与应用[M].中国电力出版社.2006.

[3]杨恒.开关电源典型设计实例精选[M].中国电力出版社.2007.

开关电源的原理与设计范文

【关键词】开关电源节能现网节能改造通信

一、前言

改革开放以来，我国的经济成就举世瞩目，但环境问题也越来越严重，引起大家的高度重视，2007年世界经济论坛《全球风险报告》中指出：21世纪全球面临的最严重挑战之一就是气候变化。2014年11月12日中美两国在京共同《中美气候变化联合声明》，中国计划到2030年将非化石能源比重提高到20%左右。十一五期间，中国政府在节能减排上要求国内能耗降低20%，主要污染物排放总量减少10%。同样在严峻的节能减排压力下，各通信行业运营商越来越重视设备的节能，将节能作为首要的发展方向。在这个背景下，对开关电源提出了极高的节能要求，努力开发节能的产品和寻找现网设备的节能改造方法。

二、开关电源节能原理分析

（一）开关节能的原理

通信开关电源节能的关键是要提高系统的整体效率。通常开关电源的节能主要在两个原理：第一个最直接的节能原理是提高整流器的效率。通过技术改进提高整流模块的整体效率特性、降低模块功耗等措施，从最初至今，整流器的效率已经在原有的基础之上提高了百分之十，达到96%。随着技术的进一步成熟和器件成本的下降，相信不久以后，规模应用将成为现实。开关电源节能的另一个节能原理是通过电源模块的休眠管理，提高运行模块的负载率可以提升系统实际的工作效率。

（二）开关节能的具体方法

如今，越来越多的行业开始广泛应用开关电源，其具体发展要求是，轻量化、小型化、高频化等。但是，随着开关电源的频率迅速提高，所产生的损耗也逐渐加大，因此需要考虑相关节能的方法。首先应该对开关电源的损耗进行系统的分析，要想达到上述发展要求，需要将开关电源的工作频率由低频转向高频。例如采用硬开关技术，这种技术损耗量小于线性电源采用串联电阻改变电压的方式，但随着工作频率的提高，相应的损耗依然会增加。其次，采用软开关技术，能有效提高开关电源的频率，也能降低开关电源的损耗，提高整体效率。软开关技术是使用电感谐振及电容，将变压器中的开关器件中电压按照准正弦规律进行变换，让开关管在电流为零的情况下立即关断，在电压为零的情况下立即开通的方法。最后，采用零开关技术，其主要在电路中增加电容或电感等相关储能元件，具体分为零电流、零电压开关。零电流开关指的是当开关管关断或开通的时候，让电流为零。零电压开关指的是当开关管关断或开通的时候，让电压为零。这样可以最大程度降低开关损耗，起到节能的作用。

二、现网设备节能的必要性

随着世界经济特别是发展中国家经济的快速发展，全球能源消耗总量不断攀升。根据全球能源机构统计，近些年来，全球能耗高达82%，造成二氧化碳排放量高达80%，远远超过预想的估计，因此，节能是现阶段的主要任务。如何采取有效的方法使现网设备最大程度的节能非常必要。能源的消耗一方面导致了温室效应和一系列的自然灾害，另一方面其与制造业、工业等成本的价格息息相关。所以，环境问题及气候变化问题成了人类面临的重要的挑战，全社会也越来越重视节能。从全球范围来看，通信行业与煤炭、有色、钢铁等行业相比，虽然不是能耗、排放问题最突出的行业。但一些数据显示，一些通信行业的能耗也很大，某些运营商在全国企业能耗排行榜中排名靠前。政府在国际组织上的节能承诺，社会、公众的重视形成对运营商的节能压力越来越大。由于全球资源价格持续上涨，新的市场逐渐开阔继而大大提高了网络的扩容性。而我国通信企业整体仍处于发展阶段，在增大网上运行设备容量的时候必然导致能耗需求也扩大，给运营商带来了长期的财务压力。为了应对气候及能耗的挑战，电信行业各主流运营商、设备商先后启动节能减排计划。近10年来已经取得了很大的进步，技术的进步与产品的更新换代使单位能耗持续下降，领先的运营商取得了超过50%的节约。

三、现网设备节能手段

（一）通信网络中基站设备节能

基站设备分基带、射频和馈线三部分，其中能源消耗量占首位的是射频部分，超过能源消耗量的百分之八十。但是，在射频部分中，功放耗能几乎占射频部分的一半，因此，提升基站设备能效的关键点就是提高功放效率。而提高功放效率的方式有多种，比如，有智能减压、智能匹配、新型高效功放等，但多载波技术是提高功放效率的最直接的办法之一。

