开关电源原理及设计范文

导语：如何才能写好一篇开关电源原理及设计，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：开关电源 维护检修 故障处理

中图分类号：TN838 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）09-0105-01

稳定可靠，安全的动力保障是数字化全固态调频发射机安全播出的先决条件，新型的开关电源与传统的电源相比，体积小而且工作稳定，电路损耗小，其多输出电压轻松的解决了模块和控制单元输入电压不同的难题。且由于大规模集成电路的运用和屏蔽设置很好的解决了发射机房设备之间的电磁干扰。鉴于以上优点，权衡发射机整体效率，电源的可靠性和日常值机中维护等问题，开关电源无疑是目前固态调频广播发射机电源的最佳选择。它与功率放大器集成装配运行。采用高度集成的滤波阻抗元件运用，使其重量体积有了很大的改变。包括功率开关管和多种电路拓扑组合等新器件，新技术的应用，提高电源系统效率。发射机电源内设的电磁干扰滤波电路和相关高尖峰脉冲吸收电路是电源的电流谐波符合要求的重要保证，它不但可以改善电源对电网的负载特性，减少给电网带来严重的污染，也减少对其它网络设备的谐波干扰。

1 开关电源原理

调频发射机使用的开关电源电路主要由电源滤波电路、高压整流滤波电路、功率变换电路、低压整流滤波电路、PWM电路、保护电路、检测比较放大电路、辅助电源等组成，通过以一定频率连续地控制功率开关管进行通断操作，从而以便可以通过能量储存元件向变换器或负载提供电量的电源形式。只要通过改变占空比、开关频率或相关相位，平均输出电压或电流便可得到控制。开关电源的开关频率范围很大。对于电源功率大于90W的工作场合，开关电源通常采取两级变换方式，即功率因数校正（PFC）控制变换器和DC/DC变换器。该电路是将整流过来的直流电压变换为可调的高频矩形波电压，这是开关电源的核心部分。特别是功率因数校正电路，它是为了保证输入电压和电流同相工作而设置的。其结果是功率因数接近1，视在功率全部转换为有功功率，因而系统效率得到了改善。如果没有PFC校正电路，输入电流会以窄脉宽高峰值脉冲形式输入开关电源引起严重的谐波干扰成分。这些谐波组分不仅没有向负载提供任何能量，而且还引起变压器和其它设备发热。功率因数校正电路分为有源和无源两种类型。调频广播发射机的开关电源大都采用有源功率因数校正电路，它是由具有有源功率因数校正的AC/DC变换器和独立DC/DC变换器两大部分组成。AC/DC变换器主要包括：EMI滤波器、慢启动电路、桥式整流、PFC控制器、功率驱动电路及变换器电路。

AC输入经过EMI滤波电路滤除差摸和共摸电磁干扰信号后，输入至慢启动电路，再经延时后全压加到桥式整流电路，输出的直流电压提供给功率场效应管MOSFET的漏极。PFC控制器是由8引脚的LT1249功率因数控制芯片和较少的元件所构成的电路。其第8引脚输出开关频率为100kHz的驱动信号，经驱动电路加到MOSFET功率开关管的栅极，MOSFET变换器开始以一定的占空比进行通断工作，并输出所需求的直流电压。功率驱动电路：其作用是把PWM调制电路输出的信号进行功率放大后，分别驱动MOSFET开关管开通或者关断，实现主电路和控制电路之间的电气隔离。驱动电路的结构和参数会对MODFET开关管的运行性能产生显著影响，如开关时间、开关损耗、短路电流保护能力等。当短路故障发生时，驱动电路会通过合理的栅极电压使保护电路动作，并发出故障信号到控制系统。

变换电路用于电流变换，把电流变换为线性直流电压信号，供测量电路使用，电路主要有一个副主变压器变压，经全波整流，线性电路板处理后，产生的直流电压提供给控制电路板从而与电压反馈信号进行比较放大，根据产生的差值，输出相应宽度的脉冲信号，以调整电源输出电压的大小。

2 日常应用中维护与检修

在发射机日常使用过程中开关电源也会出现多方面因素导致的故障。发射机房的环境因素、外电的波动，由于不熟悉设备造成的停播为防患于未然，在发射极日常维护中，为使开关电源能长期可靠连续运行，应做到以下几点：

（1）及时进行日常检查和定期保养，看有无噪音以及异常声响气味等。（2）看输出以及输入电压是否在正常范围内。（3）排风扇是否运行正常。（4）检查各处连接电路是否牢固。（5）每半年要对电源进行一次彻底的清扫，清理元件上面的积灰和浮尘。清理的时候，确保发射机关机并拔出电源的连接线，卸开开关电源盖板，有条件的话最好进行放电处理。用鼓风机对灰尘进行去除，若有顽固灰尘，可用棉纱蘸少量酒精进行擦拭。除尘完毕，注意元器件有无松动，及时修复。

开关电源的检修：全面了解内部电路的布局和结构是检修开关电源查找问题的先决条件，打开电源外壳，检查保险管是否熔断，清楚开关电源不同输出电压的用途。观察电源内部，看电容等元器件是否有破裂、漏液、电路板上是否烧焦痕迹等。

发射机机柜，功放外壳，电源外壳，面板都通过导体很好相连，最终连接到接地端地线敷设是最基本最简单的安全措施。发射机安装到位后，应将本机的接地端（位于发射机电源部分的底板上）弯角与机房地下铜排可靠地连接在一起，以避免由于漏电而发生停播甚至意外伤害事件。

3 结语

调频发射机开关电源功率一般比较大，工作温度高并且基本常年连续工作，容易发生故障。只有熟悉了开关电源的工作原理，加强日常维护把小的问题积极排除不留安全隐患，多积累经验才会在遇到问题时候快速有效地完成检修工作，为安全播出奠定良好基础。

参考文献

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关键词：医院设备；医院设备管理；管理系统

1概述

随着我国的经济建设的改变，医院的医疗条件有了大幅度改善，但在科技发展的医院里，诸多先进设备的应用也同样带来的其他方面的问题，最重要的一点就是，医院设备的管理问题，在现代的医院依然采用过去的管理方式，显然已经无法跟上时代的需要了，大宗设备的出账，入库等管理环节，如果仅通过人力计算，无论从效率还是工作量来说，都将是难以实施的，所以引入先进的管理系统是未来的发展趋势，也是现代医院工作者应当掌握的工作技能，同时医院也应当大力推广。

2医疗设备管理的现状

我国现在已经进入了信息化时代，还有许多医院依然采用着人工作业等原始记录方式，这样的工作状况使得医院的整体工作效率被滞后，尤其是针对急症患者的情况下，需要查阅相关资料时，势必需要翻阅大量的病例数据，每多1min检索的时间，患者得到及时救治的时间就被延长1min，这对于患者来说是极其危险的，再比如许多医疗设备都具有一次性使用，但需要大批量采购的，这时采用人工的记账方式，无疑增加了人力成本，一旦发生了错记或漏记得情况发生，肯定会对医院造成更大的损失。所以医院管理的现状，已经到了势在必行的时候了。

3医院设备管理系统的开发意义

通过上面的论述，可以了解到医院的管理需要系统性，科学性的管理方式，对于医院的管理系统其实早在上世纪80年代就被美国的教授提出了，这一概念已经具有了现代医院设备科学管理的雏形，利用电子计算机和通讯设备，为医院所属各部门提供患者诊疗信息和行政管理信息的收集、存储、处理、提取和数据交换的能力，并满足所有授权用户的功能需求[1]。

现代的医院设备管理同样的提上了日常管理日程，由于现代医学主要靠西方医学的技术，所以在很大程度上都依赖医疗设备进行诊断，甚至治疗，这也是现代化医院的特点。在医院设备上，比如B超，核磁共振，X光片等等都是较为大型的医疗设备，除此之外还有一些常用的，一次性的，数量庞大的医疗用品，如针头，输液瓶等等，对于医院来说，管理好这些医疗设备需要很大的人力和财力投入，这样直接关系到医院经济利益的产出投入比例，一般医院的医疗仪器约占医院固定资产的50%，而经济效益约占门诊和住院患者资金收入的65%，也是医院产生医疗信息的主要来源。如果能开放出合理有效的医院设备管理系统，就能够对医院整体的经济效益和工作效率产生决定性影响。由此可见，医院对于医疗设备的管理的开发和使用具有极其重要的意义[2]。

