开关电源原理设计
开关电源原理设计范文第1篇
摘 要：以uc3842和fqp12n60c为基础设计了一款可编程序控制器专用电源。意在介绍通用开关电源的工作原理与设计过程，并且着重介绍高频变压器的设计以及整板调试过程，突出以理论为基础，工程设计为主导的设计方法。该电源经过实际测试，符合可编程序控制器专用电源的标准。
关键词：变频器；开关电源；uc3842
引言
现应用uc3842芯片设计了一款可编程序控制器用的开关电源，经过大量实验。在输入有很大波动的时候，该电源也能稳定工作。其中为cpu供电的+5v电源误差范围在0.1v，达到了设计目标。而且本开关电源也可作为其它电力电子控制设备的电源，可移植性能好。
1 设计要求
本电源利用pwm控制技术实现dc-dc转换，通过fqp12n60c的电流检测端口与控制电路要求精度最高的电源相连，当输入有干扰的情况下，通过调节占空比来稳定对多路电源的输出。
具体指标如下：输入：直流250v±40%，输出：直流+24v、6a；+5v、2a。输出全部采用共地方式，控制系统对电源输出的纹波电压小于5%。
2 原理图功能分析与设计过程
基于uc3842和fqp12n60c所组成的开关电源的电路原理图。包括整流、滤波、pwm控制器等结构。电源内部采用单端反激式拓扑结构，具有输入欠电压保护、过电压保护、外部设定极限电流、降低最大占空比等功能。
2.1输入侧整流、滤波、保护电路设计。从ac（l）线路进线串联保险丝（f1），起到过流保护作用。从ac（n）线路进线串联热敏电阻（rt110d-9），对接通ac电源时产生的浪涌电流起限制作用。在熔断器与热敏电阻的出线端并联压敏电阻（vr1），对接通ac电源时产生的浪涌电压起限制作用。之后并联安规电容cx1，泄流电阻r5。防止大电容失效后漏电，危及用电人员安全。之后串联电感，出线端并联x2电容。然后经过整流桥d1整流，在直流侧并联电解电容c10滤除整流后的交流分量以及谐波成份。
2.2功率管参数调整与电路设计。电阻r1提供电压前馈信号，使电流可随电压而降低，从而限定在高输入电压时的最大过载功率。电阻r2实现线电压检测。由电阻r6，电容c30，开关管zd1，二极管d88组成简单的rcd箝位电路。达到保护开关管的目的。因而t1可以使用较高的初次级匝数比，以降低次级整流管d3上的峰值反向电压。电路采用简单的齐纳检测电路来降低成本。输出电压稳压由齐纳二极管（ic2）电压及光耦合器（ic1）决定。电阻r9提供进入齐纳二极管的偏置电流，产生对+5v输出电平、过压过载和元件变化时±5%的稳定度。
2.3高频变压器磁路设计。由于反激变换器对多组输出的应用特别有效。即单个输入电源使用同一磁路有效地提供多个稳定输出。因此本文设计的开关电源采用反激式变换结构。高频变压器的设计过程主要包括：磁芯大小的选择、最低直流输入电压的计算、工作时的磁通密度值的选择等。
（1）设计参数。设计使其工作在132khz模式下。输入：直流250v±40%，输出：+24v、6a；+5v、2a。
（2）功率计算。
p=24×6×1+5×2×1=154w （1）
（3）磁芯选择。由公式（2）、（3）
sj=0.15■=2.01cm2 （2）
p1=■=■=181.18w （3）
再由实际中输出引脚个数等因素，查磁芯曲线可得选择磁芯eer40。
（4）工作时的磁通密度计算。对于eer40的磁芯，振幅取其一半bac=0.195t。
（5）原边感应电压的选择。这个值是由自己来设定的，但是这个值决定了电源的占空比。其中d为占空比，vs为原边输入电压，vor为原边感应电压。d=■本文选定占空比d=0.5。
（6）计算变压器的原边匝数：np=■=42匝。
（7）计算变压器的副边匝数。对于+5v，考虑到整流管的压降0.7v以及绕组压降0.6v。则副边+5v电压值：v2=（5+0.7+0.6）v=6.3v。
原边绕组每匝伏数=■=■=3.57伏/匝。
则+5v副边绕组匝数为：n5=■=1.76匝。由于副边低压大电流，应避免应用半匝线圈，考虑到e型磁芯磁路可能产生饱和的情况，使变压器调节性能变差，因此取1.76的整数值2匝。计算选定匝数下的占空比辅助输出绕组匝数，因为+5v副边匝数取整数2匝，反激电压小于正向电压，新的每匝的反激电压为6.3伏/匝。占空比必须以同样的比率变化来维持v-s值相等。由此可得：+24v副边绕组匝数为：n24=■=7.08匝。取整数值为7匝。
对于反馈线圈的匝数，反馈电压是反激的，其匝数比要和幅边对应。ns=■=1.76匝。取整数值为2匝。
（8）确定磁芯气隙的大小。首先求出原边电感量（mh），根据lp=vs■则全周期ts的平均输入电流is=■=■=1a。
相应的im=■=2a，ip1=■=1a。
ip2=3ip1=3a在ton期间电流变化量i=ip2-ip1=2a，lp=vs■=150×■=0.56mh。所以电感系数al=■=■=0.00049×■。根据所选磁芯的al=f（lg）曲线，可求得气隙
lg=■=■=0.45mm
（9）变压器设计合理性检验。首先利用磁感应强度与直流磁密相关的关系计算直流成分bdc。根据公式计算可以得到：bdc=?滋h=185mt
而交流和直流磁感应强度相加之和得到的磁感应强度最大值bmax=?滋h=■+bdc=282.5mt，而从磁性材料曲线可知bs=390mt，故工作时留有余量，设计通过。
（1、烟台德尔自控技术有限公司，山东 烟台 264006 2、沈阳工业大学，辽宁 沈阳 110178）