（二）通信网络中站点节能

一般来说，通信网络的节能主要是站点的节能。站点的节能可以从两方面来分析：网络拓扑和网元。网络拓扑的节能就是通过减少站点来提升单位话务量能效。以下为通信领域中减少站点两个有效的手段：⑴规划网络，降低无效的系统开销，以最少的站点服务最多的用户来提高覆盖效率。⑵使用TransmittingDiversity、HighReceiveSensitivity及PBT等关键技术增加设备本身的覆盖半径提高，从而提升基站设备本身的覆盖能力。在现实中，将适宜的网络规划和较强覆盖能力的设备配合使用通常能大幅度实现广覆盖场景下四分之一以上的能源消耗节约，无疑不是一种进步。

（三）通信网络中新能源节能

减少碳排放最直接方法就是开发新能源。如：太阳能、核能、风能、潮汐能、生物能源等。企业减少碳排放的最有效途径就是选择无排放能源或者低排放能源。通常在一些边远地区，风能、光能资源比较丰富，可以根据当地气候因素建一些风、光能源的小型站点。这些新能源小型站点也可能在市电不稳定的城区作为补充能源使用。而对于这些偏远的小型站点来讲，通常面临的问题有以下三个方面：第一是引电困难；第二是电网公司引电价格可能过高；第三是小型站点本身的能耗不高，因此，通信运营商往往使用油机系统来解决能耗问题。

只有重视开关电源节能及现网设备节能的改造，才能有效的利用固有的能源材料，开创新的可再生能源。才能与环境和谐相处，共同促进社会经济的发展。继而带动了通信网络的节能开拓，发展新用户、开拓新市场。使用新领域的节能设计补充带网络建设的需求，减少开关电源、现设备带来的排放压力。同时设备厂商及运营需要积极的投入到可持续发展、高效节能的研究当中。

参考文献：

[1]郭忠银.一种绿色模式开关电源的研究与设计[D].南华大学，2010.

开关电源的原理与设计范文篇3

【关键词】整车电气原理设计；电源分配设计；接地分配设计；回路匹配设计；压接点设计

【Abstract】Theschematicisusedtoindicatethevehicleelectricalsystemofthevehiclewiringharnesstoeachelectricalpowerandsignaltransmissionconnectionbetweencircuits.Vehicleelectricalschematicdesign，allrelatedtothevehicle’selectricalfunctionstoachieve，isanimportantbasisfortheanalysisofelectricalcircuits，troubleshootelectricalfaults.

【Keywords】Vehicleelectricalschematicdesign；Powerdistributiondesign；Grounddistributiondesign；Matchingcircuitdesign；Splicesdesign

0引言

整车电气原理，是整车电气系统的核心，它表明了整车线束系统为实现各用电器的功能，一方面通过导线将电源及用电器连接构成回路，为用电器传导电流，另一方面通过导线回路实现相连接的用电器之间的信号传递，从而使各电器件能够按照操作者的意图正常工作。整车电气原理设计是否合理，直接关系到汽车电器件能否正常工作以及全车的安全性、可靠性、经济性和舒适性，它是整车开发过程中的一个重要环节。

整车电气原理设计的主要内容包括电源分配设计、接地分配设计、回路匹配设计、INLINE的选型以及回路压接点设计。

1整车电气原理的设计输入文件

整车电气原理的设计输入阶段，应获得以下文件：①整车配置表；②各电器子系统信息，包括子系统工作原理图、接口定义及负载特性等；③各电器件在汽车上的布置信息。

2整车电气原理设计

2.1电源分配设计

电源分配主要是基于整车各用器的工作原理，在满足各子系统工作原理的前提下，确定采用何种方式给用电器供电，同时对线路保护进行设计。

整车电源类型大致可分为以下三种：①蓄电池直接供电系统（常电或30电）；②点火开关控制的供电系统（IG电或15电）；③发动机起动时卸掉负载的电源（ACC电）。根据车型的电气系统组成情况，给与合理的电源分配。

电源分配设计一般要遵循以下原则：①所有电源回路都需要进行回路保护；②考虑负载的重要等级以及行车安全，对于重要的安全件，需要单独的熔断器来保护，如近光灯回路；③考虑不同系统的功能关联性和失效模式，减少不同系统和功能之间的相互影响；④区分负载类型是扰动负载还是稳态负载；⑤就近原则，靠近负载的实际安装位置分配电源。