4医院设备管理系统的开发

在开发医院设备管理系统之前，首先要了解医院设备管理的主要任务，根据医院条件，需求，使用情况采购医疗设备；建立科学，健全的设备管理制度；保障设备使用状态，提升设备的使用作用效果。这些任务的总结，为医院设备管理奠定了科学管理的基础。

开放系统时应先解决管理需求分析，根据医院的条件可将整体系统需求分为：设备添加，设备管理，设备查询，系统设置等。①设备添加功能可分为，设备添加和设备附件添加；设备添加主要针对设备的采购后进行系统录入，登记其名称，型号，规格，详细功能及设备资料等信息的录入。②设备管理功能可分为，设备注销，设备状态变更（库存情况，使用情况，损坏情况等），主要功能就是对设备在院状态的改变，以方便进行物资的统计工作。③设备查询功能可分为，资料查询，设备统计等，其主要针对设备的使用方式，运用状态等信息的查询。④系统设置的功能相对简单，主要针对操作员的工作权限可进行登记或变更，以方便不同人员使用系统。

在完成整体的设计思路后，就可以开始进行主要程序设计工作，为了配合医院整体系统环境的使用，该系统可以基于Windows操作系统上开发，这样其通用性及稳定性可以得到有效保障，而且在建设后期还应当进行数据库功能的开发，这样对于信息及设备的查阅都可以进行概括分析，以保证医疗工作的顺利开展。

5医院设备管理系统的应用

在设备管理系统的应用上，可以针对不同职务的操作人员进行相应的权限限制，职务从高到底进行分层管理，如系统操作者为医院负责人或行政人员，其可以对整体系统具有绝对的使用权，更改操作人员权限，查看资料范围等；亦或是普通的医护工作者的权限可以限制在，设备的领用管理或注销管理和医用资料的查询等权限，这样对于整套设备管理系统来说，使用的作用率可以达到最大化。对于整体系统的维护，可在考虑成本的情况下，采用外包式管理方式，这样对于医院整体的机构人员成本管理也有一定优势。在系统实际运用情况下，医院可根据院内不同的需求添加不同的使用模块，如医院内不同科室的设备管理可采用分开管理的方式，将设备管理的内容在进行细分，已达到专科专项的效果，减少设备过多而产生的误操作情况。

6设备管理系统的未来展望

各个行业的日新月异推动着我国经济的高速发展，医院的治疗的高效性也应搭乘时代的列车快速前进，未来的医院管理系统应向更加便捷高效的方向发展，比如无线互联网可以直接连入护士手中的便携操作端口，设备的使用可以通过医护人员ID确认才能使用，医生可通过便携终端查询需要的设备数量等等。这些都是未来科技型医院的发展方向。

7结论

现代医学改变着人们的就医方式，而现代科技却在改变着医院的工作方式，当下医疗设备管理的关键词是可靠，稳定，实用，而未来还应该增加"便捷"与"高效"。

参考文献：

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    论文首先介绍了电力电子技术及器件的发展和应用,具体阐明了国内外开关电源的发展和现状,研究了开关电源的基本原理,拓扑结构以及开关电源在电力直流操作电源系统中的应用,介绍了连续可调开关电源的设计思路、硬件选型以及TL494在输出电压调节、过流保护等方面的工作原理和具体电路,设计出一种实用于电力系统的开关电源,以替代传统的相控电源。该系统以MOSFET作为功率开关器件,构成半桥式Buck开关变换器,采用脉宽调制(PWM)技术,PWM控制信号由集成控制TL494产生,从输出实时采样电压反馈信号,以控制输出电压的变化,控制电路和主电路之间通过变压器进行隔离,并设计了软启动和过流保护电路。该电源在输出大电流条件下,能做到输出直流电压大范围连续可调,同时保持良好的PWM稳压调节运行。    开关电源结构

    以开关方式工作的直流稳压电源以其体积小、重量轻、效率高、稳压效果好的特点,正逐步取代传统电源的位置,成为电源行业的主流形式。可调直流电源领域也同样深受开关电源技术影响,并已广泛地应用于系统之中。

    开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、IGBT和MOSFET。

    SCR在开关电源输入整流电路及软启动电路中有少量应用, GTR驱动困难,开关频率低,逐渐被IGBT和MOSFET取代。在本论文中选用的开关器件为功率MOSFET管。

    开关电源的三个条件:

    1. 开关:电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态;

    2. 高频:电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频;

    3. 直流:开关电源输出的是直流而不是交流。

    根据上面所述,本文的大体结构如下:

    第一章,为整个论文的概述,大致介绍电力电子技术及器件的发展,简单说明直流电源的基本情况,介绍国内外开关电源的发展现状和研究方向,阐述本论文工作的重点;

    第二章,主要从理论上讨论开关电源的工作原理及电路拓扑结构;

    第三章,主要将介绍系统主电路的设计;

    第四章,介绍系统控制电路各个部分的设计;

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关键词：开关电源；反激式电路；高频变压器

引言

开关电源是综合现代电力电子、自动控制、电力变换等技术，通过控制开关管开通和关断的时间比率，来获得稳定输出电压的一种电源，因其具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点，在现代电力电子设备中得到广泛应用，代表着当今稳压电源的发展方向，已成为稳压电源的主导产品。文章设计了一种基于TOP-Switch系列芯片的小功率多路输出DC/DC的反激式开关电源。

1 电源设计要求

文章设计的开关电源将用于轨道车辆电动门控制系统中，最大的功率为12W，分四路输出，具体设计参数如下：（1）输入电压Vin=110V；（2）开关频率fs=132kHz；（3）效率η=80%；（4）输出电压/电流 48V/0.2A，15V/0.02A-15V/0.02A，5V/0.3A；（5）输出功率12W；（6）电压精度1%；（7）纹波率1%。（8）负载调整率±3%，电源最小输入电压为Vimin=77V，最大输入电压为Vimax=138V。考虑到设计要满足结构简单，可靠性高，经济性及电磁兼容性等要求，结合本设计输出功率小的特点，最终选用了单端反激式开关电源，它具有结构简单，所需元器件少，可靠性高，驱动电路简单的特点，适合多路输出场合。

2 单端反激式开关电源的基本原理

单端反激式开关电源由功率MOS管，高频变压器，无源钳位RCD电路及输出整流电路组成。其工作原理是当开关管Q被PWM脉冲激励而导通时，输入电压就加在高频变压器的初级绕组N1上，由于变压器次级整流二极管D1反接，次级绕组N2没有电流流过；当开关管关断时，次级绕组上的电压极性是上正下负，整流二极管正偏导通，开关管导通期间储存在变压器中的能量便通过整流二极管向输出负载释放。反激变压器在开关管导通期间只存能量，在截止期间才向负载传递能量，因为能量是单方向传导，所以称为单端变化器[1]。

图1 单端反激式开关电源的原理图

3 TOP-Switch系列芯片的介绍及选型

TOP-Swtich单片开关电源是开关电源专用集成电路，它将脉宽调制电路与高压MOSFET开关管及驱动电路等集成在一起，具备完善的保护功能。使用该芯片设计的小功率开关电源，可大大减少电路，降低成本，提高可靠性[4]。

对于芯片的选择主要考虑输入电压和功率，由设计要求可知，输入电压为宽范围输入，输出功率不大于12W，故选择TOP264VG。

4 电路设计

本设计开关电源的总体设计方案如图2所示。

4.1 主电路设计

4.1.1 变压器设计

变压器的设计是整个电源设计最重要的部分，它的设计好坏直接影响到整个电源性能。

（1）磁芯和骨架的确定

由参考文献[1]可查出，当P0=12W时可供选择的铁氧体磁芯型号，由于采用包线绕制，而且EE型铁芯廉价，磁损耗小且适用性强，故选择EEL19。从厂家提供的磁芯产品手册中可以查到磁芯有效截面积Ae=0.23cm2，磁路有效长度Le=3.94cm2，磁芯等效电感AL=1250Nh/T2