摘 要：以uc3842和fqp12n60c为基础设计了一款可编程序控制器专用电源。意在介绍通用开关电源的工作原理与设计过程，并且着重介绍高频变压器的设计以及整板调试过程，突出以理论为基础，工程设计为主导的设计方法。该电源经过实际测试，符合可编程序控制器专用电源的标准。
关键词：变频器；开关电源；uc3842
引言
现应用uc3842芯片设计了一款可编程序控制器用的开关电源，经过大量实验。在输入有很大波动的时候，该电源也能稳定工作。其中为cpu供电的+5v电源误差范围在0.1v，达到了设计目标。而且本开关电源也可作为其它电力电子控制设备的电源，可移植性能好。
1 设计要求
本电源利用pwm控制技术实现dc-dc转换，通过fqp12n60c的电流检测端口与控制电路要求精度最高的电源相连，当输入有干扰的情况下，通过调节占空比来稳定对多路电源的输出。
具体指标如下：输入：直流250v±40%，输出：直流+24v、6a；+5v、2a。输出全部采用共地方式，控制系统对电源输出的纹波电压小于5%。
2 原理图功能分析与设计过程
基于uc3842和fqp12n60c所组成的开关电源的电路原理图。包括整流、滤波、pwm控制器等结构。电源内部采用单端反激式拓扑结构，具有输入欠电压保护、过电压保护、外部设定极限电流、降低最大占空比等功能。
2.1输入侧整流、滤波、保护电路设计。从ac（l）线路进线串联保险丝（f1），起到过流保护作用。从ac（n）线路进线串联热敏电阻（rt110d-9），对接通ac电源时产生的浪涌电流起限制作用。在熔断器与热敏电阻的出线端并联压敏电阻（vr1），对接通ac电源时产生的浪涌电压起限制作用。之后并联安规电容cx1，泄流电阻r5。防止大电容失效后漏电，危及用电人员安全。之后串联电感，出线端并联x2电容。然后经过整流桥d1整流，在直流侧并联电解电容c10滤除整流后的交流分量以及谐波成份。
2.2功率管参数调整与电路设计。电阻r1提供电压前馈信号，使电流可随电压而降低，从而限定在高输入电压时的最大过载功率。电阻r2实现线电压检测。由电阻r6，电容c30，开关管zd1，二极管d88组成简单的rcd箝位电路。达到保护开关管的目的。因而t1可以使用较高的初次级匝数比，以降低次级整流管d3上的峰值反向电压。电路采用简单的齐纳检测电路来降低成本。输出电压稳压由齐纳二极管（ic2）电压及光耦合器（ic1）决定。电阻r9提供进入齐纳二极管的偏置电流，产生对+5v输出电平、过压过载和元件变化时±5%的稳定度。
2.3高频变压器磁路设计。由于反激变换器对多组输出的应用特别有效。即单个输入电源使用同一磁路有效地提供多个稳定输出。因此本文设计的开关电源采用反激式变换结构。高频变压器的设计过程主要包括：磁芯大小的选择、最低直流输入电压的计算、工作时的磁通密度值的选择等。
（1）设计参数。设计使其工作在132khz模式下。输入：直流250v±40%，输出：+24v、6a；+5v、2a。
（2）功率计算。
p=24×6×1+5×2×1=154w （1）
（3）磁芯选择。由公式（2）、（3）
sj=0.15■=2.01cm2 （2）
p1=■=■=181.18w （3）
再由实际中输出引脚个数等因素，查磁芯曲线可得选择磁芯eer40。
（4）工作时的磁通密度计算。对于eer40的磁芯，振幅取其一半bac=0.195t。
（5）原边感应电压的选择。这个值是由自己来设定的，但是这个值决定了电源的占空比。其中d为占空比，vs为原边输入电压，vor为原边感应电压。d=■本文选定占空比d=0.5。
（6）计算变压器的原边匝数：np=■=42匝。
（7）计算变压器的副边匝数。对于+5v，考虑到整流管的压降0.7v以及绕组压降0.6v。则副边+5v电压值：v2=（5+0.7+0.6）v=6.3v。
原边绕组每匝伏数=■=■=3.57伏/匝。
则+5v副边绕组匝数为：n5=■=1.76匝。由于副边低压大电流，应避免应用半匝线圈，考虑到e型磁芯磁路可能产生饱和的情况，使变压器调节性能变差，因此取1.76的整数值2匝。计算选定匝数下的占空比辅助输出绕组匝数，因为+5v副边匝数取整数2匝，反激电压小于正向电压，新的每匝的反激电压为6.3伏/匝。占空比必须以同样的比率变化来维持v-s值相等。由此可得：+24v副边绕组匝数为：n24=■=7.08匝。取整数值为7匝。
对于反馈线圈的匝数，反馈电压是反激的，其匝数比要和幅边对应。ns=■=1.76匝。取整数值为2匝。
（8）确定磁芯气隙的大小。首先求出原边电感量（mh），根据lp=vs■则全周期ts的平均输入电流is=■=■=1a。
相应的im=■=2a，ip1=■=1a。
ip2=3ip1=3a在ton期间电流变化量i=ip2-ip1=2a，lp=vs■=150×■=0.56mh。所以电感系数al=■=■=0.00049×■。根据所选磁芯的al=f（lg）曲线，可求得气隙
lg=■=■=0.45mm
（9）变压器设计合理性检验。首先利用磁感应强度与直流磁密相关的关系计算直流成分bdc。根据公式计算可以得到：bdc=?滋h=185mt
而交流和直流磁感应强度相加之和得到的磁感应强度最大值bmax=?滋h=■+bdc=282.5mt，而从磁性材料曲线可知bs=390mt，故工作时留有余量，设计通过。
3 结论
24v输出电压波形
参考文献
[1]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[m].第一版.北京：电子工业出版社，1999，7.
