开关电源的设计与实现

蔡乾 陈春芳 陈祎 王昭

摘要 开关电源被称作高效节能电源，是当下稳压电源发展趋势的重要代表。经过近二十年的科研与推广，开關电源逐渐朝着高效率、低能耗、小体积等方向发展。本文主要通过实验探究的方式，对开关电源的设计以及实现进行了简要的分析。

【关键词】开关电源 设计 实现

开关电源具备体积较小、工作效率较高等优点，已经在各种现代电子设备当中得到了较为广泛的应用。而因为开关电源相应的控制电路较为复杂，在实际应用当中会受到一些限制。怎样对开关电源形成完善的设计，使其应用性能更好的体现出来，值得我们更为深入的探索。

1 开关稳压电源

传统的线性电源通常都是较大体积的工频整流电源，这种电源效率较为低下，最高只能达到百分之四十，而随着现代科技的发展，该种电源逐渐退出了历史舞台，对开关稳压电源的应用越来越广泛。与传统线性稳压电源相比较，开关稳压电源有着效率较高、体积较小、功率较大、成本投入较低等特征，给如今各种便携式的电子产品发展形成了良好的促进作用。近些年，半导体工艺呈现出了非常大的变化，制作工艺的高效化，不仅形成了更低的能耗和更高的效能，还有效拓展了系统运行的稳定性、可靠性以及电磁兼容性，使工作效率大幅上升。通常，开关电源的最低效率可以达到百分之八十。

2 数控开关电源主要原理

在针对数控开关电源进行设计的过程中，需要依据双闭环控制以及稳压稳流的自动转换电路等原理，让电源开关实际的电压和电流可以达到给定值，并且确保电路实际工作过程的稳定性。

2.1 双闭环控制

为有效拓展动态响应的速度，需要在对电源开关进行设计的过程中采取双闭环形式的控制结构，从而实现直接对控制面板进行操作，对系统稳流值以及稳压值的显示与控制。在双闭环的控制模式当中，电流主要是内环控制，电压则是受到外环控制，结合PID调节器达到内外环一同控制的效果。双闭环控制一般表现为对PID误差的调控，其中外环控制指的主要是对电压输出值跟额定值之间进行对比，随后经过相应的调控操作，使电压控制形成外环。而内环控制主要是利用PID针对电流进行控制，把经过调制之后的电流进行传输，生成相应的数字脉冲，继而对开关状态实现有效控制，形成限流作用。在工作状态为稳压情况的时候，电流的PID调节将会向PWM调制器输出一定的数字脉冲赋值，这时电压环将会退出，形成以电流环为主导的形式，从而实现对开关状态的控制，同时形成稳流效果。

2.2 稳压稳流自动转换电路

稳压稳流的自动转换主要是由电流、电压以及负载这三个因素所共同决定。在电路实际工作状态为稳流情况时，电压环将会处在饱和状态，无法起到任何作用，而内环当中的电流则处在工作状态之中。与之相反的是，电路处在稳压状态的时候，电路环由于饱和而停止工作，电压环处于工作状态。而输出电压会超过给定值，且电流给定，这时运算方法器会处于饱和的状态，电流环和电压环呈现同时工作的情况，该种控制方式也就是双环结构。也正是对双环结构的有效设计，使所输出的电流与电压都可以稳定在一个特定范围之内，自动转换电路不仅能够对电路进行转换，还可以维持电源稳值。

3 开关电源的设计内容

开关电源的输入滤波稳压电路，指的主要是DC-DC变换器在输入以前的电路，其中主要包含蒸馏滤波电路以及输入滤波电路等各种单元电路，其拓扑结构和各种性能指标会影响到开关电源具体的应用可靠性、成本投入以及体积大小等，同时也决定了在开机瞬间浪涌电流的高低。为了能让开关电源处在干扰较小，防止受到污染的电网环境当中，所以需要对在开关电源当中输入前端电路，本实验设计利用的前端电路如图l所示。

在该原理图当中：

（1） CX1以及CX2为X安规电容，主要作用在于差模滤波。

（2） L1、CYl以及CY2用在共模滤波。

（3） R2是NTC电阻，主要功能是开机时防止浪涌。

（4） Rl是泄放电阻，对工作人员形成保护。

（5） Ul以及Cl是整流滤波元件。

（6） FUSE是保险丝。

本次实验所采用的参数主要包括：

（1）保险丝主要选择3.15A/220V型号。

（2） Rl选择两个2.4MΩ串联。

（3） CXl以及CX2容量是O.lμF。

（4） CYl以及CY2容量是1μF。

（5）11容量是lOmH。

（6） Ul选择DB107型号的整流桥。

（7） Cl结合经验值加以选择，为82μF/400V电解电容。

（8） R2是NTC12D-7。

反激变换器其实属于一种Bust-Boost变换器，对其输出跟输入之间的隔离主要利用高频变压器，能够实现升压和降压，已经在100W之内隔离式的开关电源当中实现了非常广泛的应用，具体可以结合输出和输入电压范围的差异，选择单管或双管的反激拓扑结构。在经过设计高频变压器、次级反馈回路以及选择输出滤波电容之后，在测试平台当中进行具体的测试。经过对某专业仪表进行供电的过程加以测试，实验结果标明，所设计电源供电具有较好的可靠性，各种仪表均能正常投入应用。如果出现仪表短路的情况，供电电源具备过流保护的功能，可以在第一时间将供电电源切断，实现对仪表的保护。经过测试标明，保护功能具有较强的可靠性，能够完成对仪表的有效保护。在长时间应用之后，产品工作性能依然保持稳定，纹波比较小，而且输入电压维持稳定，可以满足仪表应用需求，并为仪表供电设计形成了良好的参考作用。

3 结束语

总而言之，对开关电源更为深入的研究与推广具有十分重要的现实意义，对于我国电子研发和生产行业的发展具有良好的促进作用。相关从业人员应该积极探索，对国外的一些先进技术和理念加以借鉴，继而与我国电子行业的整体情况相结合，创建出一套更为符合我国国情的开关电源设计体系，为国家经济发展注入源源不断的活力。

参考文献

[1]何玲，吴恒玉，王志刚，多功能开关电源保护电路的设计与实现[J]，电子工业专用设备，2015，44 （04）：7-13.

[2]郑尧，数控开关电源的设计与实现[J].通信电源技术，2015，32 （02）：136-138.

[3]兰盈杰，雷宏，姜明辉.一种新型待机开关电源的设计与实现[J].信息通信，2015 （02）：86-88.