大功率高頻開關電源的設計要點

1、大功率高頻開關電源的設計要點摘 要開關電源設計需要綜合分析電力電子、電磁學、 微電子技術、熱力學等多門學科，具有較強的綜合性。同時 電源為電力設備正常運行的核心，尤其是現(xiàn)在資源需求與環(huán) 保節(jié)能理念下，需要在原有基礎上，對開關電源設計方法進 行更為深入的研究。本文重點分析了大功率高頻開關電源設 計要點?！娟P鍵詞】大功率 高頻開關電源 系統(tǒng)設計 開關電源即交互式電源，為高頻化電能轉換裝置，可以 利用不同形似架構，將一個準電壓轉換成用戶端需要的電壓 或電流。大功率高頻開關電源現(xiàn)在已經被廣泛的應用到軍工 設備、 LED 照明、通訊設備、科研設備、電力設備等領域， 具有功耗小、效率高的優(yōu)點。在對其進行設

2、計時，需要結合 其運行原理，確定系統(tǒng)各環(huán)節(jié)設計要點，對各節(jié)點功能進行 優(yōu)化。1 大功率高頻開關電源1.1 開關電源特點電氣設備容量持續(xù)增大，為滿足實際應用需求，市場上 逐漸出現(xiàn)更多的大功率高頻開關電源，同時與傳統(tǒng)開關電源 相比，還可以有效降低對電網(wǎng)的影響，更符合節(jié)能環(huán)保發(fā)展 理念。另外，開關電源的高頻化設計，可以進一步減小其體 積大小，并可根據(jù)實際需求來靈活控制電容、電感容量，將 生產成本控制到最低。因此，在對大功率高頻開關電源進行 設計時，需要充分發(fā)揮出其所具有的優(yōu)點，便于更好的滿足 實際發(fā)展需求。1.2 開關電源原理 基于線性開關，開關電源開關管工作處于開關狀態(tài)，將 基礎降壓電路作為例子進

3、行分析，確定開關電源工作過程與 所處狀態(tài)。如圖 1 所示，當開關處于閉合狀態(tài)時，持續(xù)電壓 將會對電感 LO 兩端產生作用， 電感電流將呈直線上升趨勢， 可用公式表達： iL （ on） =（ Vin-V out） ton/L 。當開關處于開 通狀態(tài)時，電能將被存儲在電感中，來滿足關斷時間內對負 載的輸出需求，其中存儲能量可用公式表示： Estored=1/2Lo （ I2pk-I2min ）。開關斷開后，電感 Lo 輸入端電壓會降為零， 電感上能量需要通過續(xù)流二極管 D 維持負載， 整個區(qū)間內電 感電流可以用公式描述： iL（off）=（Vout-VD）toff/L 。通 過伏秒平衡來表示輸出

4、電壓與輸入電壓關系：Vout=D?Vin ，其中 D 表示開關占空比，取值 ton/T 。在開關電源再次開通 后，結束整個運行過程。2 大功率高頻開關電源設計要點2.1 拓撲結構選擇 開關電源功率拓撲主要負責 DC/DC 高頻逆變的實現(xiàn)，是整個開關電源能量轉換的核心單元。其作為影響開關電源 設計效果的關鍵因素，需要基于實際需求進行合理選擇與有 效控制，包括對輸出功率大小、輸入電壓范圍、輸出電壓范 圍、斬波電流等進行綜合分析，尤其是要重點控制好輸出功 率與輸入輸出電壓比。2.2 硬件電路設計整體結構 硬件電路作為開關電源的基礎部分，決定了電源運行可 靠性與效率。以往在對此方面設計時，會選擇用純硬

5、件模擬 電路實現(xiàn)。設計時主要針對輸入保護與濾波、高頻逆變、輸 出整流、控制電路、驅動電路等模塊進行分析。首先需要確 定開關電源整體結構，通過橫向開關電源分為輸入整流級 別、中間逆變級、輸出整流級三部分；通過縱向開關電源則 可分為控制級、驅動級、功率級。開關電源傳統(tǒng)結構，將控 制電路和驅動電路被集成到 PWM 控制器上，對電路設計進 行了有效簡化， 強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，構成數(shù)字式開關電源控制，如圖2。2.2.2 功率級電路設計 功率級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、路以及輸出保護等幾 個部分。在對此部分進行設計時，應遵循從總體到分部的原 則。將開關電源看做為一個單輸入單輸出網(wǎng)絡，然后確定開 關電源系統(tǒng)參數(shù)，并完成各模塊設計。（1）輸入整流模塊。其可以與電網(wǎng)進行連接，主要負 責將交流電網(wǎng)變換成直流電能，為電能的輸入級，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。逆變電路轉換器均會產生高頻對地電 流，并產生不同寄生效應，為避免對系統(tǒng)運行產生影響，需 要通過共模電感來消除。可以選擇用二階共模濾波器，利用 公式計算出轉折頻率： 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、頻率時可以得到 24dB 衰減時轉折頻率。電感值公式： L=RL /fc，其中阻尼系 數(shù) 取值 0.707。同時，需要結合實際需求，對電感量數(shù)值 進行調整，并將阻尼控制在允許范圍內。2.2.3 智能控制電路設計 控制電路作為開關電源硬件結構的最頂層，主要負責環(huán) 路控制、系統(tǒng)保護、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確性，同時 及時響應速度與智能調節(jié)要求，需要對大量數(shù)據(jù)進行處理和 運算，包括了輸入給定、輸出反饋和 AD 轉換等部分。電路 保護功能對提高電源運行安全性和可靠性具有重要意義，包 括過流保護、過溫保護、過壓保護、欠壓保護等幾個方面。 狀態(tài)顯示必

8、須要具有實時性，通過 DSP 控制器實現(xiàn)，由 AD 對多種輸入狀態(tài)采樣后， DSP 的 SPI 直接傳輸給顯示單元。2.3 軟件電路設計 重點做好核心控制器的選擇，確定系統(tǒng)編程環(huán)境與編程 語言，例如 C 語言具有較強的可讀性和移植性， 代碼效率高 數(shù)字式開關電源需要利用核心控制器程序進行編寫，可分為 自頂向下程序設計與自底向上程序設計兩種，可根據(jù)實際需 求選擇。為提高開關電源程序閱讀性與移植性，可以利用模 塊化進行設計，即對每個模塊進行細分，將基于硬件底層驅 動代碼封裝成多個小模塊。設計后整個程序主要包括應用 層、處理層、驅動層與物理層四部分，系統(tǒng)程序具有更好的 易讀性與移植性。其中，通過兩位撥碼開關來對電源運行狀 態(tài)進行設置，高位表示離線或在線模式，低位表示恒流或恒 壓模式。3 結束語 對大功率高頻開關電源設計進行分析，需要基于開關電 源所具有的特點，結合其運行原理，以滿足實際運行需求為 目的，做好硬件和軟件部分電路設計，提高系統(tǒng)程序穩(wěn)定性 和可靠性。參考文獻1宋志勇 .移相全橋大功率高頻開關電源的研究與設計D. 湖北工業(yè)大學， 2014.2陳小敏 .