[2]赵书红，谢吉华，曹曦.一种基于top switch的变频器开关电源[j].电气传动，2007，26（9）：76-80.3 结论
24v输出电压波形
参考文献
开关电源原理设计范文第2篇
关键词：开关电源及其软开关技术；SIMetrix仿真；UC3842；反激电路
作者简介：张冬梅（1983-），女，广东湛江人，华南理工大学广州学院电气工程学院，讲师。（广东 广州 510800）
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）28-0080-02
为了完善专业的知识结构、配合学校培养应用型人才的办学思路，华南理工大学广州学院电气工程学院为本科生开设了“开关电源及其软开关技术”这门课程。该课程是“电力电子技术”的后续课程，系统地介绍了开关电源电路的结构组成、工作原理、设计方法和开发过程，其综合性、工程性和实用性很强。目前，课程在教学中存在的主要问题：第一，虽然在课堂教学中使用了多媒体课件，但依然需要花费大量精力对电路工作原理及其波形进行描述和分析，学生仅凭听讲还是很难深入理解。第二，在本科生中开设该课程的高校较少，在市场上很难找到针对该课程的实验装置，学生学习的理论知识得不到很好的验证。第三，开关电源的硬件开发是一项知识面要求宽、难度大又危险的复杂技术工作，受时间、空间、物质条件等因素限制，在这方面不能做过多要求，因此学生动手能力得不到真正的锻炼。
为了弥补以上不足，本文提出在课程教学中引入SIMetrix仿真工具。借助该仿真软件，学生更容易理解理论知识，还可以在课堂外对所学的知识加以验证以及进行一些设计应用，从而激发学习的兴趣并增强实践能力。
一、SIMetrix仿真软件介绍
SIMetrix/SIMPLIS是一款用于优化设计电力电子电路的高级仿真工具，是由美国Transim公司开发的软件包，具有优秀的收敛性能和仿真速度，小信号分析方面独具优势，非常适合于开关电源产品的验证、分析、设计和开发。其内部提供了两种仿真模式——SIMetrix和SIMPLIS，其中SIMetrix包含了一个增强型SPICE仿真器、原理图编辑器和波形显示器，与其它通用仿真软件相比，SIMetrix具有以下特点：[1，2]
特点一：包含丰富的器件模型。模型库不仅包含了理想的电路元件，同时还提供了比较通用的、常见的半导体器件和各类应用广泛的集成电路控制芯片，在此基础上足以构建完整的开关电源系统。
特点二：先进的测量功能。波形可通过选择检测器然后点击原理图生成，或在原理图上放入固定的检测器生成，可在仿真后甚至仿真时查看波形，非常方便。
特点三：强大的波形处理功能。为波形分析提供RMS、frequency、-3dB、FFT等40多种函数，选择这些函数可获得计算结果并显示在波形旁边。
特点四：具有多种分析功能。包括瞬态分析、交流分析、直流分析、噪声分析、传输函数分析等，每种分析功能下又提供多种扫描模式，如频率扫描、器件扫描、参数扫描、模型参数扫描、温度扫描、蒙特卡罗扫描等等。
此外，SIMetrix仿真软件的仿真结果与实际非常接近，用户图形界面友好，仿真直观，使用者容易掌握。
二、基于UC3842的反激电路仿真实例分析
反激变换器具有高可靠性、高效率、电路拓扑简洁、输入输出电气隔离、升/降压范围宽、易于多路输出等优点，是小功率开关电源的理想电路拓扑。UC3842是SIMetrix仿真工具模型库自带的集成芯片，其器件少、性能良好、价格低廉。综上所述，以UC3842控制的反激电源为仿真实例，电路简单且具有代表性，满足初学者的基本学习要求，具体的仿真电路如图1所示。
1.仿真电路原理
（1）主电路原理。交流输入电压经D1-D4组成的桥式整流及电解电容C1滤波后变成脉动直流电压。该直流电压由功率开关管Q1以很高的工作频率通断，将直流电变换成高频脉冲施加在变压器TX1的初级绕组上，然后由次级绕组输出。当开关管Q1导通时，变压器初级绕组有电流通过并且线性增加，施加在初级绕组上的电压为上正下负，使次级绕组产生下正上负的感应电动势，二极管D5承受反向偏压截止，次级绕组电流为零，变压器储能，这时负载由电容C2放电提供能量。当开关管Q1关断时，初级绕组的磁通量减小，为了维持电流不变而产生下正上负的感应电动势，次级绕组变成上正下负，D5导通，存储在变压器中的能量给C2充电并向负载供电。辅助绕组工作过程与次级绕组相同，一方面经过D6整流、C3滤波后为UC3842供电，另一方面经D7整流、C4滤波后为其提供反馈信号。由于反激变换器不可以空载，所以辅助绕组接假负载 R3。最后，在次级绕组和辅助绕组对应输出稳定的12V和15V直流电压。
（2）控制电路原理。[3]交流输入经过整流滤波得到直流电压，通过电阻R1降压后给电容C3充电，当Vp端电压达到启动电压门槛值16V时，UC3842开始工作并提供驱动脉冲，由Vout端输出推动开关管Q1工作。芯片启动后，工作电压由辅助绕组提供。同时，辅助绕组的输出经过R8和R9分压反馈到Vfb端。当电源电压或负载变化引起输出电压变低时，Vfb端的反馈电压减小，UC3842输出的PWM波的占空比增加，开关管Q1的导通时间变长，输出电压升高；反之，当输出电压升高时，占空比减小，Q1的导通时间变短，输出电压降低，从而使输出电压保持恒定，实现稳压。电阻R4用于电流检测，将初级绕组的电流转换为电压信号送入UC3842的Sense端，形成电流反馈。当由于某种原因产生过流时，开关管Q1的漏极电流将大大增加，电阻R4两端的电压上升，Sense端的电压也上升，当该端的电压超过正常值达到1V时，Vout端无输出，Q1截止，从而保护电路。Ref端和Osc端外接定时电阻R6和定时电容C6，确定工作频率。Vfb端与Comp端之间接R7和C7补偿电路，用于改善增益和频率特性。R5和C5构成RC滤波电路，削弱电流检测信号中的尖峰脉冲干扰，保证电源正常工作。