（2）确定最大占空比

（式中VOR为初级感应电压，VDS为开关管漏源导通电压，其中VOR=135V，VDS=10V）

（3）初级波形参数计算

初级波形的参数主要包括输入电流平均值IAGV、初级峰值电流IP

输入电流平均值

初级峰值电流

（其中KRP为初级纹波电流IR与初级峰值电流IP的比值，当反激式开关电源工作在不连续状态时取KRP=1）

（4）确定初级绕组电感

（5）计算各绕组的匝数

初级绕组的匝数 实取33匝

次级为5v输出的绕组定义为NS=4turn

对于±15V输出 实取12匝

对于48V输出 实取36匝

对于偏置绕组 实取10匝

4.1.2 无源钳位电路的设计

反激式开关电源，每当功率MOSFET由导通变为截止时，在开关电源的一次绕组上就会产生尖峰电压和感应电压，和直流高压一起叠加在MOSFET上，漏极电压

这就要求功率MOSFET至少能承受450V的高压，并且要求钳位电路吸收尖峰电压来保护功率MOSFET。本电源的钳位电路由稳压管和二极管D1组成，其中VR1为瞬态电压抑制器P6KE200，D1为快恢复二极管IN4936，当MOSFET导通时，原边绕组电压上正下负，使D1截止，钳位电路不起作用；当MOSFET截止瞬间，原边绕组电压上负下正，使得D1导通，电压被钳位在200V左右。

4.1.3 输出环节的设计

以+5V输出为例，次级绕组高频电压经肖特基二极管SB120整流后，用超低的ESR滤波，为了得到获得更小的纹波电压，在设计时又加入了次级LC滤波器，实验表明，输出的电压更符合期望值。

4.2 反馈环节的设计

反馈回路主要由PC817和TL431组成，这里用的TL431型可调式精密并联稳压器来代替普通的稳压管，构成外部误差放大器，进而对输出电压作精密调整，当输出电压发生波动时，经过电阻R13、R14分压后得到取样电压与TL431中的2.5V的基准电压进行比较，在阴极K上形成误差电压，使光耦合器中的LED工作电流产生相应变化，再通过光耦合器去改变单片开关电源的控制端电流，进而调节输出占空比，使输出电压维持不变，达到稳压目的。

5 结束语

文章设计的开关电源具有结构简单，所需元器件少，体积小，成本低的特点，并且满足所有设计要求，在轨道车辆电动门控制系统中有很好的应用前景。

参考文献

[1]杨立杰.多路输出单端反激式开关电源的设计[J].现代电子技术，2007.

[2]沙占友.开关电源实用技术[M].北京：中国电力出版社，2011.

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关键词： 直流开关电源；开关电源；设计

1 直流稳压电源概述

直流稳压电源在一个典型系统中担当着非常重要的角色。从某种程度上可以看成是系统的心脏。电源的系统的电路提供持续的、稳定的能源，使系统免受外部的干扰，并防止系统对其自身产生的伤害。如果电源内部发生故障，不应造成系统的故障，而确保系统安全可靠运行。因此，人们非常重视系统直流电源的设计或选用。直流稳压电源通常分为线性稳压和开关稳压两种类型。

1.1 线性稳亚电源

线性稳压电源是指起电压调整功能作用的器件始终工作在线性放大区的直流稳压电源，期工作原理如图1。

它由50 工频变压器、整流器、滤波器以及串联调整稳压器组成。

线性稳压电源的优点是具有优良的纹波及动态响应特性。但同时存在以下缺点：输入采用50 工频变压器，体积庞大且和很重；电压调整器件工作在线性放大区内，损耗大，效率低；过载能力差。

线性电源主要应用在对发热和效率要求不高的场合，或者要求成本及设计周期短的情况。线性电源作为板载电源广泛应用于分布电源系统中，特别是当配电电压低于40V时。线性电源的输出电压只能低于输入电压，并且每个线性电源只能产生一路输出。线性电源的效率在百分之三十五到百分之五十之间，损耗以热的形式耗散。

1.2 PWM开关稳压电源

一般将开关稳压电源简称开关电源，开关电源与线性稳压电源不同，它是起电压调整功能作用的器件，始终工作在开关状态。开关电源主要采用脉宽调制技术。

开关电源的优点；

1）功耗小、效率高。电源中开关器件交替地工作在导通-截止和截止-导通的开关状态，转换速度快，这使得开关管的功耗很小，电源的效率可以大幅度提高，可达到百分之九十到百分之九十五。

2）体积小、重量轻。开关电源效率高，损耗小，则可以省去较大体积的散热器；隔离变压用高频变压器取代工频变压器，可大大减小体积，降低重量；因为开关频率高，输出滤波电容的容量和体积大为减小。

3）稳压范围宽。开关电源的输出电压由占空比来调节，输入电压的变化可以通过调节占空比的大小来补偿，这样在工频电网电压变化较大时，它仍然能保证有较稳定的输出电压。

4）电路形式灵活多样。设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同的应用场合的开关电源。

开关电源的缺点主要是：存在开关噪声大。在开关电源中，开关器件工作在开关状态，它产生的交流电压和电流会通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采用一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重影响整机的正常工作。此外，这些干扰还会串入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备、和家用电器收到干扰。因此设计开关电源时，必须采取合理的措施来抑制其本身产生的干扰。

PWM开关电源在使用时比线性电源具有更高的效率和灵活等特点。因此，在便携式产品、航空和自动化产品、仪器仪表以及通讯系统等，要求高效率、体积小、重量轻和多组电源电源输出的场合，得到了广泛的应用。但是开关电源的成本高，而且需要开发周期较长。

2 开关电源的设计

2.1 开关电源的工作原理

开关电源主要采用直流斩波技术，即降压变换、升压变换、变压器隔离的DC/DC变换电路理论和PWM控制技术来实现的。具有输入、输出隔离的PWM开关电源工作原理框图，如图2所示。

50Hz单相交流220V电压或三相交流220V/380V电压经EMI防电磁干扰电源滤波器，直接整流滤波；然后再将滤波后的直流电压经变换电路变换为数十千赫或数百千赫的高频方波或准方波电压，通过高频变压器隔离并降压（或升压）后，再经高频整流、滤波电路；最后输出直流电压。通过取样、比较、放大及控制、驱动电路，控制变换器中功率开关管的占空比，便能得到稳定的输出电压。在直流斩波控制中，有定频调宽、定宽调频和调频调宽3种控制方式。定频调宽是保持开关频率（开关周期T）不变，波形如图3所示。

通过改变导通时间高。而定宽调频则是保持导通时间T on不变，通过改变开关频率，来达到改变占空比的一种控制方式。由于调频控制方式的工作频率是不固定的，造成滤波器设计困难，因此，目前绝大部分的开关电源均采用PWM控制。

2.2 开关电源的主要性能指标

开关电源的质量好坏主要由其性能指标来体现。因此，对于设计者或使用者来讲，都必须对其内容有一个较全面的了解。一般性能指标包括电气指标、机械特性、适用环境、可靠性、安全性以及生产成本等。这里仅介绍常见的电气指标。

2.2.1 输入参数

输入参数包括输入电压、交流或直流、频率、相数、输入电流、功率因数以及谐波含量等。

1）输入电压：国内应用的民用交流电源电压三相为380V，单相为220V；国外的电源需要参出口国电压标准。目前开关电源流行采用国际通用电压范围，即单相交流85～265V，这一范围覆盖了全球各种民用电源标准所限定的电压，但对电源的设计提出了较高的要求。输入电压范围的下限影响变压器设计时电压比的计算，而上限决定了主电路元器件的电压等级。输入电压变化范围过宽，使设计中必须留过大裕量而造成浪费，因此变化范围应在满足实际要求的前提下尽量小。

