大功率高頻開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1、大功率高頻開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)要點(diǎn)摘 要開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)需要綜合分析電力電子、電磁學(xué)、 微電子技術(shù)、熱力學(xué)等多門學(xué)科，具有較強(qiáng)的綜合性。同時(shí) 電源為電力設(shè)備正常運(yùn)行的核心，尤其是現(xiàn)在資源需求與環(huán) 保節(jié)能理念下，需要在原有基礎(chǔ)上，對(duì)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方法進(jìn) 行更為深入的研究。本文重點(diǎn)分析了大功率高頻開(kāi)關(guān)電源設(shè) 計(jì)要點(diǎn)?！娟P(guān)鍵詞】大功率 高頻開(kāi)關(guān)電源 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 開(kāi)關(guān)電源即交互式電源，為高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置，可以 利用不同形似架構(gòu)，將一個(gè)準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)換成用戶端需要的電壓 或電流。大功率高頻開(kāi)關(guān)電源現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到軍工 設(shè)備、 LED 照明、通訊設(shè)備、科研設(shè)備、電力設(shè)備等領(lǐng)域， 具有功耗小、效率高的優(yōu)點(diǎn)。在對(duì)其進(jìn)行設(shè)

2、計(jì)時(shí)，需要結(jié)合 其運(yùn)行原理，確定系統(tǒng)各環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對(duì)各節(jié)點(diǎn)功能進(jìn)行 優(yōu)化。1 大功率高頻開(kāi)關(guān)電源1.1 開(kāi)關(guān)電源特點(diǎn)電氣設(shè)備容量持續(xù)增大，為滿足實(shí)際應(yīng)用需求，市場(chǎng)上 逐漸出現(xiàn)更多的大功率高頻開(kāi)關(guān)電源，同時(shí)與傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源 相比，還可以有效降低對(duì)電網(wǎng)的影響，更符合節(jié)能環(huán)保發(fā)展 理念。另外，開(kāi)關(guān)電源的高頻化設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步減小其體 積大小，并可根據(jù)實(shí)際需求來(lái)靈活控制電容、電感容量，將 生產(chǎn)成本控制到最低。因此，在對(duì)大功率高頻開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行 設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分發(fā)揮出其所具有的優(yōu)點(diǎn)，便于更好的滿足 實(shí)際發(fā)展需求。1.2 開(kāi)關(guān)電源原理 基于線性開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)管工作處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，將 基礎(chǔ)降壓電路作為例子進(jìn)

3、行分析，確定開(kāi)關(guān)電源工作過(guò)程與 所處狀態(tài)。如圖 1 所示，當(dāng)開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)時(shí)，持續(xù)電壓 將會(huì)對(duì)電感 LO 兩端產(chǎn)生作用， 電感電流將呈直線上升趨勢(shì)， 可用公式表達(dá)： iL （ on） =（ Vin-V out） ton/L 。當(dāng)開(kāi)關(guān)處于開(kāi) 通狀態(tài)時(shí)，電能將被存儲(chǔ)在電感中，來(lái)滿足關(guān)斷時(shí)間內(nèi)對(duì)負(fù) 載的輸出需求，其中存儲(chǔ)能量可用公式表示： Estored=1/2Lo （ I2pk-I2min ）。開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，電感 Lo 輸入端電壓會(huì)降為零， 電感上能量需要通過(guò)續(xù)流二極管 D 維持負(fù)載， 整個(gè)區(qū)間內(nèi)電 感電流可以用公式描述： iL（off）=（Vout-VD）toff/L 。通 過(guò)伏秒平衡來(lái)表示輸出

4、電壓與輸入電壓關(guān)系：Vout=D?Vin ，其中 D 表示開(kāi)關(guān)占空比，取值 ton/T 。在開(kāi)關(guān)電源再次開(kāi)通 后，結(jié)束整個(gè)運(yùn)行過(guò)程。2 大功率高頻開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇 開(kāi)關(guān)電源功率拓?fù)渲饕?fù)責(zé) DC/DC 高頻逆變的實(shí)現(xiàn)，是整個(gè)開(kāi)關(guān)電源能量轉(zhuǎn)換的核心單元。其作為影響開(kāi)關(guān)電源 設(shè)計(jì)效果的關(guān)鍵因素，需要基于實(shí)際需求進(jìn)行合理選擇與有 效控制，包括對(duì)輸出功率大小、輸入電壓范圍、輸出電壓范 圍、斬波電流等進(jìn)行綜合分析，尤其是要重點(diǎn)控制好輸出功 率與輸入輸出電壓比。2.2 硬件電路設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu) 硬件電路作為開(kāi)關(guān)電源的基礎(chǔ)部分，決定了電源運(yùn)行可 靠性與效率。以往在對(duì)此方面設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)選擇用純硬