2.仿真电路参数设计
本仿真电路的主要技术指标：输入电压Vin：220（1±10%）VAC；输出电压Vo：12V，输出电流Io：2.5A；辅助绕组的输出电压VF：15V，开关频率fs：100kHz；效率η：80%。对应图1的仿真电路，完成所有元件参数的计算和电路的设计。
（1）主电路设计和参数计算。根据文献[4]和[5]，已知交流输入电压的范围，可以计算出经过整流滤波电路输出的直流电压范围是238V～342V，然后计算最大占空比为0.37，由此可得高频变压器的次级绕组和初级绕组的变比为0.09。又根据辅助绕组与次级绕组的电压、变比的关系，可计算得辅助绕组与初级绕组的变比为0.11。由前面的计算值结合电源的功率、效率参数，分别得到初级绕组电流峰值为0.67A，电感值为1.3mH。开关管Q1工作于最大输入电压342V的同时还承受了高频变压器的反向电动势，一般为135V，因此Q1的最大漏极电压约500V，最大漏极电流由上可知为0.67A。由文献[5]和[6]可计算，输入整流桥二极管D1-D4的额定电压应大于427V，额定电流有效值应大于0.76A，输出整流二极管D5的最大反向峰值电压为42.8V，同理可得D6、D7的最大反向峰值电压为53.5V。根据文献[7]，输入滤波电容C1的经验值可用输出功率值瓦特数乘以1uF计算，约等30uF。输出滤波电容C2经计算应大于185uF，为了使滤波效果更好，在此取470uF，同理，C3和C4分别取1uF、10uF。假负载 R3的功率按额定功率的5%来设计，其值为150Ω。
（2）控制电路设计和参数计算。[7，8]已知开关频率100kHz，通过UC3842的工作频率计算公式：f=1.72/（RT×CT），可选取定时电阻R6=15kΩ，并计算定时电容C6=1nF。电流检测电阻R4=1/Ipk，其中Ipk为初级绕组电流的峰值，由上可知是0.67A，因此R4=1.5Ω。反馈电路的分压电阻R8和R9可通过公式VF×R8/（R8+R9）=2.5V确定，选取R8=20kΩ，R9=4kΩ。UC3842的启动电流在lmA左右，考虑到启动时间及R1上消耗的功率，实际设计中R1取30kΩ。R5和C5取典型值，分别为1kΩ、470pF。R7和C7的值以电源的闭环传递函数经过补偿后，截止频率位于工作频率的1/5处并且相位裕量约60°为宜，在此分别取15kΩ、1nF。
3.仿真电路搭建步骤
根据以上计算结果，仿真模型的搭建过程及各种参数设置如下：
（1）点击Place＼Passives，选择理想变压器（Ideal Transformers）和电路全部的电阻（Resistor[Box Shape]）、电容（Capacitor）。变压器的初、次级绕组数分别选择1和2，定义次级绕组、辅助绕组与初级绕组的比值分别为0.09和0.11，设置初级绕组的电感值为1.3mH，其他参数采用默认值。电阻、电容值可根据前面的计算结果设置。
（2）点击Place＼From Model library，在NMOS中，为功率开关管Q1选择高频特性较好的MOS管IRF840，其电压、电流定额为500V/8A。在Diode中，为输入整流桥二极管D1-D4选择快恢复二极管BY233-600，其电压、电流定额为600V/10A；为输出整流二极管D5选择快恢复二极管mur110，其电压、电流定额为100V/1A；为D6和D7选择快速开关二极管D1N4148，其电压、电流定额为75V/150mA。在PSU Controllers中，选择UC3842。
（3）点击Place＼Source，选择多功能电源（Universal Source），设置波形为正弦波，频率50Hz，峰峰值为622V，其他参数采用默认值。
（4）点击Simulator＼Choose Analysis，选择暂态分析（Transient）仿真模式，设置停止时间为20ms，其他参数采用默认值。
三、仿真结果分析
在额定交流输入220V/50Hz、满载的情况下，得到仿真波形如图2所示。6个波形自上而下分别为PWM控制信号、初级绕组电压、直流输出电压、开关管电压、初级绕组电流和次级绕组电流。由波形可知，PWM控制信号的频率约95kHz，占空比为0.32，初级绕组电压范围为-145V～297V，开关管承受最大电压445V，直流输出电压12V，纹波电压约25mV，初、次级绕组电流峰值分别为747mA和8.2A。另外从初、次级绕组电流的关系可知，电源工作在不连续模式。结果表明，本仿真电路参数设计合理，器件选择满足要求，仿真结果与理论基本一致。
四、结论
通过以上简单的仿真实例分析可知，SIMetrix仿真开关电源方便、简单、快捷且仿真模型和与电源实物非常接近。教师在课堂讲授的过程中演示仿真，可使讲解变得生动、形象、直观。与实验相比，仿真不受时间、空间、物质条件限制的同时也更安全，教师应鼓励学生在课后使用，不仅加深对原理知识的掌握，锻炼了实践动手能力，还可以提高他们学习的兴趣和积极性，培养创造能力。因此，SIMetrix仿真软件对该课程教学具有很好的应用价值。
参考文献：
[1]傅文珍.基于SIMetrix的“电力电子技术”仿真辅助教学研究[J].嘉兴学院学报，2013，25（3）：1-5.
[2]杨浩东，王伟.电力电子教学中常用仿真软件对比[J].中国电力教育，2012，（3）：112-113.
[3]陈纯锴.开关电源原理、设计及实例[M].北京：电子工业出版社，2012.