2）输入频率：我国民用和工业用电的频率为50Hz，航空、航天及船舶用的电源经常采用交流400Hz输入，这时的输入电压通常为单相或三相115V。

3）输入相数：三相输入的情况下，整流后直流电压约是单相输入时的1.7倍，当开关电源的功为3～5kW时，可以选单相输入，以降低主电路器件的电压等级，从而可以降低成本；当功率大于5kW时，应选三相输入，以避免引起电网三相间的不平衡，同时也可以减小主电路中的电流，以降低损耗。

4）输入电流：输入电流通常包含额定输入电流和最大电流2项，是输入开关、接线端子、熔断器和整流桥等元器件的设计依据。

5）输入功率因数和谐波：目前，对保护电网环境、降低谐波污染的要求越来越高，许多国家和地区都已出台相应的标准，对用电装置的输入谐波电流和功率因数做出较严格的规定，因此开关电源的输入谐波电流和功率因数成为重要指标，也是设计中的一个重点之一。目前，单相有源功率因数校正（FPC）技术已经基本成熟，附加的成本也较低，可以很容易地使输入功率因数达到0.99以上，输入总谐波电流小于5%。

2.2.2 输出参数

输出参数包括输出功率、输出电压、输出电流、纹波、稳压精度、稳流精度、输出特性以及效率等。

1）输出电压：通常给出额定值和调节范围2项内容。输出电压上限关系到变压器设计中电压比的计算，过高的上限要求会导致过大的设计裕量和额定点特性变差，因此在满足实际要求的前提下，上限应尽量靠近额定点。相比之下，下限的限制较宽松。

2）输出电流：通常给出额定值和一定条件下的过载倍数，有稳流要求的电源还会指定调节范围。有的电源不允许空载，此时应指定电流下限。

3）稳压、稳流精度：通常以正负误差带的形式给出。影响电源稳压、稳流精度的因素很多，主要有输入电压变化、输出负载变化、温度变化及器件老化等。通常精度可以分成。3项考核：① 输入电压调整率；② 负载调整率；③ 时效偏差。同精度密切相关的因素是基准源精度、检测元件精度、控制电路中运算放大器精度等。④ 电源的输出特性：与应用领域的工艺要求有关，相互之间的差别很大。设计中必须根据输出特性的要求，来确定主电路和控制电路的形式。⑤ 纹波：开关电源的输出电压纹波成分较为复杂，通常按频带可以分为3类： 高频噪声，即远高于开关频率 的尖刺；开关频率纹波，指开关频率 附近的频率成分； 低频纹波，频率低于的 成分，即低频波动。

对纹波有多种量化方法，常用的有纹波系数、峰峰电压值、按3种频率成分分别计量幅值以及衡重法。⑥ 效率：是电源的重要指标，它通常定义为η=Po/Pi×100%。式中，Pi为输入有功功率；Po为输出功率。通常给出在额定输入电压和额定输出电压、额定输出电流条件下的效率。对于开关电源来说，效率提高就意味着损耗功率的下降，从而降低电源温升，提高可靠性，节能的效果明显，所以应尽量提高效率。一般来说，输出电压较高的电源的效率比输出低电压的电源高。

2.2.3 电磁兼容性能指标

电磁兼容也是近年来备受关注的问题。电子装置的大量使用，带来了相互干扰的问题，有时可能导致致命的后果，如在飞行的飞机机舱内使用无线电话或便携式电脑，就有可能干扰机载电子设备而造成飞机失事。电磁兼容性包含2方面的内容：

电磁敏感性、电磁干扰分别指电子装置抵抗外来干扰的能力和自身产生的干扰强度。通过制定标准，使每个装置能够抵抗干扰的强度远远大于各自发出的干扰强度，则这些装置在一起工作时，相互干扰导致工作不正常的可能性就比较小，从而实现电磁兼容。

因此，标准化对电磁兼容问题来说十分重要。各国有关电磁兼容的标准很多，并且都形成了一定的体系，在开关电源设计时应考虑相关标准。

3 开关电源的设计步骤

开关电源的设计一般采用模块化的设计思想，其设计步骤是：

1）首先从明确设计性能指标开始，然后根据常规的设计要求选择一种开关电源的拓扑结构、开关工作频率确定设计的难点，依据输出功率的要求选择半导体器件的型号；

2）变压器和电感线圈的参数计算，磁性材料设计是一个优质的开关电源设计的关键，合理的设计对开关电源的性能指标以及工作可靠性影响极大；

3）设计选择输出整流器和滤波电容；

4）选择功率开关的驱动控制方式，最好选用能实现PWM控制的集成电路芯片，也可利用单片机实现PWM控制；

5）设计反馈调节电路；

6）根据设计要求设计过电压、过电流和紧急保护电路；

7）根据热分析设计散热器；

8）设计实验电路的PCB板和电源的结构，组装、调试，测试所有的性能指标；

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【关键词】开关电源；LDO；OLED

1 引言

有机电激发光二极管（Organic LightEmitting Diode，OLED）由于同时具备自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异特性，被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术。OLED由非常薄的有机材料涂层和玻璃基板构成。当有电荷通过时这些有机材料就会发光。由于OLED具有以上特点，近年来，在手持红外设备的显示组件中，OLED已经广泛的取代了原有的CRT显示组件。

2 显示驱动板原理介绍

OLED显示组件由OLED屏及显示驱动板组成，OLED显示屏采用北方光电的SVGA060显示屏，该显示屏具有视频格式自动检测、自动增益控制等特性。输出分辨率为768×576，支持单色或彩色信号。由于显示屏是数字视频接口，而红外热像仪输出的是模拟视频信号，显示驱动板的主要作用是对热像仪输出的视频信号进行AD转换，并提供显示板工作所需的电源及控制串口。

3 基于TPS65053的显示驱动电路电源的改进

原OLED驱动板视频AD采用TI公司的ADV5150，单片机采用SiliconLab公司的C8051F330。电源部分，由于该系统需要5V，3.3V，1.8V3个数字电源，而热像仪给出的输出电源只有5V，原设计中考虑到电源纹波对显示效果的影响，对5V到3.3V和1.8V的转换采用LT公司的微封装LDO――LT1761ES53.3和LT1761ES51.8，显示驱动板的单板电流为70mA左右，加上OLED屏，总电流为100mA左右，一套OLED显示组件的功耗为500mW左右。当今手持设备趋于小型化、低功耗化，这样的功耗是比较大的。因此，考虑采用开关电源来代替LDO，完成5V到3.3V和1.8V的变换，因开关电源的转换效率很高，如TI公司生产的TPS65053，其效率可达92%以上，可有效降低显示组件的功耗。TPS65053内部集成2路开关电源，输入电压最大值为6V，两路DCDC可分别提供1A的驱动能力，集成度高，单片面积小，非常适合显示驱动电路的使用。TPS65053的电源设计如图2所示。

4 电源输出纹波的压制

考虑到输出纹波对显示效果的影响，需设计电路对输出电压的纹波进行压制。受制于驱动板的实际板尺寸（26*26mm），采用输出电容加三端滤波器进行电源滤波，因TPS65053本身的设计原理限制，该电源的输出纹波本身就比较小，而对输入纹波有较大的影响，为防止其影响输入的5V，故在输入端也增加三端滤波器及磁珠，以抑制纹波。

5 实验效果

通过制板实验，使用开关电源的显示驱动电路的单板电流为35mA左右，整套OLED显示组件的总电流降至57mA左右，总功耗为285mW左右，相比于原显示组件，功耗降低了约1/2。因电路设计合理，纹波抑制较为理想，3.3V与1.8V的电源输出纹波均在50mV以下，5V的输入纹波也没有明显的增加，显示效果与原方案无明显区别。因显示组件的功耗大大降低，发热明显减少，OLED的使用寿命得以延长。