电源分配设计的步骤如下：首先，根据整车蓄电池、起动机、发电机的相关参数，以及子系统负载信息，进行电源类型的分配，以及保险丝、继电器的种类及个数确定。然后，结合车内空间、可扩展性、成本、平台化等因素，对电器盒进行选型并确定其个数。一般车型主要有前舱电器盒和仪表板电器盒，外加蓄电池处的前端保险丝盒，有的车型可能会增加后行李箱电器盒。最后，根据就近原则及负载布置信息，进行电器盒内的负载电源分配。如前舱电器盒主要对前舱的电器件进行供电，仪表板电器盒主要对驾驶舱内的电器件进行供电。

2.2接地分配设计

在整车电路中，一般会使用导线与车身、发动机或变速箱连接在一起，这样可以车身、发动机、变速箱实现共地。这种实现接地的做法，称为“搭铁”。

为避免接地导线过长，造成不必要的电压降，一般采用就近接地。另外，接地分配也需要考虑到以下三种接地要求：①发动机ECU、ABS/ESP、EPS、SRS等对整车性能及安全影响大，且易受其他用电设备干扰，所以这些件需要单独接地。尤其对于安全气囊系统SRS，其接地点不仅应单设，而且为了确保其安全可靠，最好设计两个及两个以上接地点。其目的是其中一个接地失效，系统可通过另一接地点搭铁，确保系统安全工作。②音箱系统为避免电磁干扰，也要单独接地；弱信号传感器的接地最好独立，接地点最好是在离传感器较近的位置，以保证信号的真实传递。③有些电器件必须共用接地点，以防止不同接地点之间的电位差影响到电器件之间功能的正常实现。

其他电器件可根据具体布置情况相互组合共用接地点。蓄电池负极线、发动机搭铁线等因导线截面较大，因此一定要控制好线长和走向，减小电压降。为增加安全性，发动机、车身一般要单独连到蓄电池负极搭铁。

2.3回路匹配设计

回路匹配设计，主要是根据负载信息，设定熔断器的型号和容量，从而确定匹配的回路线径。

2.3.1负载信息确认

根据收集到的整车子系统信息，确认负载类型、负载电流特性曲线。负载类型、负载电流特性曲线如下图1所示：

2.3.2设定熔断器的型号和容量

熔断器的作用是保护导线，其类型分为快熔型熔断器和慢熔型熔断器。小电流负载和短时间脉冲电流负载，一般选择快熔型熔断器，大电流负载和锁电流负载一般选择慢熔型熔断器。

熔断器的容量设定主要遵循以下原则：一般来说，熔断器负荷电流不超过熔断器额定电流的70%。同时，还要考虑以下因素。①快熔型熔断器容量：需要考虑负载额定电流值、负载类型、环境温度影响、继电器盒类型、暂态电流波形；②慢熔型熔断器容量：需要考虑和区分连续负载、间歇性负载、特殊负载。

2.3.3确定回路线径

根据已确定的熔断器来选择与之匹配的回路线径。此过程要综合考虑回路所在的环境温度、回路导线的容许温度、通电时回路导线的温升以及成捆线束容许电流的折减系数。总的原则是要求发生短路时熔断器的熔断时间短于导线发烟时间。如图2，橙色线代表熔断器的熔断时间，粉色线代表导线的发烟时间，回路导线与熔断器的匹配判定左图是可取的，右图则是不可取的。

2.4INLINE选型

INLINE即线对线连接器。INLINE的选型，需要考虑以下三点：第一，INLINE的端子线径压接范围要与所接回路的线径匹配；第二，INLINE连接器的孔位数要满足所接回路的总数；第三，回路走向要与INLINE所在车上的安装位置匹配，一般采用就近原则。特殊回路如安全气囊系统回路对端子镀层有特殊要求，一般不与其他回路共接同一INLINE。

2.5回路压接点设计

整车电气原理回路的压接点设计，需要遵循以下三点：第一，单边回路数最多不超过7根，总回路数最多不超过12根；第二，压接的所有回路中，最小回路线径与总回路线径之比必须大于或等于5%；第三，各回路之间的线径匹配须满足导线的压接工艺要求。

3整车电气原理设计校核验证

整车电气原理需与子系统信息作进一步的校核，并通过以下相关试验进行验证其设计的合理性：①过载试验；②堵转试验；③短路保护试验；④整车配电工作电流测试；⑤供电及接地回路电压降测试；⑥熔断器熔断情况下的功能故障测试；⑦接地不良情况下的功能故障测试；⑧整车搭载耐久试验。

4结束语

整车电气原理，是整车电气系统的核心。整车电气原理设计得合理，才能保证汽车各用电器能按照操作者的意图来实现其功能，也才能保证汽车的安全性、可靠性、经济性以及舒适性。

【参考文献】

[1]李元胜.汽车电路系统设计与Multisim仿真[D].青岛大学，2014.

[2]吴建刚.目前汽车电路存在的问题与对策[J].汽车电器，2007.