[4]李定宣，丁增敏.开关稳定电源设计与应用[M].第二版.北京：中国电力出版社，2011.
[5]程何小，何卫彬.基于TOP224YN的反激式开关电源设计[J].声学与电子工程，2011，（2）：37-39，45.
[6]张维.单端反激式开关电源研究与设计[D].西安：西安电子科技大学，2011.
开关电源原理设计范文第3篇
电气工程及自动化
大功率开关电源的设计
一、
综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义
开关电源的前身是线性稳压电源。在开关电源出现之前，各种电子装置、电气控制设备的工作电源都采用线性稳压电源。随着电子技术的迅猛发展，集成度的不断增加，计算机等各种电子设备体积越来越小而功能却越来越强大，因此，迫切需要重量轻、体积小、效率高的新型电源，这就为开关电源技术的发展提供了强大的动力。
可以说，开关电源技术的发展是随着电力电子器件的发展而发展的。新型电力电子器件的发展为开关电源的发展提供了物质条件。20世纪60年代末，耐高压、大电流的双极型电力晶体管（亦称巨型晶体管，BJT、GTR）的问世使得采用高工作频率的开关电源的出现称为可能。
早期的开关电源开关频率仅为几千赫兹，随着磁性材料及大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短，开关电源工作频率逐步提高。到了1969年，终于做成了25千赫兹的开关电源。由于它突破了人耳听觉极限的20千赫兹，这一变化甚至被称为“20千赫兹革命”。
在20世纪80年代以前，开关电源作为线性稳压电源的更新换代产品，主要应用于小功率场合。而中大功率直流电源则以晶闸管相控整流电源为主。但是，这一格局从20世纪80年代起，由于绝缘栅极双极型晶体管（简称IGBT）的出现而被打破。IGBT属于电压驱动型器件，与GTR相比前者易于驱动，工作频率更高，有突出的优点而没有明显的缺点。因而，IGBT迅速取代了GTR，成为中等功率范围的主流器件，并且不断向大功率方向拓展。
开关电源开关频率的提高可以使电源重量减轻、体积减小，但使开关损耗增大，电源效率降低，电磁干扰问题变得突出起来。为了解决因提高开关电源工作频率而带来的负面影响，同样在20世纪80年代，出现了软开关技术。软开关技术采用准谐振技术的零电压开关（ZVS）电路和零电流开关(ZCS)电路。在理想情况下，采用软开关技术，可使开关损耗降为零。正是软开关技术的应用，使开关电源进一步向效率高、重量轻、体积小、功率密度大的方向发展。经过近30年的发展，对软开关技术的研究可谓方兴未艾，它已成为各种电力电子电路的一项基础性技术。迄今为止，软开关技术应用最为成功的领域非开关电源莫属。
最近几年，“绿色电源”这一名词开始进入人们的视野。所谓“绿色”是指，对环境不产生噪声、不产生电磁干扰，对电网不产生谐波污染。为了提高开关电源的功率因数，降低开关电源对电网的谐波污染，在20世纪90年代，出现了功率因数校正（Power
Factor
Correction——PFC）技术。目前，单相PFC技术已比较成熟，相关的控制芯片已在各种开关电源中广泛应用，相比之下三相PFC技术则还处在起步阶段。
高频化是开关电源轻、薄、小的关键技术，国外各大开关电源制造商都在功率铁氧体材料上加大科技创新，并致力于开发新型高智能化的元器件，尤其是改善整流器件的损耗，以提高在高频率和较大磁通密度下获得高的磁性能。另外，电容器的小型化和表面粘着（SMT）技术的应用为开关电源向轻、薄、小型化发展奠定了良好的技术支持。目前市场上出售的采用双极性晶体管制成的100千赫兹开关电源和用场效应管制成的500千赫兹开关电源虽已使用化，但其工作频率还有待进一步的提高。
模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统，实现并联方式的容量扩展。
选择本课题可以使我掌握开关电源的工作原理，进一步加深对开关电源的理解。并把所学的专业知识（包括单片机原理与应用技术、电力电子技术、大学物理、计算机辅助设计等）应用到具体实例中，有效地巩固所学的基础理论知识，真正做到学有所用。
二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：
1、研究的基本内容包括：开关电源的工作原理，大功率开关电源中普遍采用的全桥型电路及其驱动电路以及高频变压器的设计与制作等。
2、计划将此系统分成四部分——功率因数校正（PFC）电路、辅助电源模块、主电路以及控制电路。
3、功率因数校正电路用来提高整流电路的功率因数，防止大量的谐波分量涌入电网，造成对电网的谐波污染，干扰其它用电设备的正常运行。
4、辅助电源模块用来为控制电路提供电能。拟用单片集成开关电源芯片（TOP204）来实现。
5、控制电路用场效应管集成驱动芯片IR2155,驱动全桥电路。
6、主电路的设计主要包括高频变压器的设计和全桥型电路中功率管的选型。
三、研究步骤、方法及措施：
步骤：
（1）查阅相关的技术资料，制定初步的方案；
（2）利用适当的计算机辅助设计软件（如Proteus、PI
Expert
6.5、Multism等）对设计方案进行模拟仿真；
（3）四个模块设计的先后顺序为功率因数校正电路、辅助电源模块、控制电路和主电路。
方法：化繁为简，将整个系统分解成四个部分，方便设计、调试。对局部电路预先进行仿真，对结果有所预期。
措施：查阅于毕业设计有关资料和文献（图书馆、超星电子图书阅览室等）。经常与指导老师取得联系，一起探讨有关电路的设计方案等问题。