目前，该显示组件已应用于某型便携式红外夜视仪和某型红外瞄准具中。红外夜视仪为双目设计，采用新显示组件后，总电流由800mA左右降低到720mA左右，使用时间延长了约10%；而红外瞄准具是单目设计，采用新显示组件后，整机电流由320mA降低到275mA，使用时间延长了约14%，取得了良好的应用效果。

参考文献：

[1]SVGA060.OLED及其复合视频驱动板使用说明书，云南北方光电技术有限公司

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关键词：软开关电源；DSP；PWM；全桥变换器；煤矿安全

目前我国大大小小的煤矿有不下10000 座，而每年因煤矿事故死亡的人数也居高不下，井下监控系统就成了煤矿生产中最为重要的环节之一。传统的硬开关方式的逆变电源由于存在开关损耗大、效率低、电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI）大等的问题[2]，不但影响电源自身的可靠性，而且会影响其它电子设备的正常工作，容易a生拉弧以及电火花，从而引起瓦斯爆炸等安全隐患，软开关技术是目前解决该问题的主要方法。

为了实现监控系统电源波形的数字化控制，本文的控制核心采用DSP 芯片的TMS320F2812 系列，并由DSP的PWM生成机制来完成调节输出电压，并采用全桥式变换器完成软开关电源的实现，对电源主电路实现了全数字控制，输出电压设置定点可调，提高了输出电压的精度和稳定度，另一方面采用全桥式变换器，从而大大的提高软开关电源的输出功率[3]。

一、电源系统硬件设计

主电路设计：开关电源的硬件基本组成原理图主要由功率主电路，DSP控制回路以及他辅助电路组成。系统的硬件基本组成电路如图1所示：

其基本原理是：电网的交流输入经过EMI整流滤波后得到高品质直流电压，通过全桥式逆变器将直流电压变换成高频交流电压，再经高频变压器隔离变换，输出所需的高频交流电压，最后经过输出整流滤波电路，将高频变压器输出的高频交流电压整流滤波后得到所需要的高质量、高品质的直流电压[4]，通过采样电路及光电隔离保护电路输入给DSP控制器，从而形成负反馈。DSP芯片TMS320F2812通过事件管理器EVA产生PWM波，并加于驱动电路，通过改变占空比输出模拟量电压电流。完成反馈调节得到理想的电压电流。电路拓扑结构如图2所示。

3PAC表示三相交流380V的电网电压输入，3PBreaker表示三相空气开关，Diode Bridge表示三相不可控整流桥，TD Breaker表示延时启动开关，防止启动时充电电流过大，Lin和Cin构成输入LC滤波环节，IGBT Bridge表示单相逆变桥，Lm表示饱和谐振电感，Co隔直电容，LT表示12个高频线性变压器串联，D1、D2代表72个肖特基整流管，Lo和Co构成输出滤波环节，其中Lo代表12个电感，每个变压器输出连接一个输出滤波电感。

全桥变换器相当两个双管正激变换器组成，两组双管正激变换器驱动脉冲互补。全桥变换器由4个开关管构成，每个桥臂有个开关管，变压器的一次侧连接两个桥臂的中间。全桥电路相对单管、双管推挽、半桥电路要复杂一些，但是在选用同样的开关功率器件的条件下，可获得两倍于半桥电路的输出功率。和功率开关管反相并联的二极管，一般都是开关管自身的体二极管代替（由生产工艺集成的），这些二极管用于恢复能量，同时可以消除漏感产生的瞬间过压，用于钳制开关管承受的最大关断电压。

二、系统软件设计

DSP的PWM生成机制：在开关电源结构中，开关电源是通过修改PWM 波占空比改变逆变桥中IGBT的通断时间从而控制输出电压的大小[5]。控制电路所需的PWM波的生成是由DSP中事件管理器EVA产生，对每一次主电路的输出电压、电流数据采集发生在每个PWM周期末，采集完成后ADC向CPU发出一个中断请求，中断开始，CPU进入服务子程序，按指定的算法对采样结果进行运算，运算的输出结果是CMPR的值，PWM的占空比就是通过运算输出的结果CMPR值来改变，从而改变IGBT的通断时间，进而控制输出电压电、流的大小[6]。

规定超前臂 Z1与Z2为固定臂开关管，滞后臂 Z3与Z4为移相臂开关管，其移相角由比较寄存器CMPR2给定。DSP于每周期固定相位180°互补输出uPWM1和uPWM2，死区时间由死区控制寄存器给出，避免上下直通并实现软开关。同理DSP输出180°互补并带死区的uPWM3和uPWM4。只有uPWM1与uPWM4，uPWM2与uPWM3同时为高时，电源才能传递功率。控制电源输出的占空比只要做到实时改变比较寄存器CMPR2的值并保证uPWM3和uPWM4180°互补即可。启动A/D并触发中断是由计数寄存器T2CNT与T1CNT同周期且相位差固定来实现的，在中断程序中对反馈信号进行处理并实时改变比较寄存器CMPR2的值[7]。

三、仿真结果

利用仿真软件PSIM来对电路进行仿真，实验的主要技术指标为：

输入电压：三相AC380V（-5%―+5%）

输出电压：DC 25V

输出电流：DC 125A

开关频率：20KHz

实验中电路的参数设置：谐振电感：26μH，隔直电容60μF，输出滤波电感：88μH，输出滤波电容：6600μF，开关频率：20KHz。

图3为驱动脉冲和输出电压，电流的波形，可见输出波形良好，达到稳定的时间较快。

四、结束语

基于 DSP 的软开关电源具有高效节能、轻巧省料、控制性能好等特点，在消除网侧电流谐波、改善网侧功率因数、控制逆变输出波形、提高系统动态响应性能方面有很大的改善[8]，已成为现代煤矿电源发展的主流之一。通过使逆变器开关器件工作在 ZVZCS 软开关状态，为进一步提高其工作频率奠定了基础。监控系统的微处理器的逻辑电路发展趋势就是低压大电流，本文所设计的电源可以满足其需求。DSP使数字化电源的波形控制能力更为精确，系统更加紧凑，提高了抗干扰性，保证了煤矿监控系统运行的实时性和稳定性[8]。实验证明电源的性能可以满足煤矿监控系统电源的要求。

参考文献：

[1]姜少飞，闫英敏，赵霞，程.基于DSP的数字PID控制在开关电源中的应用[J].国外电子测量技术，2009，6：69-70

[2]成亮.煤矿安全生产井下供电系统研究[J].中小企业管理与科技，2011.30.

[3]黎粤梅.高频开关电源节能技术的探索[J].科技资讯，2011.17.

[4]王增福，李昶，魏永明.软开关电源原理与应用[M].北京电子工业出版，2006.

[5]金影梅.基于DSP的软开关电源的研究[J].科技广场，2010，36（2）：198-200.

[6]万山明.TMS320F281x DSP原理及应用实例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

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关键词：DCDC开关电源；模拟加法器；恒流源；误差放大器

中国分类号：TN433文献标识码：A文章编号：10053824（2013）03000503

0引言

电源管理IC因具有体积小、转换速率高等优点，已被广泛应用于电子、通信、电气、能源、航空航天及家电等领域。电源管理IC主要分为线性稳压电源转换器和DCDC开关电源转换器。相对于线性稳压电源转换器， DCDC开关电源转换器具有电压转换效率高和输出电压范围较宽的特点，因而DCDC开关电源转换器已成为主要的电源产品之一[1]。

降压型脉冲宽度调制型（pulse width modulation， PWM） DCDC开关电源是目前被广泛应用的1种DCDC开关电源结构[24]，其电路结构如图1所示。由图1可知，模拟加法器是PWM型DCDC开关电源转换器的核心模块，其性能特性直接影响PWM型DCDC开关源的性能特性，因而要求模拟加法器在电源电压、温度等变化或漂移条件下，均能获得稳定的性能。针对这些要求，本文设计了1种适用于DCDC开关电源的模拟加法器。