5、件模擬 電路實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)時(shí)主要針對(duì)輸入保護(hù)與濾波、高頻逆變、輸 出整流、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路等模塊進(jìn)行分析。首先需要確 定開(kāi)關(guān)電源整體結(jié)構(gòu)，通過(guò)橫向開(kāi)關(guān)電源分為輸入整流級(jí) 別、中間逆變級(jí)、輸出整流級(jí)三部分；通過(guò)縱向開(kāi)關(guān)電源則 可分為控制級(jí)、驅(qū)動(dòng)級(jí)、功率級(jí)。開(kāi)關(guān)電源傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將控 制電路和驅(qū)動(dòng)電路被集成到 PWM 控制器上，對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn) 行了有效簡(jiǎn)化， 強(qiáng)化了電路抗干擾能力。 為提高電源靈活性， 可以將數(shù)字化集成芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng) PWM 控制芯片作為主控制 器，構(gòu)成數(shù)字式開(kāi)關(guān)電源控制，如圖2。2.2.2 功率級(jí)電路設(shè)計(jì) 功率級(jí)電路主要包括輸入濾波、輸入整流、浪涌抑制、 有源功率因數(shù)校正、輸出整流、逆變電

6、路以及輸出保護(hù)等幾 個(gè)部分。在對(duì)此部分進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循從總體到分部的原 則。將開(kāi)關(guān)電源看做為一個(gè)單輸入單輸出網(wǎng)絡(luò)，然后確定開(kāi) 關(guān)電源系統(tǒng)參數(shù)，并完成各模塊設(shè)計(jì)。（1）輸入整流模塊。其可以與電網(wǎng)進(jìn)行連接，主要負(fù) 責(zé)將交流電網(wǎng)變換成直流電能，為電能的輸入級(jí)，具有較高 的可靠性，可以承受雷電引起的浪涌沖擊影響。（2）共模電感。逆變電路轉(zhuǎn)換器均會(huì)產(chǎn)生高頻對(duì)地電 流，并產(chǎn)生不同寄生效應(yīng)，為避免對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生影響，需 要通過(guò)共模電感來(lái)消除?？梢赃x擇用二階共模濾波器，利用 公式計(jì)算出轉(zhuǎn)折頻率： fc=fsw × 10A /40，其中 A 為 24dB ， fsw 表示工作頻率， 由此可得出在工作

7、頻率時(shí)可以得到 24dB 衰減時(shí)轉(zhuǎn)折頻率。電感值公式： L=RL /fc，其中阻尼系 數(shù) 取值 0.707。同時(shí)，需要結(jié)合實(shí)際需求，對(duì)電感量數(shù)值 進(jìn)行調(diào)整，并將阻尼控制在允許范圍內(nèi)。2.2.3 智能控制電路設(shè)計(jì) 控制電路作為開(kāi)關(guān)電源硬件結(jié)構(gòu)的最頂層，主要負(fù)責(zé)環(huán) 路控制、系統(tǒng)保護(hù)、狀態(tài)顯示、信息通訊等。其中，環(huán)路控 制為控制電路的核心功能，決定了輸出電壓的準(zhǔn)確性，同時(shí) 及時(shí)響應(yīng)速度與智能調(diào)節(jié)要求，需要對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和 運(yùn)算，包括了輸入給定、輸出反饋和 AD 轉(zhuǎn)換等部分。電路 保護(hù)功能對(duì)提高電源運(yùn)行安全性和可靠性具有重要意義，包 括過(guò)流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)等幾個(gè)方面。 狀態(tài)顯示必

8、須要具有實(shí)時(shí)性，通過(guò) DSP 控制器實(shí)現(xiàn)，由 AD 對(duì)多種輸入狀態(tài)采樣后， DSP 的 SPI 直接傳輸給顯示單元。2.3 軟件電路設(shè)計(jì) 重點(diǎn)做好核心控制器的選擇，確定系統(tǒng)編程環(huán)境與編程 語(yǔ)言，例如 C 語(yǔ)言具有較強(qiáng)的可讀性和移植性， 代碼效率高 數(shù)字式開(kāi)關(guān)電源需要利用核心控制器程序進(jìn)行編寫，可分為 自頂向下程序設(shè)計(jì)與自底向上程序設(shè)計(jì)兩種，可根據(jù)實(shí)際需 求選擇。為提高開(kāi)關(guān)電源程序閱讀性與移植性，可以利用模 塊化進(jìn)行設(shè)計(jì)，即對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行細(xì)分，將基于硬件底層驅(qū) 動(dòng)代碼封裝成多個(gè)小模塊。設(shè)計(jì)后整個(gè)程序主要包括應(yīng)用 層、處理層、驅(qū)動(dòng)層與物理層四部分，系統(tǒng)程序具有更好的 易讀性與移植性。其中，通過(guò)兩位撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)對(duì)電源運(yùn)行狀 態(tài)進(jìn)行設(shè)置，高位表示離線或在線模式，低位表示恒流或恒 壓模式。3 結(jié)束語(yǔ) 對(duì)大功率高頻開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，需要基于開(kāi)關(guān)電 源所具有的特點(diǎn)，結(jié)合其運(yùn)行原理，以滿足實(shí)際運(yùn)行需求為 目的，做好硬件和軟件部分電路設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)程序穩(wěn)定性 和可靠性。參考文獻(xiàn)1宋志勇 .移相全橋大功率高頻開(kāi)關(guān)電源的研究與設(shè)計(jì)D. 湖北工業(yè)大學(xué)， 2014.2陳小敏 .