四、参考文献
[1]
康华光.
电子技术基础.模拟部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2005.
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周志敏，周纪海，纪爱华.
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开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2000.
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蒋玉萍，倪海东.高频开关电源与应用[M].北京：机械工业出版社，2004.
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翟亮，凌民.基于MATLAB有控制系统计算机仿真[M].北京：清华大学出版社，2006.
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99
SE及DXP电路设计教程[M].北京：电子工业出版社，2006.
[7]
刘国权，韩晓东.Protel
DXP
电路原理图设计指南[M].北京：中国铁道出版社，2003.
开关电源原理设计范文第4篇
为了弥补以上不足，本文提出在课程教学中引入SIMetrix仿真工具。借助该仿真软件，学生更容易理解理论知识，还可以在课堂外对所学的知识加以验证以及进行一些设计应用，从而激发学习的兴趣并增强实践能力。
一、SIMetrix仿真软件介绍
SIMetrix/SIMPLIS是一款用于优化设计电力电子电路的高级仿真工具，是由美国Transim公司开发的软件包，具有优秀的收敛性能和仿真速度，小信号分析方面独具优势，非常适合于开关电源产品的验证、分析、设计和开发。其内部提供了两种仿真模式——SIMetrix和SIMPLIS，其中SIMetrix包含了一个增强型SPICE仿真器、原理图编辑器和波形显示器，与其它通用仿真软件相比，SIMetrix具有以下特点：[1，2]
特点一：包含丰富的器件模型。模型库不仅包含了理想的电路元件，同时还提供了比较通用的、常见的半导体器件和各类应用广泛的集成电路控制芯片，在此基础上足以构建完整的开关电源系统。
特点二：先进的测量功能。波形可通过选择检测器然后点击原理图生成，或在原理图上放入固定的检测器生成，可在仿真后甚至仿真时查看波形，非常方便。
特点三：强大的波形处理功能。为波形分析提供RMS、frequency、-3dB、FFT等40多种函数，选择这些函数可获得计算结果并显示在波形旁边。
特点四：具有多种分析功能。包括瞬态分析、交流分析、直流分析、噪声分析、传输函数分析等，每种分析功能下又提供多种扫描模式，如频率扫描、器件扫描、参数扫描、模型参数扫描、温度扫描、蒙特卡罗扫描等等。
此外，SIMetrix仿真软件的仿真结果与实际非常接近，用户图形界面友好，仿真直观，使用者容易掌握。
二、基于UC3842的反激电路仿真实例分析
反激变换器具有高可靠性、高效率、电路拓扑简洁、输入输出电气隔离、升/降压范围宽、易于多路输出等优点，是小功率开关电源的理想电路拓扑。UC3842是SIMetrix仿真工具模型库自带的集成芯片，其器件少、性能良好、价格低廉。综上所述，以UC3842控制的反激电源为仿真实例，电路简单且具有代表性，满足初学者的基本学习要求，具体的仿真电路如图1所示。
1.仿真电路原理
（1）主电路原理。交流输入电压经D1-D4组成的桥式整流及电解电容C1滤波后变成脉动直流电压。该直流电压由功率开关管Q1以很高的工作频率通断，将直流电变换成高频脉冲施加在变压器TX1的初级绕组上，然后由次级绕组输出。当开关管Q1导通时，变压器初级绕组有电流通过并且线性增加，施加在初级绕组上的电压为上正下负，使次级绕组产生下正上负的感应电动势，二极管D5承受反向偏压截止，次级绕组电流为零，变压器储能，这时负载由电容C2放电提供能量。当开关管Q1关断时，初级绕组的磁通量减小，为了维持电流不变而产生下正上负的感应电动势，次级绕组变成上正下负，D5导通，存储在变压器中的能量给C2充电并向负载供电。辅助绕组工作过程与次级绕组相同，一方面经过D6整流、C3滤波后为UC3842供电，另一方面经D7整流、C4滤波后为其提供反馈信号。由于反激变换器不可以空载，所以辅助绕组接假负载 R3。最后，在次级绕组和辅助绕组对应输出稳定的12V和15V直流电压。
（2）控制电路原理。[3]交流输入经过整流滤波得到直流电压，通过电阻R1降压后给电容C3充电，当Vp端电压达到启动电压门槛值16V时，UC3842开始工作并提供驱动脉冲，由Vout端输出推动开关管Q1工作。芯片启动后，工作电压由辅助绕组提供。同时，辅助绕组的输出经过R8和R9分压反馈到Vfb端。当电源电压或负载变化引起输出电压变低时，Vfb端的反馈电压减小，UC3842输出的PWM波的占空比增加，开关管Q1的导通时间变长，输出电压升高；反之，当输出电压升高时，占空比减小，Q1的导通时间变短，输出电压降低，从而使输出电压保持恒定，实现稳压。电阻R4用于电流检测，将初级绕组的电流转换为电压信号送入UC3842的Sense端，形成电流反馈。当由于某种原因产生过流时，开关管Q1的漏极电流将大大增加，电阻R4两端的电压上升，Sense端的电压也上升，当该端的电压超过正常值达到1V时，Vout端无输出，Q1截止，从而保护电路。Ref端和Osc端外接定时电阻R6和定时电容C6，确定工作频率。Vfb端与Comp端之间接R7和C7补偿电路，用于改善增益和频率特性。R5和C5构成RC滤波电路，削弱电流检测信号中的尖峰脉冲干扰，保证电源正常工作。