1模拟加法器原理及构成

本文所设计的模拟加法器的原理图如图2所示。该模拟加法器主要由误差放大器A1，误差放大器A2，MOS晶体管M1―M4，电阻R1，R2以及电容C1，C2组成。其中，误差放大器A1与误差放大器A2完全相同，Vref为带隙基准参考提供的1.2 V带隙参考电压，其具有与温度、电源电压波动以及工艺无关的参考电压源。VA1为图1所示的DCDC开关电源转换器的放大器的输出信号。电容C1与电容C2在图2所示电路中起滤波以及电荷存储作用。

图1DCDC开关电源转换器电路结构图图2模拟加法器原理图误差放大器A1，MOS管M1与电阻R2构成负反馈系统。误差放大器A1强制放大器的两输入端电压相等，即V1=Vref，因而流过电阻R1的电流I1为I1=VrefR1（1）图2中，MOS晶体管M1与M2构成基本电流镜，因而流过M2的漏电流I2为I2=WL2WL1I1（2）（2）式中：WL1与WL2分别为晶体管M1与M2的宽长比，因而电阻R1的压差VR1为VR1=I2R2=WL2WL1×R2R1×Vref（3）同理，误差放大器A2与MOS管M4也构成负反馈系统。误差放大器A2强制其两输入端电压相等，即V2=VA1（4）由（3）式与（4）式可得模拟加法器的输出电压VA，其可表示为VA=VA1+WL2WL1×R2R1×Vref（5）在电路设计时，若M1与M2为完全相同的PMOS管，即WL1=WL2，同时R2与R1为同一类型电阻且具有相同的阻值，则（5）式可表示为VA=VA1+Vref（6）（6）式说明图2所示的电路能有效地实现两模拟电压求和的功能。

2误差放大器的分析与设计

在图2所示的电路中，误差放大器A1以及误差放大器A2为模拟加法器的重要单元模块，其性能特性直接影响模拟加法器的性能特性，其中误差放大器A1与误差放大器A2完全相同。针对此问题，本文所设计的误差放大器A1与误差放大器A2采用折叠式共源共栅结构[5]，如图3所示。误差放大器主要由晶体管Ma0―Ma10、电阻R构成。其中Vp和Vn分别为误差放大器的差分输入端，Vb1―Vb3为偏置电压，Ma0与Ma1为PMOS输入对管，Ma3，Ma4与Ma5，Ma6形成电流镜对负载，实现双端输入和单端输出。图4为放大器的交流仿真曲线。仿真结果显示，在一定负载电容条件下，本文所设计的误差放大器获得65.5 dB的低频增益以及80°相位裕度，能够满足模拟加法器的要求。

图3误差放大器电路图图4误差放大器交流仿真波形图3仿真结果与分析

为验证所设计的模拟加法器的性能特性，在电源电压VDD=3 V的条件下，采用CSMC的0.5 μm标准CMOS混合工艺以及Cadence的Spectre仿真工具对电路进行了仿真验证。

当Vref=1.2 V以及VA1=1 V时，模拟加法器的瞬态仿真结果如图5所示。仿真结果显示模拟加法器的输出VA≈2.2 V，有效地实现了加法器功能。图6给出了VA与输入信号VA1的直流扫描关系曲线。仿真结果显示，模拟加法器的输出电压VA与输入电压VA1成线性关系，其差值恒为一常数。

图7为模拟加法器输出电压VA与温度的关系仿真曲线。仿真结果显示，当温度在0～110 ℃范围变化时，输出电压VA变化量仅为1.18 mV。

图5模拟加法器瞬态仿真

图6模拟加法器输出VA与输入VA1的关系曲线

图7模拟加法器输出电压与温度关系仿真曲线

4结语

本文设计了一种适用于DCDC开关电源的模拟加法器，其具有简单的电路结构。采用CSMC 0.5 μm CMOS混合工艺以及Cadence的Spectre仿真工具对所设计的电路进行了仿真验证。仿真结果显示模拟加法器具有非常好的性能，能够满足DCDC开关电源的要求。参考文献：

[1]顾亦磊，吕征宇，钱照明.DC/DC拓扑的分类及选择标准[J].浙江大学学报，2004，38（10）：13751379.

[2]赵卉.电流控制模式单片开关电源的设计[D].成都：电子科技大学，2005.

[3]TAN Min， ZHOU Qianneng. A endpoint prediction scheme with constant amplitude ramp signal suitable for high voltage applications [C]//Electron Devices and SolidStatc Circuits（EDSSC）， 2010IEEE International Conference. Hong Kong：[s.n.]，2010： 14.

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中图分类号：TM63 文献标识码：A

0 引言

目前，变电站内二次设备中的继电保护装置、安全自动装置、测控装置均为直流供电，但还有一部分IT类设备，因其电源输入标注为交流220V，如1：变电站自动化系统（或称为变电站计算机监控系统）的当地监控后台机（计算机及显示器）、部分站内网络交换机，仍旧采用交流220V供电，为确保实时信息的采集，必须不间断供电，故该交流220V采用的是UPS输出。如2：变电站内的调度数据网接入层路由器、二次安全防护设备（接入交换机、Ⅱ区防火墙、部分Ⅰ区加密认证装置），也是如此。

变电站内的直流电源系统是非常可靠的，因为它本身有多个充电模块并联运行，且有蓄电池组作为充电模块交流输入失电时的后备，另外，220kV变电站直流电源系统采用了两组蓄电池两套充电装置的二段单母线接线方式，就更加可靠了，见图0-1。上文提及的这些IT类设备，若能采用直流供电，则二次设备就统一是直流供电，这样一来可简化变电站内的供电网络，即可取消UPS供电这个层次，精简变电站内设备，提升变电站运行可靠性。因为电源网络越简单越可靠，设备越少越可靠。

图0-1 直流电源系统示意图

1 开关电源的发展过程分析

在开关电源出现之前，线性稳压电源（以下简称线性电源）已经应用了很长一段时间。而后，开关电源是作为线性电源的一种替代物出现的，开关电源这一称谓也是相对于线性电源而产生的。

线性电源的典型结构结构见图1-1。图中的关键元器件是调整管V。为了使调整管 V可以发挥足够的调节作用，V必须工作在线性放大状态，且保持一定的管压降。因此，这种电源被称为线性电源。它的缺点：一是调整管V工作在线性放大状态，损耗很大，因而使整个电源效率很低；二是需要一个工频变压器T，使得电源体积大、重量重，搬运过早年生产的电子仪器的人都会有这样的体会，电子仪器往往“一头沉”，这较重的一头往往就是电源变压器所在的一头。

图1-1 线性电源结构简图

开关电源就是为了克服线性电源的缺点而出现的，其典型结构见图1-2。首先，该电路中起调节输出的逆变电路中的电力电子器件都工作在开关状态，损耗很小，使得电源的效率可达到90%甚至95%以上。其次，电路中起隔离和电压变换作用的变压器T是高频变压器，其工作频率多为20kHz以上，因为高频变压器体积可以做得很小，从而使整个电源的体积大为缩小，重量也大大减轻。同时由于工作频率高，滤波器的体积也大为减小。

图1-2 开关电源结构框图

按目前的习惯，开关电源专指电力电子器件工作在高频开关状态下的直流电源，因此，开关电源也常被称为高频开关电源，也可以说开关电源是高频开关电源的简称。

由于计算机等电子装置的集成度不断增加，功能越来越强，体积却越来越小，因此迫切需要体积小、重量轻、效率高、性能好的新型电源，这就成了开关电源技术发展的强大动力。

新型电力电子器件的发展给开关电源的发展提供了物质条件。20世纪60年代末，双极型电力晶体管的出现，使得采用高工作频率的开关电源得以问世，那时确定的开关电源的基本结构一直沿用至今。

开关频率的提高有助于开关电源体积减小、重量减轻。20世纪70年代开关频率终于突破了人耳听觉极限的20kHz。后来，随着电力MOSFET的应用，开关电源的开关频率进一步提高。