2.仿真电路参数设计
本仿真电路的主要技术指标：输入电压Vin：220（1±10%）VAC；输出电压Vo：12V，输出电流Io：2.5A；辅助绕组的输出电压VF：15V，开关频率fs：100kHz；效率η：80%。对应图1的仿真电路，完成所有元件参数的计算和电路的设计。
（1）主电路设计和参数计算。根据文献[4]和[5]，已知交流输入电压的范围，可以计算出经过整流滤波电路输出的直流电压范围是238V～342V，然后计算最大占空比为0.37，由此可得高频变压器的次级绕组和初级绕组的变比为0.09。又根据辅助绕组与次级绕组的电压、变比的关系，可计算得辅助绕组与初级绕组的变比为0.11。由前面的计算值结合电源的功率、效率参数，分别得到初级绕组电流峰值为0.67A，电感值为1.3mH。开关管Q1工作于最大输入电压342V的同时还承受了高频变压器的反向电动势，一般为135V，因此Q1的最大漏极电压约500V，最大漏极电流由上可知为 0.67A。由文献[5]和[6]可计算，输入整流桥二极管D1-D4的额定电压应大于427V，额定电流有效值应大于0.76A，输出整流二极管D5的最大反向峰值电压为42.8V，同理可得D6、D7的最大反向峰值电压为53.5V。根据文献[7]，输入滤波电容C1的经验值可用输出功率值瓦特数乘以1uF计算，约等30uF。输出滤波电容C2经计算应大于185uF，为了使滤波效果更好，在此取470uF，同理，C3和C4分别取1uF、10uF。假负载 R3的功率按额定功率的5%来设计，其值为150Ω。
（2）控制电路设计和参数计算。[7，8]已知开关频率100kHz，通过UC3842的工作频率计算公式：f=1.72/（RT×CT），可选取定时电阻R6=15kΩ，并计算定时电容C6=1nF。电流检测电阻R4=1/Ipk，其中Ipk为初级绕组电流的峰值，由上可知是0.67A，因此R4=1.5Ω。反馈电路的分压电阻R8和R9可通过公式VF×R8/（R8+R9）=2.5V确定，选取R8=20kΩ，R9=4kΩ。UC3842的启动电流在lmA左右，考虑到启动时间及R1上消耗的功率，实际设计中R1取30kΩ。R5和C5取典型值，分别为1kΩ、470pF。R7和C7的值以电源的闭环传递函数经过补偿后，截止频率位于工作频率的1/5处并且相位裕量约60°为宜，在此分别取15kΩ、1nF。
3.仿真电路搭建步骤
根据以上计算结果，仿真模型的搭建过程及各种参数设置如下：
（1）点击Place＼Passives，选择理想变压器（Ideal Transformers）和电路全部的电阻（Resistor[Box Shape]）、电容（Capacitor）。变压器的初、次级绕组数分别选择1和2，定义次级绕组、辅助绕组与初级绕组的比值分别为0.09和0.11，设置初级绕组的电感值为1.3mH，其他参数采用默认值。电阻、电容值可根据前面的计算结果设置。
（2）点击Place＼From Model library，在NMOS中，为功率开关管Q1选择高频特性较好的MOS管IRF840，其电压、电流定额为500V/8A。在Diode中，为输入整流桥二极管D1-D4选择快恢复二极管BY233-600，其电压、电流定额为600V/10A；为输出整流二极管D5选择快恢复二极管mur110，其电压、电流定额为100V/1A；为D6和D7选择快速开关二极管D1N4148，其电压、电流定额为75V/150mA。在PSU Controllers中，选择UC3842。
（3）点击Place＼Source，选择多功能电源（Universal Source），设置波形为正弦波，频率50Hz，峰峰值为622V，其他参数采用默认值。
（4）点击Simulator＼Choose Analysis，选择暂态分析（Transient）仿真模式，设置停止时间为20ms，其他参数采用默认值。
三、仿真结果分析
在额定交流输入220V/50Hz、满载的情况下，得到仿真波形如图2所示。6个波形自上而下分别为PWM控制信号、初级绕组电压、直流输出电压、开关管电压、初级绕组电流和次级绕组电流。由波形可知，PWM控制信号的频率约95kHz，占空比为0.32，初级绕组电压范围为-145V～297V，开关管承受最大电压445V，直流输出电压12V，纹波电压约25mV，初、次级绕组电流峰值分别为747mA和8.2A。另外从初、次级绕组电流的关系可知，电源工作在不连续模式。结果表明，本仿真电路参数设计合理，器件选择满足要求，仿真结果与理论基本一致。
四、结论
通过以上简单的仿真实例分析可知，SIMetrix仿真开关电源方便、简单、快捷且仿真模型和与电源实物非常接近。教师在课堂讲授的过程中演示仿真，可使讲解变得生动、形象、直观。与实验相比，仿真不受时间、空间、物质条件限制的同时也更安全，教师应鼓励学生在课后使用，不仅加深对原理知识的掌握，锻炼了实践动手能力，还可以提高他们学习的兴趣和积极性，培养创造能力。因此，SIMetrix仿真软件对该课程教学具有很好的应用价值。
参考文献：
[1]傅文珍.基于SIMetrix的“电力电子技术”仿真辅助教学研究[J].嘉兴学院学报，2013，25（3）：1-5.
[2]杨浩东，王伟.电力电子教学中常用仿真软件对比[J].中国电力教育，2012，（3）：112-113.
[3]陈纯锴.开关电源原理、设计及实例[M].北京：电子工业出版社，2012.