由于和线性电源相比，开关电源在绝大多数性能指标上都具有很大的优势。因此，目前除了对直流输出电压的纹波要求极高的场合以外，开关电源已经全面取代了线性电源。计算机、电视机、各种电子仪器几乎都已是开关电源的一统天下。

作为电子装置的供电电源，在20世纪80年代以前，作为线性电源的更新换代产品，开关电源主要用于小功率范围。那时，中大功率直流电源仍以晶闸管相控电源为主。但是，80年代起，绝缘双极型晶体管（IGBT）的出现使得开关电源的容量不断增大，在许多中等容量范围内迅速取代了相控电源。在通信领域，早期的48V基础电源几乎都是采用的晶闸管相控电源，现在已逐步被开关电源所取代。电力系统的操作用直流电源以前也是采用晶闸管相控电源，目前开关电源已经成为其主流。

2 IT类设备内部电源模块分析及直流输入试验、实践

这些IT类设备，在其电源输入处标的是交流220V，那么改用直流220V输入时设备能正常运行?下文将从其内部电源模块的原理及实验情况来进行阐述。

2.1 内部电源模块的原理及直流输入可行性分析

从上文开关电源的发展过程分析中，已知晓：现代的这些IT类设备，其内部电源模块均采用了开关电源。打开这些IT设备的机箱，“开关电源”四个字，有的已明显地将其印在了内部电源模块上。如，思科路由器Cisco2811、3725，台式计算机Dell GX620其内部电源模块的外壳上有“开关电源”四个字印在上面。

从开关电源的原理图（图2-1）中可以看出，开关电源内部最前级，即与工频交流输入直接连接的就是桥式整流电路，并不存在像线性电源一样的隔直通交的工频变压器，故改输入的直流220V也能顺利通过整流电路，向后级电路提供直流电。就算是个别变电站的直流电源系统为直流110V，因开关电源输入电压范围很宽，故也不存在任何问题。

图2-1 开关电源原理简图

部分厂家为节约成本或出于其它原因，其设备内部电源模块的输入电路采用了半波整流，故此时直流220V输入就有方向的要求了。如，终端服务器Moxa NPort6650-16，使用手册上就作了这样的说明。后续应用实验到的网络交换机Cisco WS-C2960也是如此。

2.2实验情况

2.2.1 测量各类设备的输入阻抗

测量方法，在不打开其机箱查看电路的情况下，用万用表（Fluke111）的“电阻档”测试，主要通过测得的电阻值来简单快速判断内部是开关电源还是老式的工频变压器整流电源。

从表2-1的记录实测数据可以看出，电阻值均较大，不属于工频变压器类型，而应属于开关电源类型。

序号 设备类别 设备型号 L、N之间的电阻值 L、地之间的电阻值 N、地之间电阻值

1 网络交换机 Cisco WS-C2950 0.612兆欧 ∞ ∞

2 网络交换机 Cisco WS-C2960 1.217兆欧 ∞ ∞

3 数据网路由器内的电源模块 Cisco 3725电源模块 1.056兆欧（开关OFF） ∞ ∞

4 数据网路由器内的电源模块 Cisco 3725电源模块 0.380兆欧（开关ON） ∞ ∞

5 防火墙 NetEye 0.836兆欧 ∞ ∞

6 当地监控后台机（台式计算机） Dell GX260 0.760兆欧 ∞ ∞

7 液晶显示器 Dell 1703Fpt 1.0兆欧 ∞ ∞

表2-1 变电站IT类设备输入阻抗测量记录表

2.2.2 输入直流220V，观察设备运行是否正常。

从表2-2记录的运行情况可以看出，直流输入时设备均能运行正常，且网络交换机Cisco WS-C2960直流输入时还有正负极性的要求。

序号 设备类别 设备型号 L、N之间接入直流 “＋” 220V时的运行情况 L、N之间接入直流 “－” 220V时的运行情况

1 网络交换机 Cisco WS-C2950 工作正常（内部有指示灯亮） 工作正常（内部有指示灯亮）

2 网络交换机 Cisco WS-C2960 未工作（风扇不转，SYST灯不亮） 工作正常（风扇转，SYST灯闪烁）

3 数据网路由器内的电源模块 Cisco 3725电源模块 工作正常（有输出电压） 工作正常（有输出电压）

4 防火墙 NetEye 工作正常（风扇转，Power灯亮，HDD灯闪烁） 工作正常（风扇转，Power灯亮，HDD灯闪烁）

5 当地监控后台机（台式计算机） Dell GX260 工作正常（电源灯亮） 工作正常（电源灯亮）

表2-2 变电站IT类设备直流供电测试记录表

2.3 现场实践情况

2.3.1 IT类设备正向应用的一些情况。即标注为交流供电的设备，实际采用直流供电

2010年的220kV变电站二次安防工程，其二次安全防护设备（防火墙FW5120、网络交换机Cisco WS-C2960）；2011年的220kV变电站第二平面工程，其路由器ZXR10-3800、网络交换机ZXR10-2928；2011年的青阳变增容改造工程、球庄变新建工程，其路由器Quidway AR2240。这些，IT类设备均采用了直流220V供电，运行稳定正常。

2.3.2 其它设备的一些情况

2.3.2.1 监控系统设备屏、测控装置反向应用的一些情况。即标注为直流供电的设备，实际采用交流供电

1999、2000、2001年的35kV变电站计算机监控系统BJ-3设备屏，采用了交流220V供电，这说明其内部的开关电源模块对交直流来讲是互通的，即原先定义直流220V供电的设备，用交流220V也能正常运行。

2009年的UPS机房RCS-9603测控装置，采用了交流220V供电，这也说明是互通的。

2.3.2.2 早期的电气量变送器不能直流供电的一些情况

只有90年代至21世纪初的电气量变送器（交流有功功率变送器、交流电流变送器、交流电压变送器等等），其内部采用的是线性电源模块。花园电厂还出现了多次变送器故障的情况（实际为内部电源模块烧坏），后查明该变送器屏接在了应急电源上，应急电源是每隔几个月要切换一次，即由交流短时间地切到直流上，即直流向变送器供电，因变送器内部电源输入为工频变压器，故造成小电阻短路烧毁线圈。

3 结语

早期投运的35kV变电站（即少量80年运的），其电容储能式直流电源系统已陆续淘汰，改造为蓄电池组式直流电源系统，故变电站直流电源系统已是非常可靠的设备、回路供电系统。

传统的UPS，其应用的范围一般为各单位数据中心机房，各级各类调度大楼自动化机房、信息机房，由单独的蓄电池组作为后备电源，确保给设备提供不间断的交流220V电源。这些场所，只能提供市电，即交流220V，它不像变电站有直流电源系统。

80年代末至90年代初的变电站安装自动化装置（遥测、遥信），以及90年代中期开始的变电站无人值班改造（遥测、遥信、遥控），那时因电气量变送器、遥控执行屏等设备其内部仍为线性电源模块，只能交流220V供电，故变电站内必须配置传统的UPS（含蓄电池组），向这些设备提供不间断的交流220V电源。

21世纪初开始的变电站综合自动化改造，陆续淘汰了技术落后的电气量变送器、遥控执行屏等设备，采用的技术先进的测控装置、保护测控一体装置。虽然当时传统UPS陆续或同步淘汰，采用了后备电源为直流220V的新式UPS、或逆变电源，但UPS这个类型的设备还继续存在着，向这些电源输入端文字标注着交流220V输入的IT类设备供着电。

根据上述对开关电源的发展过程分析，变电站IT类设备内部电源模块的分析、试验及现场实践，可以得出变电站内的IT类设备可以采用直流供电的结论。

从上可以看出，变电站有一般办公场所所不可能具备的直流电源系统，且该供电系统是非常可靠的，而变电站的这些IT类设备在技术层面又完全可以支持直流供电，那么变电站UPS已经没有存在的必要性了。故本文最终提出取消UPS（及逆变电源），以简化变电站内供电网络，精简设备，提升变电站运行可靠性。

参考文献

[1] 裴云庆，杨旭，王兆安. 开关稳压电源的设计和应用. 北京：机械工业出版社，2010.

[2] 沙占友，于国庆，王晓君，许云峰等. 线性及开关稳压器设计320例. 北京：电子工业出版社，2009.

[3] 王兆安，黄俊. 电力电子技术. 北京：机械工业出版社，2006.

[4] 何永华. 发电厂及变电站的二次回路. 北京：中国电力出版社，2004.

[5] 姚春球. 发电厂电气部分. 北京：中国电力出版社，2004.

[6] 谢萍. 直流系统及逆变电源系统 施工图. 南京：江苏省电力设计院，2010.

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关键词: 电力电子技术; 高频开关电源; 功率半导体器件; 功率变换

中图分类号：F407.61 文献标识码：A 文章编号：

1 电力电子技术概述

电力电子技术以功率处理为对象，以实现高效率用电和高品质用电为目标，通过采用电力半导体器件，并综合自动控制计算机(微处理器)技术和电磁技术，实现电能的获取、传输、变换和利用。电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面。

电力电子技术起始于20世纪50年代末60年代初的硅整流器件，其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代，并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。70年代后期以门极可关断晶闸管（GTO），电力双极型晶体管（BJT），电力场效应管（P-MOSFET）为代表的全控型器件全速发展，使电力电子技术的面貌焕然一新进入了新的发展阶段。80年代末期和90年代初期发展起来的、以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件集驱动功率小，开关速度快，通泰压降小，载流能力大于一身，性能优越使之成为现代电力电子技术的主导器件。

2高频开关电源概述

高频开关电源是交流输入直流整流，然后经过功率开关器件（功率晶体管、MOS管、IGBT等）构成放入逆变电路，将高压直流（单相整流约300V，三相整流约500V）变换成方波（频率为20kHz）。高频方波经高频变压器降压得到低压的高频方波，再经整流滤波得到稳定电压的直流输出。

高频开关电源的特点[1]：

1、重量轻，体积小

由于采用高频技术，去掉了工频（50Hz）变压器，与相控整流器相比较，在输出同等功率的情况下，开关电源的体积只是相控整流器的1/10，重量也接近1/10。

2、功率因数高

相控整流器的功率因数随可控硅导通角的变化而变化，一般在全导通时，可接近0.7，以上，而小负裁时，但为0.3左右。经过校正的开关电源功率因数一般在0.93以上，并且基本不受负载变化的影响。

3、可闻噪声低

在相控整流设备中，工频变压器及滤波电感作时产生的可闻噪声大，一般大于60db，而开关电源在无风扇的情况下可闻噪声仅为45db左右。

4、效率高

开关电源采用的功率器件一般功耗较小，带功率因数补偿的开关电源其整机效率可达88%以上，较好的可以做到92%以上。

5、冲击电流小

开机冲击电流可限制在额定输入电流的水平。

6、模快式结构

由于体积小，重量轻，可设计为模块式结构。

3电力电子技术在大功率开关电源中的应用

3.1功率半导体器件

功率半导体器件的发展是高频开关电源技术的重要支撑。功率MOSFET和IGB的出现，使开关电源高频化的实现成为可能；超快恢复功率二极管和MOSFET同步整流技术的开发，为研制高效率或低电压输出的开关电源创造了条件；功率半导体器件的额定电压和额定电流不断增大，为实现单机电源模块的大电流和高率提供了保证。

（1）功率MOSFET

功率MOSFET是一种单极型（只有电子或空穴作但单一导电机构）电压控制半导体元件[8]，其特点是控制极（栅极）静态内阻极高，驱动功率很小，开关速度高，无二次击穿，安全区宽等。开关频率可高达500kHz,特别适合高频化的电力电子装置。

（2）绝缘栅双极晶体管IGBT

绝缘栅双极晶体管IGBT是一种双（导通）机制复合器件，它的输入控制部分为MOSFET，输出极为GTR，集中了MOSFET及GTR分别具有的优点[2]：高输入阻抗，可采用逻辑电平来直接驱动，实现电压控制，开关速度高，饱和压降低，电阻及损耗小，电流、电压容量大，抗浪涌电流能力强，没有二次击穿现象，安全区宽等。

3.2软开关技术

传统大功率开关电源逆变主电路结构多采用PWM硬开关控制的全桥电路结构，功率开关器件在开关瞬间承受很大的电流和电压应力，产生很大的开关损耗，且随着频率的提高而损耗增大。工作频率在20kHz，采用IGBT功率器件的PWM硬开关控制的电源，功率器件开关损耗占总损耗的60%~70%，甚至更大[3]。为了消除或抑制电路的电压尖峰和浪涌电流，一般增加缓冲电路，不仅使电路更加复杂，还将功率器件的开关损耗转移到缓冲电路，而且缓冲电路的损耗随着工作频率的提高而增大。

软开关技术利用谐振原理，使开关器件两端的电压或流过的电流呈区间性正弦变化，而且电压、电流波形错开，使开关器件实现接近零损耗。谐振参数中吸收了高频变压器的漏抗、电路中寄生电感和功率器件的寄生电容，可以消除高频条件下的电压尖峰和浪涌电流，极大地降低器件的开关应力，从而大大提高开关电源的效率和可靠性。

3.3同步整流技术

对于输出低电压、大电流的开关电源来讲，进一步提高其效率的措施是在应用软开关技术的基础上，以功率MOS管反接作为整流用开关二极管，这种技术称为同步整流（SR），用SR管代替肖特基二极管（SBD）可以降低整流管压降，提高开关电源的效率。

现在的同步整流技术都在努力地实现ZVS及ZCS方式的同步整流。自从2002年美国银河公司发表了ZVS同步整流技术之后，现在已经得到了广泛应用[4]。这种方式的同步整流技术巧妙地将副边驱动同步整流的脉冲信号与原边PWM脉冲信号联动起来，其上升沿超前于原边PWM脉冲信号的上升沿，而降沿滞后的方法实现了同步整流MOSFET的ZVS方式工作。最新问世的双输出式P联M控制IC几乎都在控制逻辑内增加了对副边实现ZVS同步整流的控制端子。这些IC不仅解决好初级侧功率MOSFET的软开关, 而且重点解决好副边的ZVS方式的同步整流。用这几款IC制作的DC/DC变换器, 总的转换效率都达到了94%以上。

3.4控制技术

开关变换器具有强非线性、离散性、变结构的特点，负载性质也是多变的，因此主电路的性能必须满足负载大范围的变化，这使开关电源的控制方法和控制器的设计变得比较复杂。

电流型控制及多环控制在开关电源中得到了较广泛的应用；电荷控制、单周期控制等技术使开关电源的动态性能有了很大的提高。一些新的方法，如自适应控制、模糊控制、神经网络控制及各种调制方式在开关电源中的应用，已经引起关注。

随着微电子技术的发展，微控制器的处理速度越来越快，集成度越来越高，将微控制器或者DSP应用到大功率开关电源的数字控制模块已经成为现实。开关电源的高性能数字控制芯片的出现，推动了电源数字化的进程[5]。

数字控制可以实现精细的非线性算法，监控多部件的分布电源系统，减少产品测试的调整时间，使产品生产率更高。实时数字控制可以实现快速、灵活的控制设计，改善电路的瞬态响应性能，使之速度更快、精度更高、可靠性更强。

4 结束语

高频开关电源作为电子设备中不可或缺的组成部分也在不断地改进，高频化、模块、数字化、绿色化是其发展趋势。高频开关电源上述各技术的实现，将标志着开关电源技术的成熟。电力电子技术的不断创新，将使开关电源产业有着广阔的发展前景。

参考文献

[1] 莫慧芳. 高频开关电源发展概述. 电源世界, 2007（5）

[2] 贺益康, 潘再平. 电力电子技术. 科学出版社, 2010年第2版

[3]倪倩, 齐铂金, 赵晶等. 软开关全桥PWM主电路拓扑结构在逆变焊接电源中的应用. 自动化与仪表, 2002（1）