[4]李定宣，丁增敏.开关稳定电源设计与应用[M].第二版.北京：中国电力出版社，2011.
[5]程何小，何卫彬.基于TOP224YN的反激式开关电源设计[J].声学与电子工程，2011，（2）：37-39，45.
开关电源原理设计范文第5篇
关键字：高频开关电源； 发展
对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高频开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中，通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。
由于科学技术的不断发展，现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。其主要有以下4种发展方向：
1 高频化
理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz,提高400倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5~l0%。无论是逆变式整流焊机,还是通讯电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。同样,传统"整流行业"的电镀、电解、电加工、充电、浮充电等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造,成为"开关变换类电源",其主要材料可以节约90%或更高,还可节电30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,带来显著节能、节水、节约材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。
2 模块化
模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块,含有一单元、两单元、六单元直至七单元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于"标准"功率模块(SPM)。近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了"智能化"功率模块(IPM),不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了"用户专用"功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,这样的模块经过严格、合理的热、电、 机械方面的设计,达到优化完美的境地。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。
3 数字化
在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代,电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入。所以,在八、九十年代,对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的,特别是:诸如印制版的布图、电磁兼容(EMC) 问题以及功率因数修正(PFC)等问题的解决,离不开模拟技术的知识,但是对于智能化的开关电源,需要用计算机控制时,数字化技术就离不开了。
4 绿色化
电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电,这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能(或少)对电网产生污染,国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准,如IEC555、IEC917、IECl000等。事实上,许多功率电子节电设备,往往会变成对电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流,使总功率因数下降,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚至出现缺角和畸变。20世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了多种修正功率因数的方法。这些为2l世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。
总而言之,开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着开关电源技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年,随着通信行业的发展,以开关电源技术为核心的通信用开关电源,吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋,因此,同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来。还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。
参考文献：
[1]刘胜利,高频开关电源实用新技术[M].
